"땀을 흘리면 '날씬해지는' 재킷": 박테리아 셀룰로오스가 옷의 열 자체 조절을 가르쳤다

사이언스 어드밴스(Science Advances)는 천연 박테리아 셀룰로스로 충전재를 만든 "스마트" 보온 소재를 소개했습니다. 이 소재는 땀에 반응하여 몸 주변에 습기가 차면 자동으로 얇아지고, 건조해지면 다시 "부풀어 오르는" 듯한 느낌을 주어 열을 유지합니다. 시제품에서는 두께가 약 13mm(건조 상태)에서 2mm(습한 상태)로 변경되었으며, 이는 전자 기기와 배터리 없이도 열적 편안함을 유지하는 데 중점을 두고 있습니다.

배경

이전에 무엇을 시도해 보셨나요?

1. 마이크로캡슐 속의 상변화 물질(PCM)은 용융 시 열을 "삼키고" 결정화 시 열을 방출하지만, 좁은 온도 창에서 작동하며 실제 발한에 잘 반응하지 않습니다.
2. 나노다공성 폴리에틸렌(nanoPE)을 기반으로 한 복사 직물은 신체의 열적 IR 복사를 통과시켜 수동적인 "복사 냉각"을 제공하지만, 이는 본질적으로 제거를 위한 통로일 뿐, 땀을 흘리는 동안 "자체 단열 조절"을 하는 것은 아닙니다.
3. 습도 조절 장치/습윤성 직물은 습도가 증가하면 모양/기공이 바뀌어 전선 없이도 "편안함 영역"을 확장합니다. 이 분야는 빠르게 발전하고 있습니다.

• "스마트" 원단이 해결하는 문제. 활동이 급격히 변하면 의류의 열적 쾌적성이 저하됩니다. 활동 중 과열과 땀, 정지 시 축축한 층으로 인한 저체온증 등이 그 예입니다. 따라서 최근 몇 년 동안 배터리나 복잡한 전자 장치 없이 열 교환을 조절하는 적응형 열/습기 섬유가 빠르게 개발되고 있습니다. 리뷰에서는 섬유/원단 층 수준에서 열과 습기를 동적으로 관리하는 것이 핵심 요소라고 강조합니다.
• 습도/땀이 과열의 가장 큰 원인인 이유. 땀은 과열의 주요 지표입니다. 국소 습도가 증가하면 시스템은 열 저항("부풀어 오름"/기포 감소)을 줄이고 증발을 증가시켜야 합니다. 건조해지면 단열을 다시 강화해야 합니다. 따라서 외부 온도가 아닌 습도에 자동으로 반응하는 소재를 사용하는 것이 중요합니다. 이를 통해 에너지를 절약하고 부피가 큰 전자 제품을 사용할 필요가 없습니다.
• 박테리아 셀룰로오스란 무엇이며, 왜 유망할까요? 박테리아 셀룰로오스는 아세트산 박테리아( Komagataeibacter )에 의해 "성장"되는 생체고분자입니다. 높은 수분 함량, 강도, 통기성 및 생체적합성을 가진 나노섬유 네트워크를 형성합니다. 섬유/소재 과학 분야에서 박테리아 셀룰로오스는 수분에 대한 민감성과 재생 가능한 원료를 이용한 지속 가능한 생산으로 높은 평가를 받고 있습니다.
• 새로운 논문이 과학적 간극을 메운다. 대부분의 수동적 해결책은 열을 제거(복사)하거나 완충(PCM)하는데, 습도 자체가 단열을 "전환"해야 한다는 점을 간과하고 있다. Science Advances 에 게재된 연구는 BC 층을 따뜻한 옷의 "심장"으로 사용하는데, 이 층은 땀으로 얇아지고(공기 감소 → 단열 감소) 마르면 다시 펴진다. 즉, 신체 습도에 따라 자체적으로 열이 조절되는 단열 효과를 형성한다.
• 현장 맥락: 이 시스템은 어디에 적합할까요? 사용자의 에너지 소모 없이 "편안함의 창"을 확장하는 수동형, 바이오 및 폴리머 시스템으로의 전환 추세입니다. 그 옆에는 차세대 습식 액추에이터(편안함 영역의 눈에 띄는 확장을 보여줌)와 셀룰로스/바이오 기반 복사 냉각이 있습니다. BC는 개인용 열 관리의 이러한 "친환경" 분야에 잘 부합합니다.
• 산업에 대한 실질적인 시사점: BC 단열재의 수분 조절 "탄성"이 착용 테스트(세탁, 착용, 냄새, 반응 임계값 조정)에서 확인된다면, 제조업체는 이동 중 과열을 줄이고 휴식 시 떨림을 줄여주는 확장 가능한 바이오 기반 겨울/활동용 층을 위한 충전재를 확보하게 될 것입니다. 이는 복사열 및 PCM 솔루션을 보완하는 것이지 경쟁적인 것은 아닙니다. 이 두 솔루션은 다층 시스템으로 결합될 수 있습니다.

작동 원리

• 박테리아 셀룰로스(BC) 충전재는 무해한 박테리아(차 곰팡이/콤부차에서 흔히 볼 수 있는)가 생성하는 나노섬유의 천연 "그물"입니다. 이 멤브레인은 가볍고 내구성이 뛰어나며 통기성이 좋고 친수성이 있어 습기를 완벽하게 "감지"합니다.
• 땀이 나기 시작하면 옷 속의 국소적인 습도가 높아지고, 섬유층은 "부풀어 오른" 느낌을 잃고 납작해집니다. 즉, 내부의 공기가 줄어들어 → 단열 효과가 떨어지고 → 신체가 과도한 열을 더 쉽게 잃습니다. 몸이 마르면 구조가 다시 곧게 펴지고 섬유 사이의 공기 덕분에 높은 수준의 단열 효과가 회복됩니다. 이는 전자 장치가 아닌 습기에 작용하는 간단한 수동 메커니즘입니다.

저자들이 보여준 것

• 땀과 습기에 대한 적응력. 건조한 환경에서는 최대 두께가 약 13mm이며, 습도가 높을 때는(땀을 흘릴 때처럼) 약 2mm로 얇아집니다. 이러한 "가변적인 두께" 덕분에 이 프로토타입은 기존의 따뜻한 원단에 비해 열적 편안함 지속 시간을 크게 연장하며, 특히 "휴식 → 부하" 모드를 변경할 때 더욱 그렇습니다.
• 이 원리는 확장 가능합니다. 저자들은 "충전재"를 안감부터 단열재까지 다양한 종류의 의류에 꿰매어 적용할 수 있으며, 기후/부하에 맞게 조절할 수 있다고 강조합니다.

이게 왜 필요한 걸까요?

클래식한 보온 의류는 일종의 타협입니다. 겹겹이 입는 옷이 따뜻할수록 "과열과 땀"의 위험이 높아지고, 젖은 속옷으로 인한 "미니 사우나" 현상으로 과냉각될 위험이 커집니다. 땀을 흘리면 보온성을 약화시키고 마르면 다시 회복시키는 섬유 소재는 불필요한 지퍼, 밸브, 배터리 없이도 "중용"을 유지하는 데 도움이 됩니다. 습기는 인체의 열 관리에 중요한 역할을 합니다(열은 증발을 통해 방출됩니다). 따라서 "스마트" 섬유는 습기/습도에 따라 반응하는 방식을 점점 더 발전시키고 있습니다.

이 제품은 다른 스마트 패브릭과 어떻게 다릅니까?

• 전자 장치가 없습니다. 능동 시스템(열전소자/소프트 로봇)과 달리, 여기서는 재료의 순수한 물리적 특성이 적용됩니다. 즉, 습식 → 얇아짐, 건식 → 두꺼워짐입니다. 더 간단하고 저렴하며 잠재적으로 내구성이 더 뛰어납니다.
• "밸브"가 아니라 "통통함"입니다. 이전에는 습기 밸브/기공이 있거나 폴리머 인서트에 아코디언 두께를 가진 직물이 제공되었습니다. 이제 "아코디언"의 역할은 의료용 드레싱과 "친환경" 섬유에서 이미 알려진 천연 바크셀룰로오스가 담당합니다.
• 생태적 잠재력. 박테리아 셀룰로오스는 생체적합성과 생분해성을 갖추고 있으며, 면과 기름 없이도 재배가 가능하며, 지속 가능한 소재를 지향하는 최근 추세에 발맞춰 생산됩니다.

이것이 유용할 수 있는 곳

• 도시와 "사무실-거리-지하철"의 겨울. 활동과 기후의 변화는 신체를 더위/추위에 덜 "가깝게" "가깝게" 만들어 편안함이 더 오래 "지속"됩니다.
• 등산/달리기 활동 시. 등산/달리기 중에는 원단이 통풍성을 높이고, 휴게소에서는 다시 보온성을 높여줍니다.
• 현장 및 생산 조건. 움직이는 부품과 전자 장치가 적을수록 신뢰성이 높아집니다. (BC의 가벼운 무게와 "통기성"은 플러스 요인입니다.)

제한

이것은 아직 과학적인 개발 및 프로토타입이므로 일상적인 착용에 대한 테스트가 필요합니다.

• 내구성 및 세척성(습윤 및 건조의 여러 사이클, "인생의 드라이 클리닝")
• 장시간 착용 시 피부의 편안함과 향을 제공합니다.
• 다양한 기후/발한 프로필에 대한 응답 "임계값" 설정
• 바크셀룰로스를 직물 롤로 재배하는 비용 및 규모. 비교하자면, "온도 조절" 직물 분야는 활발하게 성장하고 있지만, 대중 시장에 도달하는 아이디어는 일부에 불과합니다.

결론

"땀에 적응하는 의류"는 습기와 온도에 민감한 섬유를 찾기 위한 10년간의 노력의 당연한 결과입니다. Science Advances 에 게재된 새로운 논문은 천연 박테리아 셀룰로스를 적응형 단열의 "핵심"으로 이 분야에 추가했으며, 전선이나 센서 없이도 두께 변화 폭(13mm → 2mm)이 크고 열 쾌적 시간이 증가함을 보여줍니다.

출처: 땀에 민감한 적응형 보온 의류, Science Advances(AAAS), 2025. DOI: 10.1126/sciadv.adu3472