흡습성

3. 흡습성의 원리

흡습성은 재료가 환경으로부터 수분을 흡수하는 능력을 설명하는 일반적인 용어이다.^[31] 흡습성에 대한 표준적인 정량적 정의는 없으므로, 일반적으로 흡습성과 비흡습성의 구분은 경우에 따라 결정된다. 예를 들어, 25 °C에서 40~90% 상대습도 사이에서 질량의 5% 이상을 흡수하는 의약품은 흡습성으로 분류되지만, 같은 조건에서 1% 미만을 흡수하는 재료는 비흡습성으로 간주된다.^[32]

흡습성 재료가 보유하는 수분의 양은 일반적으로 상대습도에 비례한다. 이 정보가 포함된 표는 많은 공학 편람에서 찾을 수 있으며, 다양한 재료 및 화학 물질 공급업체에서도 제공된다.

흡습성은 플라스틱 재료의 공학에도 중요한 역할을 한다. 나일론과 같이 일부 플라스틱은 흡습성이 있지만 다른 플라스틱은 그렇지 않다.

• 차가운 유리 표면에 공기 중 수증기가 응축되는 경우
• 머리카락, 양모, 면화, 나무 조각 등의 모세관 현상
• 젤라틴이 공기 중에서 물을 흡수하는 경우
• 염화나트륨의 조해
• 진한 황산이 공기 중에서 물을 흡수하는 경우
• 생석회의 거동^[3]

4. 흡습성 물질

셀룰로오스 섬유(예: 면, 종이), 설탕, 캐러멜, 꿀, 글리세롤, 에탄올, 목재, 메탄올, 황산, 많은 비료 화학 물질, 다양한 염 등 다양한 물질이 흡습성을 띈다.^[4] 염화아연과 염화칼슘, 그리고 수산화칼륨과 수산화나트륨(그리고 많은 다른 염)은 매우 흡습성이 강하여 흡수한 물에 쉽게 녹는데, 이러한 성질을 흡습이라고 한다.^[4] 황산은 농축된 형태에서 흡습성일 뿐만 아니라, 10% v/v 이하의 농도까지 용액이 흡습성을 띤다. 흡습성 물질은 습한 공기(예: 습한 날씨의 소금통 안의 소금)에 노출되면 축축해지고 덩어리지기 쉽다.

대기 수분에 대한 친화력 때문에, 바람직한 흡습성 물질은 밀봉된 용기에 보관해야 할 수 있다. 해염과 황산염과 같은 일부 흡습성 물질은 대기 중에 자연적으로 발생하며 구름 응결핵(CCN) 역할을 한다. 흡습성이기 때문에, 이러한 미세 입자는 수증기가 응축되어 물방울을 형성하는 매력적인 표면을 제공한다. 현대의 인간 인공강우 노력은 1946년에 시작되었다.^[6]

수분 함량을 유지하는 명시적인 목적으로 식품이나 다른 물질에 첨가되는 흡습성 물질을 보습제라고 한다.

물질과 화합물은 서로 다른 흡습성을 나타내며, 이러한 차이는 복합재료의 응력 집중과 같은 해로운 영향을 초래할 수 있다. 특정 물질이나 화합물의 부피는 주변 수분의 영향을 받으며, 흡습 팽창 계수(CHE)(CME 또는 수분 팽창 계수라고도 함) 또는 흡습 수축 계수(CHC)로 간주될 수 있다. 두 용어의 차이는 부호 규칙의 차이이다.

흡습성의 차이는 플라스틱으로 코팅된 페이퍼백 책 표지에서 관찰할 수 있다. 종종 갑자기 습한 환경에서 책 표지는 책의 나머지 부분에서 말려 올라간다. 표지의 비코팅면은 코팅면보다 더 많은 수분을 흡수하여 면적이 증가하고, 코팅면 쪽으로 표지를 말리는 응력을 발생시킨다. 이것은 온도조절기의 바이메탈 스트립 기능과 유사하다. 저렴한 다이얼식 습도계는 이 원리를 이용하여 코일 스트립을 사용한다. 흡습은 물질이 대기로부터 수분을 흡수하여 흡수된 물에 용해되어 용액을 형성하는 과정이다. 흡습은 형성된 용액의 증기압이 공기 중 수증기의 분압보다 낮을 때 발생한다.

모세관 현상과는 다르게, 흡습성 물질은 물 분자가 물질 분자 사이에 현탁되지 않고 흡수되어 용해된다.

흡습성 물질의 예는 다음과 같다.

• 방습제: 흡착성을 이용한 실리카겔이나, 조해성을 이용한 염화칼슘을 이용한 흡습제. 전자는 습기를 싫어하는 과자류 등의 식품 포장에, 후자는 옷장 등의 국소적인 건조에 사용된다.
• 흙벽: 규조토 등의 흡습성에 주목하여, 예전에 일본 가옥에서 많이 사용되었다.
• 기저귀: 고분자 흡수체를 배합한 기저귀.
• 방한 의류: 양모나 합성섬유에 가공을 하여 흡습성을 높이고 인체의 열 손실을 억제한 의류(흡습 발열 섬유).

5. 생물학적 흡습성

흡습성은 식물계와 동물계 모두에서 나타난다.

5. 1. 식물

• 일부 식물에서 흡습성 이중층 세포 배열은 두상화서 힌지 역할을 한다. ''Xerochrysum bracteatum'' 및 ''Syngonanthus elegans''가 그 예이다. 두상화서를 둘러싼 총포의 흡습성 굽힘은 꽃 보호 및 수분^[22]에 기여하고, 섬세한 관모가 엉키거나 강수로 인해 파괴되는 것을 방지하여 산포를 돕는다.^[21] 예를 들어 ''Taraxacum'' (민들레)이 있다. 자연에서 이러한 총포는 일주기 리듬을 갖는다. 윤생하는 흡습성 포린은 낮에는 바깥쪽으로 구부러져 두상화서(그림 참조)를 드러내고, 밤에는 안쪽으로 구부러져 닫힌다. 이는 일일 온도 변화에 대한 반응으로 상대 습도가 변화하기 때문이다. 포린은 막질이며, 힌지와 잎은 죽은 세포로만 구성되어 있다(Nishikawa 외, 2008). 따라서 흡습성으로 활성화된 포린은 개화부터 수과 산포까지 기능할 수 있다.^[22] 생리학적으로 포린의 아랫부분은 힌지와 같은 기능의 원천이며, 후막조직과 같은

• 화재가 발생하기 쉬운 지역의 일부 나무와 관목은 2단계 흡습성 산포를 진화시켰다. 초기에는 열에 민감하게 활성화(극심한 열 또는 화재)되고, 그 다음에는 휴면성 습도 반응성 종자 방출이 일어난다. 예로는 Myrtaceae(예: ''Eucalyptus 종 plurimae, Melaleuca spp.'')와 Proteaceae(예: ''Hakea spp., Banksia spp., Xylomelum spp.'')의 목질 과일과 ''Pinaceae''(예: ''Pinus spp.'')와 사이프러스과(''Cupressaceae'')의 목질 구과, 예를 들어 자이언트 세쿼이아(''Sequoiadendron giganteum'')가 있다.^[1][26] 잣나무( ''Pinus contorta''), ''Eucalyptus'', 및 ''Banksia''에서 전형적으로 발견되는 수지로 밀봉된 종자 캡슐은 수지가 물리적으로 녹을 정도의 화재 열이 필요하며, 이를 통해 휴면성 종자 방출이 가능하게 된다.^[23] 이러한 종자 캡슐은 "종자 포식 동물로 인한 종자 손실 또는 손상, 건조 및 화재를 줄일 수 있다(Moya 외, 2008; Talluto & Benkman, 2014; Lamont 외, 2016, 2020)." ^[1] 서로 다른 분지군, 속씨식물과 나자식물 간의 2단계 산포 기술의 유사성은 수렴 진화의 결과로 해석될 수 있다(예: Clarke 외, 2013).^[1]

• ''Banksia attenuata''는 ''Banksia spp.''의 전형적인 예이며, 이중층 흡습성 세포 네트워크로 구성된 종자를 지닌 골돌을 가지고 있다. 목질 골돌은 열에 민감하고 습도에 반응성이 있다. 발아 조건이 유리할 때 복배 봉합선을 열고 종자를 노출하는 휴면성 습도 개방이 일어난다.^[26] 생리학적으로 ''Banksia spp.''의 열에 민감한 골돌 밸브는 왁스(수지) 층으로 밀봉되어 있으며, 높은 주변 온도(화재)에 의해 방출되어 "개방을 용이하게 한다(예: Huss 외, 2018)." ^[1] 골돌 중과피는 고밀도의 가지가 많은 섬유 다발로 구성되고, 내과피는 저밀도의 평행 섬유로 구성된다. 봉합선은 층 사이의 차별적인 흡습성 움직임으로 인해 발생하며, 미세섬유 구조는 큰 각도 차이(미세섬유 각도(MFA) γ = 75–90°)를 갖는다.^[1]

• 소나무 열매 비늘( ''pinaceae spp.'')은 종자 방출을 위해 습윤형 힌지를 사용한다. 생리학은 밀집된 길고 평행한 두꺼운 세포벽 세포의 이중층 구조를 포함한다. 층 내의 섬유 배열은 불균일하며 세로로 다양하여 비늘 전체에 걸쳐 층 사이에 30°와 74°의 다른 미세섬유 각도(MFA)를 생성한다.^[26] 가장 큰 MFA 영역인 힌지 관절은 비늘과 중륵(중앙 줄기) 연결 부근의 작은 영역이다.^[9] 성숙한 소나무 열매에서 바깥쪽 비늘 층은 조절 조직이며, 그 길고 두꺼운 세포벽 세포는 환경 습도에 따라 세로로 반응한다. 외층의 움직임이 더 수동적인 내부 비늘 층의 움직임을 능가함에 따라 관절 부위에서 왜곡이 발생하여 비늘이 구부러지거나 구부러진다. 비늘의 나머지 부분은 흡습성적으로 수동적이지만 길이와 기하학적으로 정점 변위를 증폭한다.^[9] 예를 들어 수화를 통해 비늘을 닫거나 탈수를 통해 구부려 종자를 방출한다.

• ''Asteraceae'' 과의 피자식물은 흡습성으로 영향을 받는 산포를 가지고 있으며, 풍매(바람 산포)를 유리한 환경 조건과 조정한다.^[25] ''Erigeron, Leontodon, Senecio, Sonchus'' 및 ''Taraxacum''에서 일반적이다.^[24] 예를 들어 일반적인 민들레 수과의 비행을 가능하게 하는 관모는 나머지 수과의 합창 반응과 함께 섬모 모양의 필라멘트의 이진 변형(열림 또는 닫힘)을 겪는다. 관모의 움직임은 부리 상단에 있는 정단판의 흡습성 액추에이터에 의해 제어되며, 이는 모든 수과 필라멘트의 중심이다. 높은 습도는 각 관모가 닫히게 하여 방사형 패턴 구조를 수축시키고, 그 면적을 줄이며, 기류 산포 가능성을 감소시킨다.^[25] 방출되는 수과의 경우, 감소된 관모의 비행 역학은 산포 범위를 극적으로 제한한다.^[25] 흡습성 액추에이터의 상대 습도(RH) 변화에 대한 반응성은 예측 가능하고 반복 가능하다. 예를 들어 ''centaurea imperialis''의 관모는 RH ≥ 78%에서 닫힌 채로 유지되고 RH ≤ 75%에서 완전히 열린다.^[21] 더 유리한 저습도 조건에서 관모는 완전히 확장되고 기류 타가산포가 다시 가능해진다.

• 자귀나무( ''Bauhinia variegata'')는 산포를 위해 습도 반응성 비틀림에 의존한다. 그 꼬투리는 거의 직각인 두 개의 흡습성 후막조직 섬유층을 포함하며, 밸브에 연결된다. 열개 동안 내과피 층 사이의 큰 90° 미세섬유 각도,^[26] 및 양면 수축의 결합은 반대의 나선형 토크^[1]를 생성하며, 이는 가장 약한 지점인 종자 껍질 밸브에 봉합선을 만들고, 열림으로 종자를 방출한다.^[22]

• 일부 식물은 성숙한 종자 캡슐의 개방을 활발한 강우-습윤분산과 동기화한다. 이 산포 기술은 남아프리카와 동아프리카의 건조 지역, 이스라엘 사막, 북미 일부 지역 및 소말리아에서 자주 관찰되며, 건조한 환경에서 생존율을 높이기 위해 진화한 것으로 여겨진다.^[27] 습윤분산은 일반적으로 아이스 플랜트인 ''Aizoaceae spp.''과 관련이 있으며, 그 종의 98% 이상이 젖은 후 열개를 사용한다. 이러한 산포는 뉴질랜드의 고산 Veronica가 있는 ''Plantaginaceae''과에서도 관찰되며, 지난 900만 년 동안 진화해 왔다.^[27] 모든 종자 캡슐의 공통점은 종자를 덮는 삼각형의 원주 방향으로 배열된 흡습성 용골(밸브)이다. 이러한 보호 밸브는 액체 물로 수화될 때만 기계적으로 열린다.^[28] 각 용골(''Delosperma nakurense (Engl.) Herre''의 경우 5개)은 수화되면 팽창하는 셀룰로오스 격자 조직으로 구성되어 몇 분 안에 열린다. 확장된 세포는 용골의 고유한 건조된 주름인 흡습성 힌지를 용골과 캡슐 주변의 결합 부근에서 곧게 펴게 한다. 완전히 열리면 용골은 150° 이상^[28] 회전하여 위로, 뒤로 기울어져 종자 구획을 노출시키고, 중격으로 분리된 모든 종자는 캡슐 바닥에 위치한다. 종자는 보이지만, 주변 용골에 의해 생성된 컵 모양의 고리에 의해 제한된다. 산포의 최종 요구 사항은 종자를 이 장벽에서 씻어내는 강우 또는 충분한 수분으로, 속칭 물튀김 컵이라고 한다.^[27] 컵에서 넘치거나 튀어나오는 종자는 근처 지면으로 산포된다. 남아 있는 종자는 용골이 건조되고, 흡습적으로 수축하여 자연스러운 접힌 닫힌 상태로 복원될 때 보존된다. 습윤형 과정은 가역적이고 반복 가능하며, 방치된 종자는 미래의 강우를 통해 후속 산포 기회를 갖게 된다.

• 일부 꽃 피는 초본과 풀의 종자는 흡습성 부속물(까끄라기)를 가지고 있으며, 습도 변화에 따라 구부러져 지상에서 산포될 수 있도록 한다. 이를 자력산포라고 한다. 종자가 방출될 때 까끄라기는 밀거나 비틀리며, 그 움직임은 식물 생리학에 따라 달라진다. 후속적인 습도 변화는 움직임이 반복되어 밀거나 비틀어 종자를 땅에 밀어 넣는다.^[20]

• 일부 식물은 발사산포(자체 산포)를 위해 흡습성 움직임을 사용하며, 활성 발리스트가 종자를 강제로 배출한다. 예를 들어 제라늄, 제비꽃, 괭이밥, 마녀 개암, 봉숭아(Impatiens) 및 돼지풀 종이 있다. ''Bauhinia purpurea'' 꼬투리의 파열은 그 종자를 최대 15미터 거리까지 추진하는 것으로 알려져 있다.^[30]

5. 2. 동물

• 파일뱀(''Acrochordus granulatus'')은 흡습성 피부를 가지고 있어 물 저장고 역할을 하며 건조를 지연시켜 물 밖으로 이동할 수 있게 해준다.
• 무당거미(''Larinioides cornutus'')는 하이드로젤로 실을 코팅하는데, 이 하이드로젤의 구성 요소인 저분자량 유기 및 무기 화합물(LMMCs)은 흡습성을 띄어 주변 습기를 이용해 거미줄을 부드럽고 끈적끈적하게 유지한다.^[14]
• 왁스 몽키 나무 개구리(''Phyllomedusa sauvagii'')와 오스트레일리아 녹색 나무 개구리(''Litoria caerulea'')는 피부에 응축된 물을 경피 흡수하고,^[15] 응축된 수막 장벽으로 증발 수분 손실을 줄인다.^[16] 이들의 흡습성 분비물은 응축량을 향상시킨다.^[15]
• ''Anaxyrus sp.''와 같은 일부 두꺼비는 흡습성 분비물을 통해 증발 수분 손실을 줄인다. 이들의 귀밑샘에서 나오는 독성 분비물에는 흡습성 글리코사미노글리칸이 포함되어 있어, 두꺼비가 몸에 바르면 주변 습도로 인해 피부가 촉촉해져 수분 균형에 도움을 준다.^[16]

6. 흡습성의 응용

흡습성은 다양한 산업 분야에서 응용된다.

• 방습제: 실리카겔은 흡착성을, 염화칼슘은 조해성을 이용하여 습기를 제거한다. 실리카겔은 과자류 등 식품 포장에, 염화칼슘은 옷장 등 국소적인 건조에 사용된다.
• 기저귀: 고분자 흡수체를 배합하여 흡습성을 높인 기저귀가 사용된다.
• 의류 산업: 양모나 합성섬유에 가공을 하여 흡습성을 높여 인체의 열 손실을 억제한 흡습 발열 섬유를 방한 의류로 사용한다.
• 건축 산업: 흙벽은 규조토 등 흡습성이 있는 재료를 사용하여, 과거 일본 가옥에서 많이 사용되었다.

6. 1. 식품 산업

6. 2. 의류 산업

6. 3. 건축 산업

6. 4. 기타

• 방습제：흡착성을 이용한 실리카겔이나, 조해성을 이용한 염화칼슘을 이용한 흡습제. 전자는 습기를 싫어하는 과자류 등의 식품 포장에, 후자는 옷장 등의 국소적인 건조에 사용된다.
• 흙벽: 규조토 등의 흡습성에 주목하여, 예전에 일본 가옥에서 많이 사용되었다.
• 기저귀: 고분자 흡수체를 배합한 기저귀.
• 방한 의류: 양모나 합성섬유에 가공을 하여 흡습성을 높이고 인체의 열 손실을 억제한 의류(흡습 발열 섬유).

7. 흡습성 연구 동향

대기 중 수분을 수확하는 여러 가지 흡습성 접근 방식이 연구되었으며, 실용적인 수자원으로서의 잠재력을 평가하기 위해 추가적인 개발이 필요하다.

• 특정 환경에서 안개 수집 실험은 생체 모방을 통해 나무개구리 수분 공급에서 관찰되는 친수성 및 흡습성 표면의 젖음 현상을 복제했다.^[16] 이후 재료 최적화를 통해 수집 속도가 25mg/cm2/h인 인공 친수성 표면이 개발되었는데, 이는 비슷한 조건(상대습도 100%)에서 나무개구리의 수집 속도(10mg/cm2/h)의 두 배가 넘는다.^[16]
• 15~30%의 낮은 상대습도에서도 작동하지만 환경적 제약이 있고 지속 가능한 바이오매스 자원이 필요한 또 다른 접근 방식이 있다. 바이오매스와 흡습성 염으로 구성된 초흡습성 고분자 필름은 대기 습도에서 수분을 응축할 수 있다.^[16] 이 기술은 빠른 흡착-탈착 동역학을 구현하고 하루에 14~24회 작동함으로써 지속 가능한 원료 1kg당 5.8L~13.3L의 물 생산량에 해당하는 결과를 얻었으며, 저렴하고 확장 가능한 대기 수확의 잠재력을 보여주었다.^[36]

• 습도 측정 반응 시간, 정밀한 형태 변화 및 내구성이 부족하다. 현재 사용 가능한 대부분의 습윤 작동 복합재료는 열등하며 소나무 솔방울 비늘에서 볼 수 있는 것보다 훨씬 전에 피로 파괴 현상을 나타내므로, 식물의 생물학적 구조에 대한 더 나은 이해가 필요함을 시사한다.^[37] 계획된 형태 변형 습윤 변형을 유도할 수 있는 유체 반응성 활성 이중층 시스템으로 구성된 재료가 필요하다.^[20]
• 현재의 복합재료는 습윤 변형 반응 시간과 기계적 안정성 사이에 바람직하지 않은 절충이 필요하며, 변화하는 환경 자극과도 균형을 이루어야 한다.^[37]

참조

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