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수려한집게벌레191
기능성 의류인 고어텍스가 비는 막고 땀은 배출하는 원리가 무엇인가요?
기능성 의류인 고어텍스가 비는 막고 땀은 배출하는 원리가 무엇인지, 테플론(PTFE) 고분자의 수십억 개의 미세 구멍 크기가 액체인 물방울보다는 작고 기체인 수증기 분자보다는 크다는 점을 들어 유기화학적으로 설명해 주세요.
2개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
고어텍스가 수분은 차단하면서 땀을 배출할 수 있는 비결은 핵심 소재인 연신 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 막의 독특한 다공성 구조에 있습니다. 이 소재는 테플론으로 알려진 PTFE 고분자를 특수한 방식으로 늘려 수많은 미세 구멍을 만든 형태입니다.
유기화학적 관점에서 이 막에 형성된 약 90억 개의 미세 구멍 크기는 매우 절묘합니다. 구멍 하나의 크기는 지름이 약 0.2마이크로미터 정도로, 액체 상태인 물방울 입자보다는 약 2만 배 이상 작습니다. 반면 몸에서 배출되는 땀이 기화된 수증기 분자보다는 약 700배 정도 큽니다. 따라서 외부에서 떨어지는 빗방울은 구멍을 통과하지 못해 튕겨 나가고, 내부의 수증기 분자는 이 틈을 통해 자유롭게 밖으로 빠져나가는 원리입니다.
여기에 PTFE 특유의 강한 소수성도 중요한 역할을 합니다. 테플론은 탄소와 불소의 강력한 결합으로 이루어져 있어 표면 에너지가 매우 낮습니다. 이 때문에 물 분자가 비닐 표면에 달라붙어 퍼지지 않고 구슬처럼 맺히게 되며, 이는 수분이 미세 구멍 안으로 밀려 들어오는 것을 막는 추가적인 장벽이 됩니다. 결국 고분자의 미세한 기공 설계와 소재 자체의 물을 밀어내는 화학적 성질이 결합하여 최적의 투습 방수 기능을 구현하는 것입니다.
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채택된 답변안녕하세요.
기능성 의류로 잘 알려진 고어텍스가 비는 막으면서도 땀은 배출할 수 있는 이유는 소재 내부에 있는 특수한 미세 다공성 막 구조 때문인데요, 이 막의 기본 재료는 흔히 테플론이라고 불리는 불소계 고분자입니다. 테플론은 탄소 사슬을 중심으로 주변에 불소 원자들이 강하게 결합한 구조를 가지고 있는데요, 이 탄소-불소 결합은 유기화학에서 매우 강한 공유 결합 중 하나로 알려져 있어서 화학적으로 매우 안정하고, 물이나 산소, 자외선, 열 등에 잘 분해되지 않습니다. 또한 불소 원자들이 표면을 감싸고 있기 때문에 표면 에너지가 매우 낮아 물과 잘 섞이지 않는 강한 소수성을 나타내므로, 물방울이 표면에 퍼지지 않고 튕겨 나가려는 성질을 가지게 됩니다.
고어텍스 제조 과정에서는 테플론을 특수하게 늘려서 팽창된 구조를 만드는데요, 이 과정에서 막 내부에는 수십억 개에 이르는 미세한 기공이 형성됩니다. 일반적인 액체 상태의 물방울은 여러 물 분자가 수소 결합으로 서로 뭉쳐 비교적 큰 집합체를 이루고 있기 때문에, 외부에서 떨어지는 빗방울은 이 미세한 구멍을 통과하기 어려우며, 테플론 자체가 소수성이기 때문에 물은 기공 입구에 젖어들지 못하고 표면에서 튕기거나 흘러내립니다. 따라서 비가 내부로 침투하지 못하는 것입니다. 반면에 사람이 운동하거나 체온이 올라가면 피부에서는 땀이 증발하면서 수증기 형태의 물 분자들이 생성되는데요, 기체 상태의 물 분자는 액체 물방울처럼 큰 집합체를 이루지 않고 개별 분자 수준으로 움직입니다. 따라서 고어텍스 막의 미세 기공을 따라 밖으로 확산할 수 있고, 특히 옷 안쪽은 체온 때문에 따뜻하고 습도가 높고, 바깥 공기는 상대적으로 차갑고 건조한 경우가 많다보니 수증기는 농도 차와 증기압 차에 의해 외부로 이동하게 되는 것입니다. 감사합니다.