Shailesh V. Marwaha와 Lokesh V. Marwaha의 섬유산업에서의 PCM의 원리, 선택, 활용에 대하여 설명한다. 과학의 기본원리는 혁신적인 섬유제품의 생산에 점 점 더 도입되는 추세이다. 그 중 하나로‘상변화’를 들 수 있다. 이는 하나의 물리적 상태가 또 하나의 물리적 상태로 변화하는 과정을 뜻한다. 상변화 물질(PCM)은 착용자의 편안함을 증진시키는 등의 섬유의 부가가치 를 위하여 적용될 수 있다. 온도 조절 섬유는 환경에 대 응하는 섬유를 만들기 위한 연구에서 중요한 분야 중 하나이다. 온도 적응 섬유는 다양한 온도 조건에서 그 성질을 변화시킬 수 있다. 이러한 섬유는 양면 열 방출 또는 유지 성질과 습기나 물기 방출 성질을 가진다. 이 런 것들이 바로‘활성 스마트 섬유’에 해당된다. 액추 에이터와 센서가 모두 있어서 그 기능을 환경에 따라 조절하여 힘든 환경에서 보다 지속적이고 강화된 온도 적인 편안함을 얻도록 해주기 때문이다. 사람들이 여행, 업무, 대화, 운동 등 어떤 활동을 할 때에 입고 있는 의복은 더워짐에 따라 젖거나 불편해질 수 있다. PCM은 착용자의 미환경에서 태양에서 내뿜 는 방사선을 완화하거나 단순하게는 신체에서 발생하 는 에너지를 흡수함으로써 열을 저장하고 온도를 조절 하는 기능이 있다. 외부 온도가 상승하면 PCM은 따뜻 한 몸이나 상승하는 주변 온도의 에너지를‘빌려서’고 정적인 온도 상태에서 유동적인 온도 상태로 변화한다. 이러한현상은PCM이‘슬러쉬’상태(반액체, 반고 체)에서 안정되기 때문에 일어난다. 활동수준이 상승하 면 슬러쉬의 고체성분이 몸에서 발생한 과도한 열을 흡 수하고 액체화된다. 이 현상이 착용자를 보다 시원하 게 유지해주며 신체 고유의 열을 식히려는 기제가 발동 하지 않도록 시간을 벌어준다. 그리고 환경의 온도가 즉각적으로 PCM의 어는 점 이하로 떨어지면, PCM은 다시 고체 상태로 변화하여 열에너지를 방출하고 일시 적인 보온 효과를 준다. PCM 섬유는 현재 다양한 활동 수준과 다양한 주변 온도에서 온도적인 편안함을 유지하기 위해 고안된 조 건에서 사용된다. 이러한 제품에 쓰이는 PCM의 녹는 범위를 조절함으로써 다양한 의복활용에 따라 특수 제 품을 생산할 수 있다. 1987년 과학자들은 온도기능의 향상을 위해 직물 섬유 내에 마이크로 캡슐화된 상변화 물질을 도입하는 기술을 개발하고 특허를 얻었다. 아웃라스트 테크놀로 지사가 NASA를 위해 1988년에 최초로 상변화 기술 을 개발했다. 나사가 수행한 연구를 통해 100개 이상 의 PCM을 찾아냈고, 이 중 일부는 인체온도에서 약간 높거나 낮은 상변화가 가능하다. 의복에서의 PCM 도 입이 주는 또 하나의 장점은 옷의 무게감을 줄이고 인 체온도를 지속적으로 유지함으로서 인체효율성을 높 여준다는 것이다. 이러한 PCM 도입 직물은 온도를 고 정적인 수준으로 유지할 수 있도록 완충제의 기능을 한다. PCM과 그 기제 PCM은 융해열이 높은 물질로 특정 온도에서 녹거나 굳으며 대량의 에너지를 저장하거나 방출할 수 있다. 온도 조절 상변화 물질 DYETEC VISION 정보의 장
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I I I I Db á ( z ø Õtextilesol.org › upload_file › T_TEXTILE_BOARD_NEW › S... · 2014-06-11 · D b á ( z ø Õ 9 1$. D, L à ø × S S ø I î S > 1$. 7 w Ì À Ò é Ñ
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Shailesh V. Marwaha와 Lokesh V.Marwaha의 섬유산업에서의 PCM의 원리,선택, 활용에 대하여 설명한다.
과학의 기본원리는 혁신적인 섬유제품의 생산에 점
점더도입되는추세이다. 그중하나로‘상변화’를들
수있다. 이는하나의물리적상태가또하나의물리적
상태로 변화하는 과정을 뜻한다. 상변화 물질(PCM)은
착용자의 편안함을 증진시키는 등의 섬유의 부가가치
를위하여적용될수있다. 온도조절섬유는환경에대
응하는 섬유를 만들기 위한 연구에서 중요한 분야 중
하나이다. 온도 적응 섬유는 다양한 온도 조건에서 그
성질을변화시킬수있다. 이러한섬유는양면열방출
또는유지성질과습기나물기방출성질을가진다. 이
런 것들이 바로‘활성 스마트 섬유’에 해당된다. 액추
에이터와 센서가 모두 있어서 그 기능을 환경에 따라
조절하여힘든환경에서보다지속적이고강화된온도
적인편안함을얻도록해주기때문이다.
사람들이여행, 업무, 대화, 운동 등어떤활동을할
때에입고있는의복은더워짐에따라젖거나불편해질
수 있다. PCM은 착용자의 미환경에서 태양에서 내뿜
는 방사선을 완화하거나 단순하게는 신체에서 발생하
는에너지를흡수함으로써열을저장하고온도를조절
하는기능이있다. 외부온도가상승하면PCM은따뜻
한몸이나상승하는주변온도의에너지를‘빌려서’고
정적인온도상태에서유동적인온도상태로변화한다.
이러한 현상은 PCM이‘슬러쉬’상태(반액체, 반고
체)에서안정되기때문에일어난다. 활동수준이상승하
면슬러쉬의고체성분이몸에서발생한과도한열을흡
수하고 액체화된다. 이 현상이 착용자를 보다 시원하
게유지해주며신체고유의열을식히려는기제가발동
하지 않도록 시간을 벌어준다. 그리고 환경의 온도가
즉각적으로PCM의어는점이하로떨어지면, PCM은
다시고체상태로변화하여열에너지를방출하고일시
적인보온효과를준다.
PCM 섬유는현재다양한활동수준과다양한주변
온도에서온도적인편안함을유지하기위해고안된조
건에서 사용된다. 이러한 제품에 쓰이는 PCM의 녹는
범위를조절함으로써다양한의복활용에따라특수제
품을생산할수있다.
1987년 과학자들은 온도기능의 향상을 위해 직물
섬유내에마이크로캡슐화된상변화물질을도입하는
기술을개발하고특허를얻었다. 아웃라스트테크놀로
지사가 NASA를 위해 1988년에 최초로 상변화 기술
을 개발했다. 나사가 수행한 연구를 통해 100개 이상
의PCM을찾아냈고, 이중일부는인체온도에서약간
높거나 낮은 상변화가 가능하다. 의복에서의 PCM 도
입이 주는또 하나의장점은옷의 무게감을줄이고 인
체온도를 지속적으로 유지함으로서 인체효율성을 높
여준다는것이다. 이러한PCM 도입직물은온도를고
정적인 수준으로 유지할 수 있도록 완충제의 기능을
한다.
PCM과 그 기제PCM은융해열이높은물질로특정온도에서녹거나
굳으며대량의에너지를저장하거나방출할수있다.
온도 조절 상변화 물질
DYETEC VISION
정보의장
정보의 장 ┃온도조절상변화물질
PCM의유일한상변화는고체-액체변화이다. 액체
가스 PCM은 축열에 아직까지 실용되지 않는다. 변형
열이높지만액체에서가스로의상변화중의부피증가
때문에실용적이지못하다.
PCM은 화학결합으로 열을 저장하고 방출한다. 물
질이고체에서액체또는액체에서고체형태로변화할
때 열에너지 이동이 일어난다. 이를 상태 또는‘상’의
변화라고 한다. 처음에 이러한 고체-액체 PCM은 기
존의축열재처럼태양열을흡수하여온도가증가한다.
기존의 축열재와는 달리 PCM이 상변화하는 온도
(PCM의녹는점)에도달하면, 대량의열을흡수하지만
더 뜨거워지지는 않는다. 인간이 편안하게 느끼고 전
자기기를 허용하는 범위인 20℃에서 35℃ 이내에서
잠열축열재는매우효과적이다.
처음에 이러한 고체-액체 PCM은 기존의 축열재처
럼태양열을흡수하여온도가증가한다. 기존의축열재
와는달리PCM이상변화하는온도(PCM의녹는점)에
도달하면, 대량의열을흡수하지만더뜨거워지지는않
는다. PCM 물질이 속한 공간의 주변온도가 떨어지면,
PCM은 고체화되며 축열된 잠열을 방출한다. 그렇게
PCM은열을흡수하고방출하는동시에거의변함없는
온도를유지한다. 물, 석재, 돌과같은알려진축열재에
비하여부피단위당5~14배많은열을저장한다.
PCM 선택섬유에서 사용하는 PCM은 20℃에서 40℃ 이내의
녹는 점과 어는 점을 지녀야 하며 낮은 열용량(하나의
상에서 다른 상으로 변화하기 위해 필요한 열)을 지녀
야한다. 또한다음의조건들을갖추어야한다:
- 적절한분자크기
- 균일한분자크기
- 기계적동작에대한안정성
- 마이크로캡슐코팅에반응하면안됨
PCM을 선택할 때 최종적인 사용을 고려해야 한다.
다시 말하여 PCM이 겪어야 하는 온도의 변화와 지역
적온도조건이전이온도내에있어야한다.
표 1은 인도의 주요 도시의 연간 온도 개요를 보여
준다.
표를보면인도에서는8℃~ 45℃사이의전이온도
를지닌PCM을안전하게사용할수있음을분명히알
수있다. 하지만이것으로는부족하다. PCM이섬유직
물에사용되기위해서는PCM의다른성질들도공부해
야하기때문이다. 다른성질중일부는다음과같다:
- 과냉도@ 1000 사이클
- 비중
- 이론적잠열
- 실용적잠열
- 비열
- 열전도
- 정조성융용
- 가연성
- 위험성
- 열안정성
- 최대동작온도
[표 1] Temperature Profile of Some Major Cities of India for a Year
DYETEC VISION
알려진PCM이종료는100가지가넘지만직물에적
용가능한것은불과몇가지뿐이다. 파라핀왁스와그
파생물들이섬유에서가장흔히사용된다.
PCM의 유형수화무기염 : 이는 수화염화칼슘, 리튬질소산화물,
망초등을포함한다. 표2는일부수화무기염의성질
을부여준다.
다가알코올 : 이는상변화온도가40℃보다높아서
온도조절섬유의생산에적합하지않다. 그러나두다
가 알코올의 혼합물은 사용할 수 있다. 이는
DMP(Dimethyl Propanediol)과HMP(Hexamethyl
Propanediol)을포함한다.
PET-PEG 공중합체 : PET-PEG 공중합체의합성
에서 사용하는 PEG(polyethylene glycol)의 평균
분자 무게가 1540보다 높고 공중합체의 PEG 함량
이 50%가 넘으면, PEG 부분이 단독으로 결정체를
이룰수있다.
PEG와 PTMG : PEGsms 가장중요한PCM 중하
나이다. PEG의 녹는 점은 분자 무게가 20000보다
낮을 때 분자 무게에 비례한다. 분자 무게 범위가
800~1500인 PEG는 43℃의 녹는 점을 지닌다. 분
자무게3000인PTMG(polytetramethyl glycol)의
최대 이론적 녹는 점은 33℃이며 융해열은 150J/g
이다.
선형 사슬 탄화수소 : 이는 석유 정제의 부산물로
얻어진다. N=16-21인탄화수소의녹는점과결정화
점은 16℃~40℃ 이내이다. 이는 다양한 붐위의 적
용이 가능한 무독하고, 저렴하고, 광범위한원료이
다. 상업적으로 사용하는 파라핀 PCM는 하나 이상
의 탄화수소의 혼합물일 때도 있다. 표 3은 선형 사
슬탄화수소의상변화성질을보여준다.
직물에서의 PCM의 적용방법충전 또는 함유 직물 : 수화무기염이나 PEG같은
PCM은 용제에서 용해한 후 속이 빈 직물을 채우거
나 속이 비지 않은 직물을 용액을 함유시킨 다음에
용액을제거한다.
PEG 코팅직물 : 평균분자무게600~8000인PEG
와다가알코올은DMDHEU(dimethyloldihydroxy-
ethyleneurea)와 DMEU(dimethylolethyleneurea)
와 같은 교차결합물을 구연산 등의 산촉매제와 함께
적용한다. 그러나 DMDHEU와 DMEU는 차츰 분해
되어 유독 포름알데히드를 방출한다. 설폰산과
glyoxal-glycol 혼합물과 같은 무포름알데히드 교차
결합물이자주사용된다.
다가알코올코팅직물 : 다가
알코올 50%(w/w) 수성용액
(HMP, DMP)는직물의코팅에
적용된다. 이는높은상변화온
도 때문에 섬유에 적용하기에
는적합하지않다.
마이크로캡슐바인더코팅직물: 이 종료의 코팅은 PCM을 포
함하는 젖은 마이크로캡슐로
만들어지며 폴리머 바인더로
골고루 분산되며 표면활성물
질, 분산제, 거품억제제와 함
[표 2] Properties of Some Hydrated Inorganic Salts
[표 3] Phase Change Properties of Linear Chain Hydrocarbons