“태양열 반사”… 스마트 섬유로 폭염 피해 막는다

美 연구팀, 섬유 구조 최적화 연구
빛 흡수 분자 ㎚ 수준까지 구현
열에너지 줄여 최대 8.9도 낮아져
도시열섬현상 관련 건강문제 해결

게티이미지코리아

폭염으로부터 건강을 지킬 수 있는 의복이 개발됐다. 태양복사열을 통해 사람에게 노출되는 태양열을 100% 가까이 반사할 수 있는 첨단 섬유로 만든 의복이다. 도시 중심부의 기온이 주변 지역보다 현저하게 높게 나타나는 도시열섬현상이 심각해진 도시 지역 근로자의 여름철 작업 안전을 지키는 데 기여할 것으로 기대된다.

쉬포춘 미국 시카고대 교수 연구팀은 분자 수준에서 섬유의 구조를 최적화해 우수한 태양복사열 반사율을 확보한 연구 결과를 13일(현지 시간) 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다.

‘냉각 기능’이 있는 의복은 도시열섬현상으로 인한 열에너지를 직접적으로 막을 수 있는 가장 간편한 방법이다. 학계에선 의복을 구성하는 섬유의 분자 구조를 열기를 식히는 데 유리한 방식으로 개량하는 연구가 활발했다.

연구팀은 실제로 사람이 의복을 착용했을 때 섬유가 수직 방향 상태에 놓인다는 점에 주목했다. 그동안 냉각 기능을 갖는 의복 연구는 주로 섬유가 눕혀진 상태에서 열에너지를 반사하는 분자 구조를 분석하는 방식으로 이뤄졌다. 실제 의복을 착용하고 외부에서 활동할 때는 열에너지 반사 효율이 감소했다.

수직 상태에서 태양열 복사에너지 방사율을 고려해 만든 섬유의 열 반사 효과를 확인하기 위한 적외선 사진. 사이언스 제공

이번 연구에서는 실제 사람이 의복을 입고 생활할 때 가장 효과적으로 열을 반사할 수 있는 구조를 만들었다. 수직 상태의 섬유 구조가 열에너지를 흡수한 후 표면에서 반사하는 에너지량을 극대화하기 위해 대기 중 태양복사열 에너지가 투과할 수 있는 빛의 파장 간격을 확인했다. 이를 바탕으로 고온인 빛의 파장을 배제하고 선택적으로 빛의 파장을 흡수할 수 있는 분자 구조를 nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 수준에서 구현해 섬유에 반영했다. 광범위하게 빛을 산란시켜 내열성이 높은 플라스틱인 폴리메틸펜텐(PMP)과 단열 능력이 우수한 은 나노와이어(AgNW)를 소재로 사용했다.

이렇게 개발한 섬유로 만든 의복은 사람에게 닿는 열에너지를 크게 줄였다. 기존 시중에서 유통되는 냉각 기능을 갖는 의복과 비교했을 때 우수한 효과가 확인됐다. 연구팀은 실외 환경에서 대기 온도와 의복을 입은 사람에게 닿게 되는 열에너지가 얼마나 감소하는지 확인하는 실험을 실시했다. 착용자가 바닥에 누운 상태와 서 있는 상태에서 닿는 열에너지로 인한 온도를 각각 측정했다.

그 결과 연구팀이 개발한 섬유로 만든 의복을 입은 사람에게 도달하는 온도는 기존 냉각 기능성 섬유보다 최대 8.9도 낮았다. 태양 복사열 반사율은 약 97%에 달했다. 또 세워진 상태였을 때 눕혀진 상태보다 냉각 효과가 3배 가까이 더 우수했다. 일상에서 흔히 겪을 수 있는 도시열섬현상은 현대인의 건강을 위협하는 요인이다. 선행 연구에 따르면 도시열섬현상은 심혈관 질환, 호흡기 질환, 신경 질환에 직접적으로 작용하며 질병으로 인한 사망률을 높이는 데 영향을 미친다.

특히 도시열섬현상의 원인이 되는 콘크리트 피복, 자동차와 같은 인공 장비 및 기기의 사용이 지속적으로 늘어나면서 도시열섬현상은 물론 관련 질병을 겪는 환자들의 상태도 더욱 심각해질 것으로 전망된다. 예를 들어 도시를 빼곡히 메운 빌딩 표면이 태양복사열에 노출되면 70도를 넘는 고온에 도달하며 강력한 열기를 분출한다. 각국의 도시화 비율은 2022년 57%에서 2050년 68%로 증가할 것으로 예측된다. 공중보건 차원에서 대비책 마련이 시급한 상황이다.

연구팀은 “이번에 개발한 섬유는 통기성, 세척성, 내구성도 우수하다”며 “도시 중심의 사회에서 여름철 도시열섬현상으로 인한 건강 문제를 해결하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.