실내 난방의 수요를 제거할 수 있는 초단열 의복

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-14

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. 3010897_physorg_20150112_fig1.jpg http://phys.org/news/2015-01-super-insulated-indoor.html