지난 호 GE Material Report by ACTIVON GE Lab Vol.02 <Pigments for writing instruments> 에서 국내 필기구 시장 트렌드를 알아보며 지워지는 펜에 대해 짧게 언급하였다. 이는 마찰열에 반응하는 마이크로캡슐을 적용한 잉크 때문인데, 이번 호에서는 이러한 온도변색성 안료의 원리와 응용제품을 좀 더 자세히 소개하도록 하겠다.
1. 가역성 온도변색안료
온도에 따라 색이 변하는 현상을 Thermochromism이라 하며, 이러한 현상을 발휘하는 대표적인 제품이 Thermochromic Pigment(온도변색성 안료, 시온안료)이다. 온도에 의해 변색성이 일어나는 원리는 마이크로 캡슐 안에 존재하는 고체상태의 용매가 온도가 올라가면서 녹아 액체로 변하는 것이다. 이때 색을 나타내는 두 물질이 분리되면서 색상이 없어지고(투명해짐), 반대로 온도가 내려가면 다시 결합하여 원래의 색을 나타내는 것이다. 아래 그림은 온도 변색성안료의 원리를 설명한 그림이다.
온도변색성 안료는 0~70℃까지 변색되는 온도의 설정이 가능하다. 온도변색성안료는 설정된 온도 이상으로 올라가면 색상이 없어지고(투명해지고), 또 온도가 설정온도 이하로 내려가면 다시 색상이 나타나는 특성을 가지는데, 이를 이용하여 다양한 응용제품의 개발이 가능하다.
2. 비가역성 온도변색안료(Hysteresis Thermochromic Pigment)
기존의 온도변색성 안료는 가역성 온도변색안료로 볼 수 있다.이런 온도변색안료는 설정온도 이상으로 온도가 올라가면 색상이 없어졌다가 다시 설정온도 이하로 온도가 떨어지면 색상이 곧바로 나타난다. 최근에는 이러한 색상이 없어졌다가 다시 나타나는 온도를 더 떨어뜨려서, 즉 히스테리시스(Hysteresis) 현상을 이용한 온도변색안료가 출시되어 응용되고 있다.히스테리시스(Hysteresis, 이력현상) 현상이란 물리학에서 어떤 형체에 일정 수준 이상의 힘이 가해졌을 때 되돌아갈 수 없을 정도로 변형이 일어나는 것을 의미하는데, 이러한 현상에 따른 발색되는 현상을 아래 그림과 같이 표현할 수 있다.
위의 그림을 보면 60도 이상에서는 색상이 없어졌다가 다시 색상이 나타나려면 0도 이하로 떨어져야 한다. 이로 인해 우리가 일상생활에서 사용하는 온도 영역대(0~60℃)사이에서는 비가역적인 색상 거동을 나타난다고 볼 수 있다.
3. 가역적 온도변색안료와 비가역적 온도변색안료의 응용제품
1) 가역적 변색안료 응용제품
① 스포츠 산업 : 아이스하키 퍽에 적용하여 온도가 빙점이 이상일 때 보라색 à 흰색으로 변경, 퍽을 교체한다.
2019년, PPG는 2019 Bridgestone NHL(National Hockey League) Winter Classic에 하키 퍽을 위한 온도변색 코팅을 개발하는 기술 파트너로 LCR Hallcrest를 선정하였다. LCR Hallcrest는 대표적인 온도변색안료를 제조하는 업체이며, PPG는 자동차, 산업용 도료를 제조하는 글로벌 기업으로, 안료와 코팅제의 공동협력과 개발을 통해 NHL이라는 미국의 거대 스포츠 산업에 적용된 좋은 사례로 볼 수 있다.
② 인테리어 소품 : 열변색 머그잔은 표면에 코팅처리를 하여 다양하고, 독창적인 디자인으로 많이 적용된다.
③ 의료 발열체크 밴드 및 발열체크 스티커 : COVID-19가 2019년 말에 갑자기 전세계에 퍼지게 되면서 우리는 모두 37.5℃에 민감해지게 되었다. “어떻게 하면 온도를 쉽게 확인할 수 있을까” 체온계를 구입하고, 관련된 온도변색안료를 이용한 열측정 아이템들이 출시되기 시작했다. 웨어러블 온도 센서 역시 인체 온도를 확인할 수 있는 온도에 맞춰 가역적 온도변색안료를 적용한 것이며, 이러한 연구와 활용 범위는 더 확대될 것으로 본다.
웨어러블 온도 센서는 열변색 마이크로 재료(TC-M)/나노캡슐화(NPCM)된 상변화 물질을 이용하여 막물질로는 PVA(Polyvinyl alcohol)/water-soluble poly urethane 복합재의 고분자 매트릭스 재료로 사용되었으며, 체온밴드는 실리콘밴드 형태로 온도를 즉시 확인할 수 있는 손목밴드 형태로 응용된 제품이다.
④ 섬유 산업에의 적용 : 가죽에 염색한 온도변색의류, 코어 섬유에 마이크로 캡슐화된 열변색 물질이 포함된 코어 방적사를 이용하여 옷으로 봉제하여 사용된다. 최근 들어 군복의 위장용으로 일부 적용된 경우가 있다.
섬유에 대한 온도변색안료의 적용은 연구하는 입장에서 아직 풀어야 될 부분이 많이 있다고 본다. 캡슐안료와 PET를 혼합하여 방사하여 방적사로 실을 뽑아 내기 위해서는 방적사의 내구성이 매우 중요하다. 섬유에 염색의 경우, 염색 후 세탁견뢰도, 마찰견뢰도, 일광 견뢰도가 품질에서 매우 중요한 요소를 확인되지만, 아직 견뢰도에 대한 문제가 완전히 해결되었는지 의구심이 남는다. 단순히, 차별성과 희소성의 아이템으로 활용을 했을 것으로 본다.
2) 비가역적 변색안료 응용제품
① 지워지는 펜 : Frixion ball(PILOT)로 전세계적으로 이미 유명해졌으며, 마찰열을 이용하여 열을 발생시켜 색상이 사라지는 원리를 응용하여 만들어진 문구용 제품이다.
문구용으로는 Gel 잉크, Marker잉크, 형광 Marker잉크, 색연필 등 다양한 색상과 필기류, 물감류 형태로 적용되며, 엑티브온에서도 문구용으로 비가역적 변색안료를 응용하고 있다.
② 과열감지캡 단자 : 60~70℃에서 비가역변색, 과열부위 이상유무를 언제든지 확인하여,
열화시작온도(80℃)이하에서 비가역변색, 전선의 열화여부를 쉽게 확인하여 판단할 수 있다. 산업 현장에 흔히 일어날 수 있는 전선의 과열에 대한 화재를 예방할 수 있는 효과적인 아이템으로 적용 가능하다.
최근에 미국의 IOT(사물인터넷) 및 플랫폼 회사로 62 개국에 300 개 이상의 판매 및 기술 서비스 파트너로 구성된 글로벌 네트워크를 보유하고 있는 SpotSee는 2021년1월 TMC 및 LCR LCR Hallcrest를 인수하여 온도 모니터링 제품 및 표시기 분야의 두 글로벌 리더를 결합했다. TMC와 LCR Hallcrest는 변색 온도 제품, 열 라벨 및 온도계 스트립을 개발과 제조를 한다. 온도 변동을 모니터링하고 보고하는데 중점을 두고 TMC및 LCR Hallcrest의 목적은 온도 포트폴리오를 성장시키고 새로운 시장으로 확장하려는 SpotSee®의 전략과 일치한다. SpotSee®와 마찬가지로 TMC 및 LCR Hallcrest 제품은 의료 기기 모니터링에서 식품 물류 및 운송에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용된다.
이처럼 온도변색성 안료의 적용은 최근 들어, 세계 시장에서 다양한 산업에서 시도가 되고 있다. 해결해 될 과제들이 아직 남아 있지만, 인체에 해롭지 않고 지속가능한 생활에 접목될 수 있도록 끊임없는 연구 개발을 해야 될 것으로 본다.
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자료 출처
2. https://www.hallcrest.com/news, PPG and National Hockey League Extend Exclusive Paint Partnership
3. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.04.077 “Facile flexible reversible thermochromic membranes based on micro/nanoencapsulated phase change materials for wearable temperature sensor, Volume 247, 1 August 2019, Pages 615-629
5. https://www.stoneisland.com/hk/
7. https://jdideas.co.kr/silicon-체온밴드, (주)제이디아이디어스 JD IDeas