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높은 복사 단열이 가능한 은 나노와이어(silver nanowire, AgNW)로 코팅된 의복을 착용함으로써, 인간은 겨울철 가정에서 난방의 수요를 크게 감소 또는 제거할 수 있으며, 따뜻한 상태로 실내에 머무를 수 있을 전망이다. 전 세계 에너지의 약 47%는 실내 난방(indoor heating)에 소요되고 있으며, 실내 난방의 42%는 특히 주거용 난방에 집중되는 것을 고려할 때, 단열 의복(insulating clothing)은 상당한 비용을 절감할 가능성이 있다. 

미국 스탠퍼드 대학(Stanford University) 소속의 Yi Cui 교수와 박사 과정 학생인 Po-Chun Hsu 등이 주도하는 연구팀은 Nano Letters에 AgNW-코팅 직물(AgNW-coated textiles)과 관련된 논문을 발표했다.

연구진은 대부분의 전략이 높은 R-value 단열(R-value insulation, 건축 재료 등의 단열 성능치)과 낮은 복사능(emissivity) 창문 등과 같은 건물의 단열을 개선하는 데 초점을 맞추고 있다고 설명했다. 그러나 에너지의 상당 부분은 아직까지 비어 있는 공간과 무생물의 난방에 낭비되고 있다. 

이러한 낭비를 피하기 위하여, 연구진은 사람의 난방에 초점을 맞추는 개인 열 관리(personal thermal management)라고 명명하는 새로운 전략을 이용했다. 연구진은 AgNWs와 같은 금속성 나노와이어의 용액에 담근 의복이 수동적 단열(passive insulation)을 제공하고, 외부 동력원에 연결될 때, 적극적인 난방을 가능하게 하여 이러한 목표를 달성할 수 있다는 것을 증명했다.

AgNW-코팅 의복의 주요 장점은 개인의 체열(body heat), 즉 적외선(infrared radiation)의 90% 이상을 개인에게 다시 반사한다는 것이다. 이러한 AgNW-코팅 의복의 반사율(reflectance)은 평균 의복 재료가 체열의 약 20%만을 다시 반사하기 때문에, 가장 따뜻한 울 스웨터보다 훨씬 더 높다. 

복사율의 증가는 열복사(heat radiation)를 측정하는 재료의 복사능(emissivity)의 차이에 기인한다. 복사능이 0.02인 은과 같이 낮은 복사능 재료는 더 적은 복사를 방출하고, 따라서 복사능이 약 0.8을 나타내는 일반적인 직물과 같은 높은 복사능 재료보다 훨씬 더 우수한 단열이 가능하다.

물론, 전적으로 은으로 이루어진 의복을 입는 것이 고가의 비용이 소요된다는 점은 말할 것도 없고, 비실용적이며 불편하다. 이러한 불편함의 주된 이유는 모든 금속과 같이 은이 호흡할 수 없다는 데 있다. 예를 들면, 알루미늄과 플라스틱으로 구성된 마일라 담요(Mylar blankets, 절연막 용 폴리에스테르 필름의 상표명)는 매우 따뜻하지만, 투습이 되지 않아 인간의 피부 위에 수분이 축적된다. 

한편, 새로운 AgNW-코팅 의복은 나노와이어의 다공성 구조 때문에 호흡이 가능하다. 약 300nm의 나노와이어 사이의 거대한 공간은 약 0.2nm 크기의 수증기 분자가 통과할 수 있는 엄청난 공간을 제공한다. 체열 복사가 만약 연속적인 금속막이 있고 반사된다면, 나노와이어 의복과 상호 작용이 이루어지고, 나노와이어가 약 9 μm의 파장을 갖기 때문에, 300-nm의 공간은 아직까지 체열이 통과하기에는 너무나 작다. 

AgNWs 코팅 의복은 높은 반사율(reflectivity)을 달성하는 데 소량의 AgNW 용액이 필요하기 때문에, 실제로 일반적인 의복과 동일하게 느껴질 수 있다. 코팅한 면 의복을 AgNW 용액에 담그는 것은 전체 의복에 대하여 1그램 미만인 단 0.1 g/m2의 질량을 추가한다. 이러한 질량의 낮은 비율만이 은을 구성하고 있기 때문에, 비용은 상대적으로 저렴할 수 있다. 은과 유사한 특성을 가지는 구리, 니켈 또는 알루미늄 등과 같은 다른 금속을 이용하는 것이 추가로 비용을 줄일 수 있다.

높은 수준의 수동적인 단열을 제공하는 것 이외에, AgNW-코팅된 의복은 만약 배터리와 같은 전기 공급원과 연결된다면 줄 발열(Joule heating)을 제공할 수 있다. 연구진은 0.9 V가 의복의 온도를 신체 온도인 37 °C 보다 1 °C 더 높은 38 °C까지 안전하게 올릴 수 있다는 것을 증명했다. 

실외 온도, 겨울철의 길이 및 주택 크기 등과 같은 변수는 인간이 얼마나 많은 에너지를 AgNW-코팅 의복을 착용함으로써 절감할 수 있는지 정확하게 계산하는 것을 어렵게 만든다. 그러나 연구진은 일일 1인당 8.5 kWh의 난방 에너지 또는 연간 4개월에 대하여 운영되는 난방 시스템을 가정했을 때 연간 1,000 kWh의 난방 에너지를 절감할 수 있는 것으로 추산했다. 이러한 추정은 평균 1인당 367W난방 동력을 필요로 한다는 것을 기준으로 계산됐다. 이러한 수치는 적극적으로 운영될 때 AgNW-코팅 의복이 필요로 하는 난방 동력 12 W와는 비교되는 것이다.

연구진은 동력 소비에서 1,000 kWh의 절감이 2제곱미터의 태양 패널에 의해 생성되는 동력에 상응하는 것이라고 지적했다. 추가로 태양 패널의 제작, 설치 및 유지 등은 AgNW-코팅 의복보다 훨씬 더 많은 비용을 요구한다.

AgNW-코팅 의복의 내구성을 테스트했을 때, 연구진은 AgNW-코팅 의복이 자체적인 전기적 특성을 유지하는 한편, 다수의 세탁 주기에 견딜 수 있다는 것을 발견했다. 놀라운 것은 전기 저항(electrical resistance)은 AgNWs에 대한 추가 코팅의 제거를 이유로 첫 두 번의 세탁 주기 후 감소했으며, 세 번째 세탁 후 저항이 안정화되고 나노와이어 그물망의 충전 밀도(packing density)는 증가했다. 

또 연구진은 탄소 나노튜브에서 코팅된 의복을 제작하여 테스트했다. 그러나 탄소 나노튜브가 전도성이며, 따라서 줄 난방에 적합하다고 하더라도, 0.98의 높은 복사능은 탄소 나노튜브가 AgNW 코팅만큼 우수하게 체열을 반사할 수 없다. 

그림1> (a) 체열이 일반적인 의복을 통과하지만 AgNW 의복에 의해 반사된다는 것을 보여주는 도해. (b, c) 유연성으로 보여주는 AgNW 의복과 CNT 의복의 사진. (d, e) AgNW 의복과 CNT 의복의 주사전자현미경 이미지.


KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-01-14




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