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금속섬유 기반 발열 옷감 직조 기술 개발

고효율 발열의류 ‘빨고, 접고, 구기고’ 세탁 후에도 성능 유지

[산업일보]
면상발열체는 열선과 달리 면 전체에 열이 발생되는 발열체로서 최근 급격히 수요가 증가하고 있다. 면상발열체는 형상은 얇고 치수와 발열량의 설계를 자유롭게 할 수 있기 때문에 가정용 전열 기기, 산업용 기기를 비롯해 전 산업 분야에 새로운 히터(heater)로서 다양하게 사용되고 있다. 주로 도전성 수지(카본블랙, 그라파이트 폴리머)를 발열 소재로 해 내열성의 절연재료로 성형돼 활용 중이다. 그러나, 기존의 면상발열체는 사용온도 구간이 한정적이고, 일정 온도(150℃이상)에서는 열화 및 산화에 의한 내구성 감소, 충격에 의한 일부 발열구간 손상 시 전원 공급 중단에 의해 면상 전체 사용이 불가능하다는 단점이 있다.

금속섬유 기반 발열 옷감 직조 기술 개발
이동윤 책임연구원이 금속섬유 발열체를 들고있다.

반복 세탁 후에도 성능이 유지되면서도 뛰어난 강도와 유연성 및 안정성을 갖춘 최신 발열 의류 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관 한국전기연구원(KERI) 이동윤 책임연구원팀(나노융합기술연구센터)은 최근 고효율 금속섬유전극 직조 유연 면상발열체 기술을 개발하고 관련 기업에 기술이전했다.

연구팀은 전통 직조형 유연 태양전지 개발 경험과 기술을 활용해 유연성이 매우 높으면서도 열 흐름이 제어돼 매우 안전한 웨어러블(wearable) 섬유발열체 개발에 성공했다. 연구팀은 50 마이크로미터(μm)급의 미세 스테인레스강 섬유와 바잘트(현무암 섬유)로 천을 짜서 만들고, 이 천에 특수 폴리머나 세라믹 소재를 첨가해 새로운 발열 옷감을 제작했다. 발열체를 금속섬유와 세라믹섬유를 이용해 직조하는 기술은 국내외에서 처음이다.

기존 발열 제품, 특히 흔히 사용하는 열선(선상발열) 제품의 경우 충격을 가하면 열 과부하 현상이나 열선이 끊어지는 위험이 있다. 반면, 개발된 금속섬유 발열체는 매우 질기고 유연성이 높아서 접어서 사용할 수 있고, 옷감에 구김 또는 접힘이 있어도 발열체 선이 끊어지지 않는다. 보통 발열 소재로 사용되는 니크롬선이나 탄소발열체, 나노 발열체 등이 이용한 것이 아닌, 섬유직조 기술을 이용해 금속섬유전극으로 발열 옷감을 짜 넣었기 때문이다.

사용 중 발열체의 일부가 손상을 입어도 정상적으로 작동한다. 물노출이나 세탁에도 발열특성이 떨어지지 않는다. 때문에 이 기술로 제작된 발열 의류는 발열체의 탈부착 없이 바로 물세탁과 다림질을 할 수 있다. 열 흐름 제어로 이상 발열에 의한 화재나 화상의 위험도 없다. 전류가 공급되면 발열 섬유가 모두 고르게 발열해 열효율이 뛰어나다는 것도 큰 장점이다. 제품 설계에 따라 흔히 사용하는 스마트폰 보조배터리로도 8시간 이상 사용할 수 있다.

금속섬유 기반 발열 옷감 직조 기술 개발
개발된 금속섬유 발열체는 옷감과 마찬가지로 재봉과 재단이 가능하다. 또 사용 환경과 응용 대상에 따라서 여러 가지 패턴(무늬)을 적용해 제작할 수 있다. 의류 뿐 아니라 난방용, 의료용, 자동차용 등 다양한 용도로도 사용할 수 있다.

연구팀은 현재 해당 기술을 (주)창민테크론에 기술이전해 양산을 추진하고 있다. R&D상용화지원사업을 통해 양산형 폴리머침지형 금속섬유면상발열체 제작 공정, 의류에 부착할 수 있는 소형 전원장치, 스테인레스(SUS)전극과 외부전극 부착용 용접기술 등을 개발해 기업에 이전했다.

이동윤 책임연구원은 “기존 발열 의류는 세탁이 불가능하거나 가능 하더라도 세탁이 반복될수록 성능이 현저히 떨어지는 반면, 금속섬유 발열체로 만든 발열의류는 가혹한 조건에서 세탁해도 성능을 그대로 유지한다”고 강조하고, “우선 시장 요구에 따라 페인트 등 이물질이 많이 묻어 반복 세탁이 필요한 야외 노동장용 안전복 등에 적용할 예정이며, 발열 파카, 헬멧, 장갑 외 발열기능이 들어가는 각종 스마트웨어에 다양하게 적용할 예정”이라고 말했다.

연구팀과 창민테크론은 발열체를 일체형으로 내장한 웨어러블 발열 의류 시제품을 제작해 국내외 바이어에게 선보이고 있다. 우선 발열 조끼, 목도리, 모자 등에 적용했으며, 온도 설정 기능으로 환경과 개인취향에 따라 온도를 조절할 수 있다. 상반기 중 양산제품을 시장에서 만나볼 수 있을 것으로 예상된다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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