러닝화 적용 물·온도·햇빛에 반응하는 특수나염의 비밀｜색을 바꾸는 안료와 고분자 소재의 과학

퇴근 후 성장 연구소 2026년 11월 3일 최종 수정 10월 30일 읽는 시간 약 19분

하이드로크로믹·써모크로믹·포토크로믹·리플렉티브·축광·실리콘 나염의 소재부터 작동 원리, 제조 공정까지

비를 맞으면 신발 갑피에 숨어 있던 무늬가 나타납니다. 손으로 문지르면 로고 색상이 바뀌고, 햇빛에 나가면 다른 색으로 변하기도 합니다.

야간에는 운동화의 로고가 자동차 전조등을 받아 밝게 반사됩니다.

이런 변화는 단순한 디자인 효과가 아닙니다. 특수 안료의 분자구조, 빛의 굴절, 고분자 소재의 특성, 인쇄층의 구조가 만들어 내는 현상입니다.

특히 신발은 의류보다 까다로운 사용 환경에 놓입니다.

갑피는 걸을 때마다 접히고 늘어납니다. 외부 마찰과 비, 땀, 자외선에도 반복적으로 노출됩니다. 그래서 같은 특수잉크라도 티셔츠에서는 잘 작동하지만 운동화에서는 쉽게 갈라지거나 기능이 떨어질 수 있습니다.

이번 글에서는 풋웨어 제조 관점에서 특수나염을 구성하는 소재와 과학적 원리를 살펴보겠습니다.

1. 특수나염의 핵심은 안료 하나가 아니라 잉크 시스템이다

나염에 사용하는 잉크는 일반적으로 다음과 같은 성분으로 구성됩니다.

여기에서 중요한 것이 안료와 바인더의 차이입니다.

안료는 색상이나 특수 효과를 만들어 내는 역할을 합니다. 바인더는 그 안료를 원단 위에 붙잡아 두는 역할을 합니다.

예를 들어 반사 유리구슬을 사용하는 잉크라도 바인더가 유리구슬을 완전히 덮어버리면 반사 성능이 떨어질 수 있습니다.

또한 열에 약한 감온성 안료를 고온에서 장시간 경화하면 인쇄 후 색상 변화 기능이 저하될 수 있습니다.

신발에서는 특수안료의 성능뿐 아니라 갑피 소재와 바인더의 적합성이 매우 중요합니다.

2. 하이드로크로믹(Hydrochromic) — 물에 젖으면 왜 투명해질까?

사용하는 소재

상용 하이드로크로믹 잉크 가운데 대표적인 제품은 아크릴계 수지를 포함한 수성 코팅 시스템입니다.

기본적인 구성은 다음과 같습니다.

물에 반응하는 광학적 코팅 소재
아크릴계 등 고분자 바인더
필요한 경우 백색 또는 다른 색상의 안료
점도와 도막 형성을 조절하는 첨가제

2026년 폴리아미드 원단 연구에서는 아크릴 수지를 포함한 수성 하이드로크로믹 잉크를 실제로 스크린 인쇄했습니다. Springer Nature Link

작동 원리 — 색소가 변하는 것이 아닐 수도 있다

하이드로크로믹의 모든 제품이 동일한 방식으로 작동하는 것은 아닙니다.

대표적인 상용 방식인 Wet and Reveal 제품은 젖었을 때 인쇄층의 빛 산란 특성이 변하는 원리를 이용합니다.

마른 상태

표면층에서 빛이 강하게 산란되어 아래 무늬가 잘 보이지 않습니다.

젖은 상태

물에 의해 빛 산란이 감소하면서 아래 색상이나 무늬가 드러납니다.

상용 수성 하이드로크로믹 코팅의 광학적 작동 원리를 단순화한 모식도

마른 상태에서는 코팅층 내부의 미세구조와 굴절률 차이 때문에 빛이 여러 방향으로 산란됩니다.

물이 침투하면 내부의 광학적 환경이 달라지고 빛 산란이 감소하면서 아래쪽 색상이 비쳐 보입니다.

물이 증발하면 원래의 불투명한 상태로 복원될 수 있습니다.

여기에서 알아둘 점은 물이 색소 자체를 무조건 변화시키는 것은 아니라는 사실입니다. 일부 제품은 코팅의 광학적 투명도 변화를 이용합니다.

다른 하이드로크로믹 연구에서는 스피로피란과 같은 물 반응성 분자를 활용하기도 합니다. 따라서 모든 하이드로크로믹 잉크를 하나의 화학 조성으로 설명할 수는 없습니다. Springer Nature Link+1

신발 갑피에 적용한다면?

예를 들어 폴리에스터 메쉬 갑피에 파란색 무늬를 인쇄하고 그 위에 하이드로크로믹층을 형성할 수 있습니다.

비가 내리면 흰색 표면층이 투명해져 아래 무늬가 드러나도록 설계하는 것입니다.

다만 메쉬의 공극을 인쇄층이 막으면 통기성이 저하될 수 있습니다. 또한 반복적인 굴곡으로 코팅층이 갈라지면 물에 대한 반응이 불균일하게 나타날 수 있습니다.

따라서 실제 신발에 적용하려면 물에 반응하는 색상 변화뿐 아니라 굴곡 내구성까지 검증해야 합니다.

3. 써모크로믹(Thermochromic) — 온도를 감지하는 마이크로캡슐

어떤 안료가 사용될까?

써모크로믹 잉크에는 대표적으로 류코염료(Leuco Dye) 계열의 감온성 소재가 사용됩니다.

자주 언급되는 물질 중 하나가 크리스털 바이올렛 락톤(Crystal Violet Lactone, CVL)입니다.

이 소재를 활용한 감온 시스템에는 보통 세 가지 성분이 들어갑니다.

구성	대표 소재 또는 계열	역할
류코염료	크리스털 바이올렛 락톤, 플루오란계 염료	색상 변화의 중심
현색제(Developer)	페놀성·카복실산계 화합물 등	염료와 상호작용해 발색 상태 형성
온도 조절 용매	지방족 알코올·에스터류 등	녹는점에 따라 변색 온도 조정

여기에서 현색제는 사진을 현상할 때 쓰는 현상액이 아니라, 염료의 발색 상태를 조절하는 화학 성분을 의미합니다. ScienceDirect

왜 온도가 올라가면 색이 사라질까?

낮은 온도에서는 류코염료와 현색제가 상호작용하여 색을 나타냅니다.

온도가 올라가 용매가 녹으면 이러한 상호작용의 평형이 변하면서 염료의 분자구조와 빛 흡수 특성이 달라집니다.

그 결과 유색 상태에서 무색 상태로 전환될 수 있습니다.

온도가 다시 내려가면 원래 상태로 돌아갑니다.

여기서 변색 온도는 단순히 염료 종류만으로 결정되지 않습니다. 용매의 녹는점과 배합 조건이 중요한 영향을 미칩니다.

마이크로캡슐은 왜 사용할까?

감온성 염료 시스템을 그대로 인쇄하면 외부 수분이나 다른 잉크 성분의 영향을 받을 수 있습니다.

따라서 염료·현색제·용매를 작은 고분자 캡슐에 넣어 사용하는 방식이 널리 연구되고 있습니다.

일부 연구에서 사용한 마이크로캡슐의 입자 크기는 약 3~5μm 수준입니다.

캡슐은 내부 성분을 보호하고 바인더 안에 분산시키는 데 도움이 됩니다. 하지만 강한 전단력, 지나친 열처리, 세탁 등으로 캡슐이 손상될 수 있습니다.

풋웨어 적용 시 중요한 기술적 문제

운동화 앞부분은 걸을 때마다 굽혀집니다.

이때 단순히 바인더가 갈라지는 것뿐 아니라 캡슐 자체의 손상 여부도 검토해야 합니다.

특히 감온성 인쇄에서 고려할 점은 다음과 같습니다.

캡슐이 견딜 수 있는 혼합·인쇄 조건
실제 변색 시작 온도와 복원 온도
인쇄층의 신장률과 굴곡 피로
햇빛 노출 이후의 색상 변화 성능
캡슐과 바인더 사이의 접착·분산 안정성

예를 들어 체온 반응형 로고를 개발한다면, 실험실에서 31℃에 색이 변한다고 해서 착용 중 갑피가 항상 같은 온도에 도달하는 것은 아닙니다.

외부 기온과 통풍, 원단 두께에 따라 반응이 달라질 수 있기 때문입니다.

4. 포토크로믹(Photochromic) — 자외선이 분자의 구조를 바꾼다 . 눈에 보이는 색상이 달라집니다.

대표적인 화학 소재

포토크로믹에는 다음과 같은 유기 분자가 연구되고 있습니다.

스피로피란(Spiropyran)
스피로옥사진(Spirooxazine)
나프토피란(Naphthopyran)

이 중 스피로피란은 빛에 의한 분자구조 변화를 설명할 때 대표적으로 사용되는 소재입니다.

자외선을 받으면 어떤 일이 생길까?

스피로피란은 자외선에 노출되면 분자 고리 구조가 열리면서 메로시아닌(Merocyanine) 형태로 전환될 수 있습니다.

이 과정에서 분자가 흡수하는 빛의 파장 영역이 바뀝니다.

그 결과 눈에 보이는 색상이 달라집니다.

빛의 조사 조건이 바뀌면 다시 고리가 닫힌 형태로 되돌아갈 수 있습니다.

즉, 외부에서 색상을 덧칠하는 것이 아니라 한 분자의 구조가 변화하면서 빛을 흡수하는 성질이 달라지는 것입니다.

실제로 2025년 연구에서는 스피로피란계 소재를 면직물에 스크린 인쇄하고 365nm 자외선에 따른 색상 변화를 분석했습니다.

신발에 적용할 때 바인더가 중요한 이유

광변색 소재는 빛을 받아야 기능을 수행할 수 있으므로, 표면 코팅과 바인더가 자외선 도달에 영향을 줄 수 있습니다.

또한 산소, 자외선의 반복 노출, 높은 온도에 의해 분자 성능이 저하될 수 있습니다.

2016년 발표된 연구에서는 나프토피란을 실리카 나노입자에 결합하거나 흡착한 뒤 아크릴계 및 폴리우레탄계 잉크에 분산시켜 직물에 인쇄했습니다.

이 연구에서 폴리우레탄계 인쇄층은 세탁견뢰도에서 유리한 결과를 보였습니다. 단, 모든 포토크로믹 잉크에서 폴리우레탄이 우수하다는 일반적인 결론은 아닙니다. PubMed

풋웨어 관점에서는 포토크로믹 안료의 발색 정도뿐 아니라 바인더의 투명성, UV 투과 특성, 갑피의 반복 굴곡을 함께 고려해야 합니다.

5. 리플렉티브(Reflective) — 미세 유리구슬이 빛을 되돌리는 원리

리플렉티브는 색상이 변하는 화학 반응이 아니라 광학적 반사 원리를 이용하는 기술입니다.

어떤 소재를 사용할까?

대표적인 반사 소재에는 다음이 있습니다.

고굴절률 유리 미세구슬(Glass Microspheres)
알루미늄 등의 금속 반사층
유리구슬을 고정하는 고분자 바인더
미세 프리즘 구조를 활용한 반사 필름

유리구슬형 제품은 미세한 구형 입자에 들어온 빛이 굴절·반사되면서 광원 방향으로 되돌아오도록 설계합니다.

일부 반사 코팅 특허에서는 굴절률 1.91~1.96인 유리구슬과 금속 반사층을 활용한 구조가 제시됩니다. 이는 특정 기술 사례이지 모든 반사 잉크의 공통 규격은 아닙니다. Google Patents

굴절률이 왜 중요할까?

굴절률은 빛이 서로 다른 물질을 통과하면서 얼마나 방향을 바꾸는지를 나타내는 광학적 수치입니다.

유리구슬의 굴절률과 입자 구조, 반사층 설계가 적절하게 조합되면 빛을 광원 쪽으로 되돌려 보낼 수 있습니다.

금속 반사층이 결합된 유리구슬형 재귀반사 구조의 개념도. 실제 광선 경로는 입자 형상과 굴절률에 따라 달라집니다.

신발 제조 공정에서 가장 까다로운 부분

리플렉티브 나염은 유리구슬의 일부가 적절한 광학적 상태를 유지해야 효과가 나타납니다.

잉크를 너무 두껍게 인쇄해 구슬이 바인더에 묻히거나, 세탁과 마찰로 입자가 빠지면 성능이 저하될 수 있습니다.

신발 적용 시에는 특히 다음을 확인해야 합니다.

유리구슬 입도와 스크린 망목의 적합성
바인더 도막 두께와 입자 노출 상태
마찰 이후의 반사 성능
굴곡 시 입자 탈락 여부
갑피 색상 및 표면 처리와의 적합성

러닝화에 재귀반사 로고를 적용하는 이유도 단순한 장식 때문만은 아닙니다. 어두운 환경에서 외부 광원에 대한 시인성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.

다만 로고 일부에 반사 나염을 적용했다고 해서 신발 전체의 야간 안전성이 검증된 것은 아닙니다.

6. 축광(Phosphorescent) — 빛을 저장했다가 방출하는 무기 형광체

어떤 물질을 사용할까?

대표적으로 사용되는 축광 안료에는 다음이 있습니다.

스트론튬 알루미네이트(SrAl₂O₄) 계열

유로퓸(Eu²⁺)과 디스프로슘(Dy³⁺) 등의 원소를 도핑해 잔광 특성을 조절하는 소재가 잘 알려져 있습니다.

여기서 도핑(Doping)이란 특정 물질에 소량의 다른 원소를 첨가해 전자적·광학적 특성을 변화시키는 기술입니다.

빛이 저장되는 원리는 무엇일까?

축광 소재에 빛을 비추면 내부의 전자가 에너지를 흡수합니다.

일부 전하는 결정 내부의 결함이나 에너지 준위에 포획될 수 있습니다.

빛을 차단한 이후에도 포획된 전하가 서서히 방출되고 재결합하는 과정에서 빛이 발생합니다.

이것이 잔광(Afterglow)의 핵심 원리입니다.

정확한 포획·방출 과정은 형광체의 결함 구조와 조성에 따라 달라지며, 스트론튬 알루미네이트의 잔광 메커니즘은 여전히 연구되고 있습니다. Wiley Online Library

신발에서 주의할 점

축광 안료는 제품에 따라 입자가 비교적 클 수 있어 인쇄 표면이 거칠어지거나 도막 두께가 증가할 수 있습니다.

바인더가 입자를 충분히 고정해야 하지만, 지나치게 불투명한 층으로 덮으면 빛의 흡수와 방출에 불리할 수 있습니다.

따라서 야광 러닝화를 개발한다면 실제 발광 밝기뿐 아니라 잔광 지속 시간, 마찰 및 굴곡 내구성도 평가해야 합니다.

축광 효과가 있다는 이유만으로 야간 안전 장비를 대체할 수는 없습니다.

7. 실리콘 나염 — 색상 변화보다 신축성과 입체감에 초점을 맞춘 기술

앞서 살펴본 하이드로크로믹이나 감온성 나염은 특별한 환경에 반응하는 소재입니다.

반면 실리콘 나염은 탄성, 촉감, 입체감을 구현하기 위해 사용되는 경우가 많습니다.

어떤 화학 소재를 사용할까?

대표적인 실리콘 잉크는 실록산(Siloxane) 결합을 기본 골격으로 하는 고분자 소재를 사용합니다.

실리콘의 특징적인 결합 구조는 다음과 같습니다.

–Si–O–Si–O–

실리콘 고분자의 기본적인 실록산 골격을 단순화한 표현

고분자의 배합과 가교 구조를 조절하면 부드러운 탄성체부터 단단한 입체 인쇄층까지 다양한 물성을 구현할 수 있습니다.

실제 인쇄에는 무엇이 필요할까?

대표적인 부가경화형 실리콘 스크린 인쇄 시스템은 다음 구성으로 이루어집니다.

실리콘 베이스
실리콘용 색상 마스터배치
경화 촉매
필요에 따른 점도 및 기능 조절 첨가제

일부 부가경화형 제품은 백금계 촉매를 사용합니다.

Dow의 SILASTIC 9600 시리즈도 실리콘 베이스, 안료 마스터배치, 촉매를 조합하는 인쇄 시스템입니다. 해당 업체는 높은 신장성과 세탁 내구성을 주요 특성으로 안내합니다. Dow Inc.

풋웨어에 왜 유리할까?

신발 갑피는 움직일 때 계속 변형됩니다.

적절하게 설계된 실리콘 인쇄층은 이러한 신장과 복원에 대응할 수 있습니다.

또한 반복 인쇄로 로고에 높이를 주거나, 고무 같은 촉감을 구현할 수도 있습니다.

그러나 실리콘이 모든 소재에 잘 붙는 것은 아닙니다.

폴리에스터, 나일론, TPU 필름 등은 표면 특성이 다르기 때문에 프라이머나 표면처리 등이 필요할 수 있습니다.

실리콘의 경화 촉매가 특정 화학 성분에 의해 영향을 받을 가능성도 있으므로, 소재와 인쇄 공정의 적합성을 확인해야 합니다.

8. 발포 나염(Puff Printing) — 안료가 아니라 미세 팽창 소재가 만드는 입체 효과

발포 나염은 색상을 바꾸는 기술이 아니라 인쇄층의 부피를 증가시키는 기술입니다.

대표적인 방식 가운데 하나는 열팽창성 마이크로스피어(Thermally Expandable Microsphere)를 활용합니다.

이 입자는 열가소성 고분자 껍질 안에 팽창 가능한 성분이 들어 있는 구조입니다.

열이 가해지면 내부 성분이 팽창하고 껍질이 부풀면서 인쇄층의 두께가 증가합니다.

다른 방식으로는 가스 발생형 발포제를 이용할 수도 있습니다.

발포제를 너무 많이 넣거나 열처리 조건이 맞지 않으면 인쇄층이 불균일하게 부풀거나 표면이 무너질 수 있습니다. Canton Fashion

신발에서는 발포 나염의 입체감뿐 아니라 갑피의 유연성과 마찰 내구성에 미치는 영향을 검토해야 합니다.

나염공정이 끝나면 24시간 이상 건조후 열 프레스에 가열하여 발포 시킵니다.

9. 풋웨어 제조 관점에서 특수나염 소재 비교

기술	핵심 기능성 소재	주요 작동 원리	풋웨어 적용 시 중점
하이드로크로믹	수분 반응 코팅, 아크릴계 수지 등	습윤에 따른 광학 특성 변화	통기성, 굴곡, 건조 복원
써모크로믹	류코염료·현색제·용매·마이크로캡슐	온도에 따른 분자 상호작용 변화	변색 온도, 내광성, 캡슐 내구성
포토크로믹	스피로피란·나프토피란 등	자외선에 의한 분자구조 변화	UV 노출, 피로, 바인더 투광성
리플렉티브	유리 미세구슬·반사층	재귀반사	입자 고정, 반사 성능 유지
축광	SrAl₂O₄ 계열 형광체 등	전하 포획·방출에 따른 잔광	발광 밝기, 마찰, 내구성
실리콘	실록산계 고분자	가교경화에 따른 탄성 인쇄층 형성	접착력, 신장률, 경화 조건
발포	열팽창성 입자·발포제	열에 의한 부피 증가	도막 두께, 굴곡, 형상 유지

10. 실제 신발 공장이라면 어떻게 시험해야 할까?

특수나염을 개발할 때는 단순히 색상이 예쁜지 확인하는 수준을 넘어야 합니다.

특히 신발은 갑피의 구조와 원단 종류가 다양합니다.

폴리에스터 메쉬, 나일론 직물, TPU 필름, 합성피혁의 표면 특성이 모두 다르기 때문입니다.

따라서 제조 현장에서는 다음의 순서로 평가하는 것이 합리적입니다.

소재 분석갑피의 섬유 종류, 표면처리, 신축성, 열 안정성, 코팅 유무를 확인합니다.
잉크 시스템 선정기능성 안료뿐 아니라 바인더, 용제, 경화제와 첨가제의 적합성을 검토합니다.
시험 인쇄실제 갑피 소재에 적용해 인쇄 선명도, 도막 두께, 색상 변화와 접착 상태를 확인합니다.
물성 및 기능 시험마찰, 굴곡, 신장, 세탁 또는 침수, 자외선 노출 후 성능 변화를 평가합니다.
완제품 적용 검토갑피 성형, 봉제, 라스팅, 접착과 열처리 후에도 인쇄 성능이 유지되는지 확인합니다.

여기서 특히 중요한 부분은 인쇄한 원단과 완성된 신발의 성능이 다를 수 있다는 점입니다.

원단 상태에서는 문제가 없더라도 라스팅 공정에서 인장력이 발생하거나, 다른 공정의 열에 노출되면서 기능성 인쇄층이 손상될 수 있습니다.

따라서 개발 샘플을 실제 신발 제조 공정에 통과시켜 평가하는 과정이 필요합니다.

11. 특수나염 기술이 발전하는 방향

앞으로는 한 가지 자극에만 반응하는 소재를 넘어 여러 환경에 복합적으로 반응하는 소재가 더욱 연구될 가능성이 있습니다.

예를 들어 온도와 물에 각각 반응하는 소재를 복합적으로 설계하거나, 광변색 소재를 고분자 나노입자와 결합해 내구성과 발색 성능을 높이는 접근이 연구되고 있습니다.

풋웨어 테크에서 중요한 질문은 ‘어떤 효과를 낼 수 있는가?’에서 끝나지 않습니다. ‘그 효과를 어떤 소재로 구현하고, 반복 사용과 제조 공정을 견딜 수 있도록 설계할 수 있는가?’까지 살펴봅니다.

이것이 특수나염을 단순한 패션 디자인이 아니라 신발 소재·화학·제조 기술의 관점에서 이해해야 하는 이유입니다.

주요 기술 참고 자료

퇴근 후 성장 연구소