오스트리아 Dornbirn의 Kulturhaus에서 지난해 9월 16일부터 18일까지 3일에 걸쳐 개최된 DORNBIRN Man-made Fibers Congress 2015는 세계 최대 규모의 섬유관련 학회 중의 하나로, 합성섬유전반에 대한 연구테마를 주제로 하여 유럽에 있는 연구소, 대학들의 테마별 연구 성과 및 관련기업의 신제품 연구 성과 등을 발표하는 학술회의다.

54회째를 맞이한 학회는 32개 국가에서 700여명이 참석하여 106개의 주제 발표가 있었다. 주제 발표는 전체 3개 hall에서 5개 종류별 main 테마로 나누어 발표가 이루어졌으며, 주요 발표 테마는 새로운 원사소재에 대한 소개를 비롯하여 섬유 표면에 기능성을 도입하기위한 가공기술, 부직포/필터 관련 최신 기술동향, 환경 및 건강관련 섬유소재에 대한 최신 연구개발 동향 및 결과에 대한 발표가 주를 이루었다.

▲   지난해 9월 오스트리아에서 개최된 DORNBIRN Man-made Fibers Congress 2015   © TIN 뉴스

세계적인 공급 과잉 및 후진국들의 도약 등 세계 시장 변화에 따른 유럽 섬유산업의 전략에 대한 기조연설을 시작으로 전체 106건의 주제 발표가 진행됐다. 이 중 산업체의 발표가42건, 학교 및 연구기관의 발표가 64건이었다. 학회 참석자들의 국적을 분석해보면 유럽 지역이70%로 가장 많았고, 아시아 지역 20%, 그 외 지역이 10%를 차지했다.

주요 발표내용을 요약해보면, 새로운 섬유 소재 및 바이오 폴리머 제품 및 기술소개, 섬유 표면에 기능성을 도입하기 위한 다양한 가공기술, 부직포 관련 최신 기술동향 소개, 환경과 건강을 위한 섬유소재, 최신 후가공 공정기술 등에 대한 연구 내용을 주제로 발표했다.

본 보고서에서는 발표된 내용들 중 주목할 만한 새로운 기술 및 소재에 대하여 주요 내용을 요약해 본다.

■ Session별 주요 테마
▲ 새로운 Fiber-/Filament, (Bio-)Polymer 제품 및 기술 소개
▲ 섬유 또는 섬유 표면에 기능성 도입 기술 : 전도성, 형상 유지, 융합기술 등
▲ 부직포/필터 관련 최신 기술 동향
▲ 환경과 헬스 케어 섬유소재 (리사이클)
▲ 최신 섬유 및 공정기술 소개 : 후가공, 모니터링 등

▲ 2015 Dornbirn MFC의 분야별 참석기관 수     © TIN 뉴스

부직포 및 web 가공을 위한 새로운 후가공 시스템
발표 : Alexander Rau (AHLBRANDT GmbH)

부직포 또는 Web 형태 섬유소재의 경우, 강도가 약하기 때문에 일반적인 섬유의 후가공 방법인 padding 방법을 이용하여 가공을 하는 것은 상당히 어려운 일이다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 Ahlbrandt에서는 새로운 Rotor spray system을 개발했다. 이 가공 설비는 크게 Plasma 처리를 위한 장치와 Spray coater, 건조장치로 구성되어 있다. 개발된 가공설비의 경우 섬유 원단은 물론이고 필름, foil, foam 소재, metal coil, 종이 등의 가공에도 적용이 가능하다.

▲  Ahlbrandt에서 개발한 Rotor spray system   © TIN 뉴스

부직포 또는 Web의 가공을 위하여 새롭게 개발된 Rotor spray 가공 설비는 고속으로 회전하는 Rotor spray를 이용하여 액적의 균일한 분배로 인한 고른 add-on도포가 가능하도록 설계되어있다. Spray coater 장치에 여러 개의 Rotor spray 시스템을 일정한 간격으로 배치함으로써 원단과의 거리에 상관없이 서로 중첩된 부분에 균일한 독립적 도포가 가능하도록 설계되어 있다. 가장자리 부분의 불균일한 액적도포 구간의 경우 housing으로 처리하여 다시 조제 탱크로 회수되도록 설계했다.

▲ Rotor Spray 시스템     © TIN 뉴스

▲ Rotor Spray 시스템의 균일하고 독립적인 액적 분배 설계     © TIN 뉴스

개발 설비의 경우 부직포 또는 Web이 투입되면 먼저 Corona처리기를 통과하면서 필요에 따라 섬유표면에 플라즈마 처리를 할 수 있도록 되어있고, 이를 통과한 다음 Rotor spray시스템에서 원하는 기능성 약제를 사용하여 섬유 표면을 처리한 다음, 건조기로 들어가서 건조 및 큐어링을 할 수 있도록 설계되어 있다. corona 처리를 하지 않은 PET 시료의 경우표면의 소수성으로 인해 흡습이 되지 않지만, corona처리를 한 시료의 경우 1초 이내에 물방울이 흡수 되는 것을 보여준다.

▲ PET 부직포의 Corona 처리를 통한 흡수성 시험결과     © TIN 뉴스

섬유에 corona 처리를 할 경우 소수성 섬유의 친수화를 위한 개질 시에 사용되는 친수화 조제의 사용량을 줄일 수 있다. 아래의 그림은 PP 부직포에 대한 흡수성 시험결과를 나타낸 것으로 친수화 처리제 1g/㎡(1.5wt%) 정도 처리하였을 때 표면에 흡수성이 나타나지만, corona 처리를 병행할 경우0.2g/㎡(0.3wt%) 정도의 친수화제를 사용하여도 표면에 흡수성이 나타난다.

▲ PP 섬유 부직포의 corona 처리를 통한 친수화제 사용량 절감 © TIN 뉴스

개발 설비의 경우 기존의 padder를 사용한 dipping 방식보다 섬유에 대한 낮은 픽업으로 인하여 건조시간을 단축시킬 수 있기 때문에 생산성 향상 및 에너지 절감이 가능하며 개발 설비를 사용할 경우 원단에 침투되는 양을 조절하고, plasma 처리를 함으로써 원단의 표면/이면에 각기 다른 기능을 부여할 수 있는 bi-functional 가공이 가능하다. 개발 설비를 이용하여 원단에 발수 가공을 한 후,원단의 한쪽 면에 plasma 처리를 하여 원단의 한쪽 면은 발수, 반대 면은 흡수기능을 부여한 원리이다.

▲ 발수/흡수의 Bi-functional 가공 처리 원단     ©TIN 뉴스

전도성 구조 프린팅을 위한 Chromojet 기술
발표 : K. Gnewuch (TITV 연구소)

최근 전자섬유에 대한 적용 분야가 확대되면서 이를 개발하기 위한 다양한 연구개발이 진행되고 있다. 이들 중 최근에는 디지털 프린팅 기술을 이용한 전자섬유 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 적용 분야는 RFID 안테나, 전도성 구조물, 발열섬유소재, OLEDs 배터리, 유기 태양전지, 센서 섬유소재 등이 있다.

프린팅 기술에는 크게 foil, glass, 플라스틱 소재에 적용이 가능한 Inkjet 프린팅, 섬유소에 적용이 가능한 Screen 프린팅, foil 소재에 적용이 가능한 Flexographic(철판 인쇄), offset 인쇄, Gravure 프린팅 등이 있다. 여기에 주로 사용되는 프린트 media는 금속소재 paste, 전도성 폴리머 등이 있다.

전도성 섬유를 이용한 smart textile은 초창기 직물형 키보드, 센서, 발광소재에서 시작하여 현재에는 섬유형 디스플레이, 태양광 전지소재 개발에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 향후에는 연료전지, 섬유 일체형 센서 분야 등으로 발전해 나갈 것으로 예상된다. 

▲ 스마트 텍스타일  © TIN 뉴스

일반적인 섬유에 대한 전도성 프린팅을 통한 기능발현 방법은 화학적 금속화를 위한 primer코팅, 용해 상태의 silver 복합체 프린팅/열적 유도 환원, silver 기반의 잉크 프린팅,광에 의해 활성화 된 silver 나노입자의 프린팅, 오스트리아 Zimmer사의 DTP 설비인‘Chromojet’을 이용한 전도성 폴리머 분산액의 프린팅 방법 등이 있다.

그러나 기존의 이러한 전도성 프린팅 방식의 문제점은 단지 foil, 플라스틱, 유리 등의 소재에만 가능하고, 스크린 프린팅 방법만이 유일한 섬유의 전도성 프린팅 방법이었다. TITV연구소 에서는Chromojet을 이용한 섬유에 대한 전도성 프린팅 제품 개발을 위해 전도성 paste에 적합한 최적의 recipe를 개발하고, 높은 전도성과 마모 견뢰도, 프린트 첨예성을 가지는 디지털전도성 프린팅에 대한 연구를 진행했다.

전도성 화합물의 조성 선정을 위하여 대표적인 전도성 물질인 Clevios™PEDOT:PPS, Star Shield(Ag 코팅된 중공 유리 비드)를 사용하여 가교제, 분산제, 소포제 등을 적당히 혼합하여 Chromojet에 맞도록 paste를 제조하였다. 전도성 paste를 사용하여 원단에 프린팅 한 결과  DMS(Dimethyl Sulfoxide)첨가에 의해 섬유 표면의 전기저항이 감소하여 전도성이 증가하는 결과를 보였다.

전도성 프린팅 기술을 이용하여 Sensor array와 발열 셔츠를 개발하였는데 Sensor array는 interdigital 구조와 touch 센서 기반으로 얇은 절연 섬유로 표면을 덮었을 때에도 터치를 감지할 수 있는 우수한 전기적 민감도 특성을 가진다. 발열 셔츠의 경우 8V의 전압을 인가하였을 때 고르고 균일하게 발열된다.

▲ 전도성 프린팅 기술을 이용한 Sensor array)와 발열 셔츠     © TIN 뉴스

Digital printing 기술을 이용한 섬유 표면의 기능성 부여 가공기술

발표 : R. Schneider (ITCF 연구소)

최근 Digital Printing(DP) 기술 분야의 개발 추세는 고속, 정밀, 고화질 출력이 가능한 장비 및 가공기술 개발로서 현재 출력 속도 1,000㎡/h 이상의 설비가 개발되어 실제기존 날염 제품의 대체를 위한 생산에 활용이 되고 있으며, 기능성 잉크를 이용한 스마트섬유 소재 개발과 같이 섬유의 digital 가공기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

▲  기능성 잉크의 구성요소 및 개발기술 내용   © TIN 뉴스

▲ 기능성 Ink의 구성요소 및 화학 물질   © TIN 뉴스

제조사별 Digital printing 설비의 잉크 요구조건을 살펴보면, EPSON사의 경우 점도는1~5mPas, 표면장력 21~51mN/m, 입자 크기 800㎚ 이하, add-on은 pass당 15g/㎡정도이다. Zimmer사 Chromojet의 경우 점도는 50~500mPas, 표면장력 20~45mN/m,입자 크기 20㎛ 이하, add-on은 pass당 200~1,000g/㎡ 이다. 따라서 기능성 잉크를 제조할 때 이러한 DTP 제조사별 잉크의 요구조건을 고려하여 개발하여야 할 것이다.

일반적으로 기능성 잉크는 바인더, 안료 분산액/기능성 조제, 광개시제, 기타 첨가제 등으로 구성되며, 기능성 잉크의 제조 방식은 pigment를 grinding하고 여기에 첨가제와 바인더를 혼합하여 믹싱한 후, 필터링을 하여 0.8㎛ 이하의 크기가 되도록 하는 것이 통상적인 방식이다.

▲ UV 활성 잉크 IR 흡수 잉크 제품     © TIN 뉴스

▲ 투명 보안 잉크를 적용한 제품     © TIN 뉴스

기능성 잉크를 사용하여 섬유에 새로운 기능성을 부여하기 위한 여러 가지 시도들이 있는데 전도성 잉크를 사용한 Digital Printing 기술의 경우 기능성 layer의 적층 및 구조에 따라 섬유기반의 센서, 스위치, 디스플레이, 발열소재 등 다양한 분야에 적용 및 제품개발이 가능하며, 잉크젯을 이용한 방수/발유 가공도 가능하다. Cotton 원단에 2%의 불화탄소(FC)를 함유한 잉크를 사용하여 원단에 프린팅 한 경우 5회 이상의 반복 프린팅으로 발수도 5급, 발유도 2급의 결과를 나타내기도 한다.

▲ 전도성 잉크 Digital printing 기술을 이용한 전자섬유 용도     © TIN 뉴스

Water-based UV 경화형 잉크를 사용할 경우 부드러운 촉감과 10초 내외의 빠른 큐어링으로 인한 생산속도 향상 및 70% 정도의 에너지 절감 효과가 있으며, 안료 프린팅으로 인한 수세 공정이 필요 없고, 일광 7급, 세탁 5급 수준의 우수한 견뢰도를 얻을 수 있다.

용융금속 방호(Molten metal splash) 가공
발표 : J. Beringer (Hohenstein 연구소)

최근 산업 현장에서 작업자의 안전에 대한 관심 증대 및 규제가 강화되면서 개인 보호 장구(PPE)에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 이 중 특히 용접복용 개인 보호 장구의 경우 열에 대한 보호성, 금속에 대한 방호성, 용융금속에 대한 반발성(격퇴성)을 필요로 하며, 여기에 사용되는 섬유의 경우 효과적인 보호성과 우수한 내구성, 손쉬운 보수성 등이 요구되고 있다.

용융금속에 대한 방호성(Molten metal splash) 시험은 ISO 9150 규격이 있으며, 이 방법은 산소/아세틸렌 토치를 사용하여 용접봉을 용융하여 생성된 용융 금속 방울을 PTFE funnel을 통해 수직으로 배열된 시료 위에 적하한 후, 시료 뒤편의 온도가 40K 이상 올라갈 때 까지 떨어뜨린 용융 금속의 방울 수를 측정하는 방법이다. DIN EN ISO 11611의 보호 등급 규격에 따르면 Class 1은 최소 적하 방울 수 15, Class 2는 최소 적하방울 수 25를 만족하는 수준이다.

용융금속에 대한 방호성을 부여하기 위한 방법에는 섬유 소재에 무기물/유기물의 sol-gel 가공을 통한 열적 저항성을 부여하는 방법과 열전도율이 낮은 microhollow sphere 등과 같은 기능성 첨가제를 혼입한 폴리머를 코팅하는 방법 등이 있다.

▲ ISO 9150 –Molten metal splash 시험 장치     © TIN 뉴스

내열성이 높고 열전도율이 낮은 micro hollow sphere 또는 Grinded carbon fiber를 폴리머에 혼입하여 섬유표면에 코팅을 한 결과, 500㎛ 크기의 micro hollow sphere를 첨가한 경우 첨가량을 10wt%에서 20wt%로 올려도 용융금속에 대한 저항성이 크게 개선되지 않았으며, 350㎛ 크기의 Grindedcarbon fiber를 20wt%를 첨가하여 코팅한 경우 용융금속에 대한 저항성이 다소 향상되는 결과를 나타냈다.

용융금속에 대한 반발성(격퇴성)을 향상시키기 위한 방법으로는 열적 안정성 및 난연성이 우수한 무기물을 사용하여 Sol-gel 기술을 이용하여 섬유 표면에 얇은 barrier 층을 형성시키는 방법이 있다. 이 때 Barrier 층에 요구되는 특성으로는 고온에서 우수한 열적 안정성과 단열성을 가지고 있어야 하며, 낮은 표면에너지로 용융 금속에 대한 우수한 반발성(격퇴성과 냉각 특성을 가지고 있어야 한다. 이러한 물질 중에는SiO2, Al2O3, ZrO2 등이 있다.

자동차용 복합재료 적용을 위한 PP섬유 연구
발표 : Hernmann Linsbauer (IFG Asota GmbH)

PP(Polypropylene) 단섬유의 경우 내화학성, 경량성, 경제성 등의 장점으로 인해 자동차용, 카펫트, 바닥재, 토목용 소재, 생활용 소재, 위생재, 테크니컬 소재 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 자동차 시장에서의 PP 섬유의 적용 분야는 아래의 그림에 나타낸 것과 같이 타이어 상단부의 arch liner, 바닥 카펫트 시스템, 차체 하부 보호재, 트렁크 부품 등 다양한 부분에 사용되고 있고, 현재 자동차 1대당 15~20kg 정도 사용되고 있으며 점차 증가 추세다.

▲ 자동차에서의 PP 섬유 적용 분야     © TIN 뉴스

복합재료(Composite)는 보강 역할을 하는 유리섬유와 용융 바인더 역할을 하는 PP섬유가 부직포처럼 서로 혼합된 형태로 구성되어 있고, 적용 용도에 적합한 약간의 공극률(porosity)을 가지며 서로 다른 여러 개의 층으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 복합재료 적용을 위한 최적의 PP 섬유에 대한 실험을 통하여 섬유 간의 상호작용 향상을 통한 복합재료의 물성 및 특성에 미치는 영향에 대해 연구했다. 실험에는 개발된 Grafted PP staple fiber(7dtex, 60㎜, 첨가제 사용 유/무)를 바인더 섬유로 사용하고, 보강 섬유로는 유리섬유(14㎛, 60~90㎜)와 아마섬유(flax fiber, 60~90㎜ 직접 커팅)를 사용하였다. 복합재료의 제조 방법은 PP와 유리섬유를 50:50으로 혼섬 한 후, 이를 5~50bar, 190℃의 조건으로 복합재료 시편을 만들어 물성을 실험했다.

PP:유리섬유=50:50으로 제조한 복합재료의 경우 복합재료 제조시의 압력이 증가할수록 공극률이 낮아져 섬유 간의 접촉이 증가하기 때문에 물성이 증가했다.

복합재료 제조시의 섬유 종류에 따른 영향으로는 아마(Flax) 섬유가 유리 섬유보다 상대적으로 부서지기 어렵고 가늘기 때문에 더 우수한 기계적 물성을 나타낸다. 또한 fibril이 가늘수록 wetting성이 우수하고 낮은 공극률을 가지게 된다.

▲ 섬유 소재(Glass fiber, Flax)에 따른 복합재료의 물성과 공극률     © TIN 뉴스

또한, 첨가제의 종류 및 농도에 따라 50% 이상의 물성 개선효과가 있다. 따라서 기존의 일반적인 PP 단섬유와 본 연구를 통해 개발된 grafted 개질 PP 단섬유를 사용하여 복합재료를 제조하고 이에 대한 성능을 비교 평가한 결과, 개질된 PP 단섬유를 사용한 복합재료의 경우 기존 대비 모듈러스 20%, 인장강도 50% 정도 향상된 결과를 나타내었다. 이는 개질된 PP 섬유 사용으로 인하여 바인더 섬유의 접착력 향상으로 인한 것으로 판단된다.

Lenzing의 극세 섬유 Tencel® A100
발표 : Andreas Gürtler (Lenzing AG)

Tencel® A100의 특성으로 인한 타 소재와의 혼방 특징은 Wool과 혼방을 하게 되면 Wool이 더 차가워지는 효과를 볼 수 있고, 합성섬유와 혼방을 할 경우 흡습을 통한 수분제어로 신체 기능을 향상시킬 수 있다. 또한 기존의 셀룰로오스계 인조섬유와는 차별화 된 새로운 광택을 가지며, 염색성에 있어서도 우수한 염착성으로 심색효과를 나타낸다. 이로 인해 염색 및 가공 공정에서의 폐수 발생 감소를 통한 절감효과를 가져다준다.

Tencel® A100과 Wool을 혼방한 원단의 경우 냉감성, 드레이프성, 건조성이 향상되고 피부에 대한 마찰을 줄여준다. Tencel® A100을 사용할 경우 기존 원단보다 20% 정도 더 냉감 효과를 부여할 수 있다.

▲ 소재별 Color strength 상대 비교     © TIN 뉴스

PTFE 섬유의 내마모성 향상을 위한 다층 직물

발표 : Keiichi Tonomori (TORAY)

Toray Group은 2002년 미국의 Dupont사와 통합되면서 1955년부터 Dupont에서 생산하고 있는 TEFLON®과 1965년부터 Toray에서 생산하고 있는 TOYOFLON®의 2가지 PTFE 섬유를 생산판매하고 있다. TOYOFLON®과 TEFLON®은 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene) 소재가 가지는 우수한 내열성과 내화학성, 난연성, 접착 저항성, UV 저항성, Sliding 특성을 가진다.

PTFE 소재의 경우 필름, 수지, 코팅제, 섬유 등 다양한 형태로 사용이 되고 있으며, PTFE 섬유의 경우 물리적 제약성을 가지는 PTFE 수지에비해서 넓은 표면적을 가질 수 있는 장점이 있다.

TOYOFLON®과 TEFLON®은 일반적인 섬유소재(0.081)에 비해 매우 낮은 마찰 계(0.048)를 가진다. PTFE의 마찰 계수가 낮은 이유는 C-F의 결합 에너지가 강하고 결합 거리가 짧아서 C-F의 극성이 낮아 분자의 표면이 중성을 띄게 된다. 이로 인해 표면 에너지가 낮고 분자 간 인력이 낮아서 접착에 의한 결합이 쉽게 일어나지 않는다. 따라서 낮은 마찰성을 갖게 된다.

▲ TOYOFLON®/TEFLON® 섬유의 기능성     © TIN 뉴스

또한, PTFE의 전단강도(Shear strength)는 UHPE(21MPa), Nylon 66(50~60MPa) 소재보다 훨씬 낮은 0.5MPa 이하의 값을 가진다. PTFE는 불소 원자의 반발(rebounding)에 의해 분자 쇄의 배향이 쉽기 때문에 분자 간의 응집력(cohesive force)이 작아서 전단 파괴(shearfail)가 일어나기 쉽다. 그리고 PTFE의 결정 구조는 이동(shift)이 쉽기 때문에 전단 강도가 낮고, 접착제로 결합을 하더라도 쉽게 떨어지게 된다. 이러한 이유로 PTFE는 낮은 마찰특성을 가지게 된다. 이러한 낮은 마찰 특성을 이용하여 건물의 지진 격리 장치에 이용될 수 있다.

▲ PTFE의 낮은 마찰 특성을 활용한 건물의 지진 격리 장치     ©TIN 뉴스

그러나 TOYOFLON®, TEFLON®을 100% 사용한 직물의 경우 매우 약하기 때문에 외부하중이 가해진 상태에서의 이동시 아래와 같이 섬유가 떨어져 이러한 문제를 해결하기 위하여 아래 그림에서 보듯이 ‘Bread & Butter’ 효과를 이용하여 p-Aramid와 TOYOFLON® /TEFLON®을 이중직으로 디자인하여 제직을 하였다. 이 경우 외부 하중이 가해진 상태에서의 이동시 Aramid섬유가 PTFE 섬유의powder를 붙잡기 때문에 강도를 보완할 수 있다.

이와 같이 p-Aramid와 TOYOFLON® 섬유를 사용한 이중직 직물의 경우 Ring abrasion test 결과단독으로 사용한 경우보다 60배 정도 향상되는 결과를 보였으나, 충분히 만족할 만한 결과를 얻지는 못하여, 이를 해결하기 위한 특수 설계된 이중직을 개발하여 Ring abrasion test를 한 결과, 아래 그래프에서 보듯이 단독으로 사용한 경우보다 3,000배 이상, 기존 이중직 보다 50배 이상 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.

▲ p-Aramid와 TOYOFLON®/TEFLON® 특수 이중직의 Ring abrasion test 결과     ©TIN 뉴스

직물형 및 니트형 Textile sensor 네트워킹 통합 기술
발표 : Johannes Wendler (ITM 연구소)

만성 창상(Chronic wound)은 최소 8주 이상의 치료기간을 필요로 하고, 전 세계적으로 35백만 명의 환자가 있으며, 치료비용은 약 10,000€ 정도 소요되며 습윤 상처 치료(Hydroactive  wound treatment)는 하이드로겔, 콜로이드 등을 사용하여 상처 부위를 드레싱(Hydroactive하는 것으로 드레싱은 2~7일에 교체를 해주지만 감염에 대한 제어는 하지를 않고 있다. 따라서 상처에 대한 모니터링 시스템이 필요하다.

▲ 만성 창상:하퇴궤양(상), 습윤 상처 치료(하)     © TIN 뉴스

▲ Wound monitoring sensor network © TIN 뉴스

상처 모니터링 센서 네트워크를 개발하기 위해서는 pH, 온도, 젖산, 수분 등에 대해 특별한 민감도를 가진 직물 기반 센서의 소형화 기술이 필요하며, wound dressing 또는 textile carrier 상에 센서를 적용하기 위한 자수, 편직 또는 제직 기술이 필요하다. 또한 만성 창상의 모니터링을 위한 Textilesensor 네트워킹 기술이 필수적이다.

Textile 기반의 health 모니터링 센서를 개발하기 위해서는 아래의 그림과 같은 pH, 수분, 젖산 함량 등과 같은 상처 환경의 변화에 반응하는 기능성 층(functional layer)이 필요하다. 이는 swelling과 전기적 특성 변화(이온 전도도, 용량, 전기적 저항)를 임피던스 또는 전류흐름으로 바꾸어 줄 수 있어야 한다.

▲ 직물 기반의 health 모니터링 센서 개발을 위한 기초 원리     © TIN 뉴스

Textile 기반의 pH 측정 센서는 튼튼한 다층(multi-layer) 구조로 설계를 하였다. Yarn의 구조는 중심 전극에는 티타늄을 사용하고, 기능성 층에는 키토산, 외부 전극은 티타늄으로 구성했다. 키토산은 하이드로겔과 가교를 하며, 가교된 키토산은 팽윤(swelling)에 의해 pH값이 변하는 것에 반응하며, 이때의 임피던스를 측정한다.

온도 센서는 아래의 사진에서 보듯이 중심부 소재에는 Medical steel WNr. 1.4401을 사용하고, 코팅/절연 층으로는 생체 적합성을 가지며 내 부식성이 있는 소재인 parylene을 사용하여 8㎛ 정도의 두께로 화학적 기상 증착(CVD;chemical vapour deposition) 코팅을 하였다. 기초 저항을 증가시키고, 기계적 스트레스 조건 하에서 안정성을 향상시킬 수 있도록 브레이딩과 와인딩을 했다.

Sensor network을 구성하기 위해서는 측정 위치, 센서의 크기, 센서 측정의 원리에 따라 센서의 위치가 결정된다. 온도 센서의 경우 높은 기초 저항 값을 가지기 때문에 길이가 길어야 되고 상처의 가장자리 부분을 주로 측정해야 된다. pH 센서와 NET 센서는 상처 삼출물이 임피던스를 변화시킨다. 젖산 센서는 전류 측정원리를 이용하기 때문에 민감도가 높다. 프로세싱을 위한 마이크로 컨트롤러도 필요하다.

상처 치유재인 PU-foam dressing위에 개발한 젖산, pH, 온도 센서를 통합하기 위하여 TFP(TailoredFiber Placement) 자수 기술을 이용하였는데 실제 직경은 5㎜ 수준이었다. Sensor 통합 구조는 PU-foam 드레싱재위에 자수 TFP 기술을 통하여sensor yarn을 배열하고, 그 위에 상처 삼출물의 흡수를 위한 부직포를 덮고, 맨 위쪽에는 절연 보호 층의 반창고로 설계했다.

▲ Sensor yarn 통합을 위한 구조 컨셉     © TIN 뉴스

생분해성의 기계적 안정성이 우수한 신축성 textile scaffold
발표 : R. Tonndorf (ITM 연구소)

최근 노령화와 위험 요소의 증가로 인해 관절 부위의 연골관련 질환이 증가하고 있으나 아직까지 의학적으로 만족할 만한 결함의 치료 방법이 없는 실정이다. 연골에는 가장 중요한3가지 타입이 있는데, 이는 hyaline cartilage(초자 연골), elastic cartilage(탄성 연골), fibrocartilage(섬유 연골) 이다. 이중 연골막이 없어서 초자 연골의 자가 치유능력이 부족할 경우 조직 공학적으로 임플란트에 의해 재생을 촉진시킬 수 있는 것에 착안을 하여 연구를 진행하였다.

관절 연골의 조직 공학 중 scaffold에 사용되는 소재에는 크게 천연 소재와 합성 소재가 있으며, 천연 소재의 대표적인 소재로는 콜라겐, 키토산, 히알루론산 등이 있고, 합성 소재에는PLLA, PLG, Trufit 등이 있다. Scaffold에 요구되는 특성으로는 생체 적합성(Biocompatibility), 공극률(Porosity), 투과성(Permeability), 기계적 안정성, 생체 재흡수성(Bioresorbility) 등이 있다.

관절 연골을 위한 scaffold를 개발하기 위하여 먼저 습식 방사를 통해 키토산 필라멘트를 만들었다. 희석된 아세트산에 녹인 후, 이를 수산화나트륨에서 응고시켰다.

연골 치료를 위한 Scaffold 임플란트를 만들기 위하여 키토산 단섬유, 키토산 접착제, 키토산기재를 사용하였다. 아래 그림에서 보듯이 키토산 기재 위에 플로킹 가공을 통하여 수직으로 정렬된 키토산 단섬유를 형성시키고, 여기에 확산된 줄기 세포를 담지 하여 연골 치료용 임플란트를 개발했다.

▲ 키토산을 이용한 연골 치료용 임플란트 모식도     © TIN 뉴스

개발한 연골 치료용 키토산 임플란트는 균일하게 섬유가 분포되어 있고, 섬유가 수직으로 정렬된 형태를 가지고 있다.

▲ 연골 치료용 키토산 임플란트     © TIN 뉴스

줄기 세포(Saos-2 cell)의 배양 실험에서도 키토산 임플란트의 경우 줄기 세포의 배양에 큰 지장을 주지 않는 것으로 나타났다.

▲ 줄기세포(Saos-2 cell) 배양 실험 결과     © TIN 뉴스

Textile 표면 개질을 위한 3D printing 기술
발표 : M. Rabe (FTB 연구소)

3D 프린팅 기술은 시제품을 위한 tool에서 산업적인 제조 공정으로 빠르게 변화하고 있으며, 이에 대한 디자이너 및 설계 공학자들의 새로운 요구가 증가하고 있는 추세이다. 3D 프린팅의 장점은 개발 및 생산에 있어서 비용 효과가 있고, 요구에 따라 현장에서 바로 적용할 수 있는 유연성이 있으며, textile 혁신을 위한 빠른 시장 진입이 가능하다. 그리고 빠르게 변화하는 소비자의 요구를 수용할 수 있고, 형태 및 디자인에 구애받지 않고 맞춤형의 시제품 제작 또는 생산이 가능하다.

▲ 3D 프린팅 기술을 이용한 패션 제품     © TIN 뉴스

3D 프린팅 기술 중 FD3D 프린팅 기술을 이용한 패션 제품M(Fused Deposition Modeling) 공법은 열에 의해 폴리머를 용융시킨 후, 압출하여 layer를 형성시켜 형체를 쌓아올리는 방식이다. 필라멘트 형태의 열가소성 소재를 사용하며 hard와 flexible 소재가 있다. hard 소재에 ABS(Acrylnitrile-butadiene-styrene), PLA(Polylactide), PA(Polyamide) 등이 있으며, flexible 소재에는 PLA soft, 열가소성 엘라스토머 및 폴리우레탄(TPE/TPU) 등이 주로 사용된다. FDM 공법은 1989년 Stratasys Ltd.에서 특허를 획득하였으나, 2009년 핵심 공정에 대한 특허가 만료되면서 혁신적인 연구 분야에 대한 개발 증대 및 구매 가격 인하가 이루어지고 있다.

▲ FDM 기술의 모식도     © TIN 뉴스

3D 프린팅 기술을 텍스타일 분야에 적용하기 위하여 섬유의 조직을 제작하기 위한 연구를 진행했다. 먼저 니트 조직을 CAD를 사용하여 모델링을 한 후, 이를 PLA soft 소재를 사용하여 FDM 공법으로 제작하고, Polyamide 소재를 사용하여 SLS(Selective laser sintering)공법으로 제작하였다. 그러나 독창성 및 맞춤형 제작이라는 패션성은 있으나 촉감, 제한된 섬도, 출력 속도 등의 문제가 있다.

▲ Textile 구조의 3D 프린팅     © TIN 뉴스

FDM 3D 프린팅 기술을 이용한 복합 구조의 textile을 제작하기 위한 연구를 진행 중인 hard와 soft의 프린팅 소재를 결합한 eyelet 모형을 제작해 보았다. 우선 CAD를 사용하여 모델링을 한 후, soft 소재인 PLA layer 구조물에 hard 소재인 BendLay(ABS) ring을 가진 2가지 소재를 사용한 FDM 프린트를 제작하였다. 이로 인해 다층 구조의 복합소재 구조물의 제조가 가능하고, 보강 통합이 단일 생산 단계에서 가능하다는 것을 확인했다.

FDM 3D 프린팅 기술을 이용한 필라멘트 또는 textile 삽입(embedding) 구조물을 제작하기 위한 연구는 아래의 그림에서 보듯이 PLA 소재를 사용한 3D 프린트 구조물에 광섬유와 탄소섬유를 삽입해 보았고, PLA soft stripe 출력물 사이에 PA 네트 구조를 사용하여 안정화시킨 구조물을 제작했다. Embedding 구조물의 fixation 품질은 프린팅 된 소재(ABS, PLA, TPE)와 텍스타일의 구조에 영향을 받는다.

▲ FDM 3D 프린팅 기술을 이용한 Textile embedding 구조물     © TIN 뉴스

Textile 위에 FDM 3D 프린팅을 위해 면 직물 위에 PLA soft 소재를 사용하여 FDM 3D 프린팅을 테스트한 결과 유연성을 유지하면서 패턴 효과와 보강 효과를 동시에 가질 수 있었으며, 새로운 통합적인 기능성(예를 들어, textile bending에 의한 open-close 스위칭 라멜라 구조) 부여에 대한 가능성을 확인하였다. 이러한 기능은 롤 블라인드나 커텐과 같은 홈 텍스타일에 적용 가능할 것으로 생각된다.

FDM 3D 프린팅된 원단의 소재에 따른 내마모성 실험 결과 사용한 프린팅 소재에 대해 비슷한 수준의 마모성 결과를 보였고, 면직물 위에 프린팅 할 경우 박리현상 없이 가장 우수한 접착성을 보였다.

▲ FDM 3D 프린팅 된 원단의 내마모성     © TIN 뉴스

■ 결론

세계 화학섬유 산업의 환경은 경기 하강과 같은 경제 위기와 원료 가격, 인력, 에너지, 기타 비용 상승과 같은 어려운 시기에 놓여 있지만, 중국의 생산과잉으로 인해 섬유생산 규모는 계속 증가하고 있으며. 그 중에서도 화학섬유 생산이 차지하는 비중은 계속 증가추세에 있다. 유럽의 화학섬유 생산 동향은 2013년도의 3.7백만 ton에서 2014년도에는 3.5백만ton으로 소폭의 생산량 감소가 있다.

유럽 섬유산업의 개발 화두는 친환경 소재 및 공정기술 개발, 새로운 고분자 개발을 통한 섬유소재 개발, 기존 소재의 성능향상 및 고부가가치를 위한 기술 혁신, smart 섬유 개발을 위한 IT 융복합 기술에 대한 연구개발이 두드러지고 있다.

섬유소재 분야에 있어서는 폴리머 개질 및 새로운 폴리머 적용을 통한 고기능성, 고감성, 고강력 섬유 소재를 개발하기 위한 연구와 Bio 기반의 친환경 섬유소재의 물성 향상에 대한 연구개발 내용이 주를 이루었다.
기능성 도입 및 섬유 표면 개질 분야에서는 디지털 프린팅 기술을 이용하여 섬유 표면을 개질하거나, 새로운 기능성 부여를 위한 가공기술 개발에 대한 연구와 전도성 폴리머를 사용한 전자섬유 개발에 대한 내용이 많이 발표됐다.

부직포 및 필터 분야에서는 폴리머 개질 또는 바이오 폴리머 등과의 혼합을 통한 성능 향상 및 부직포의 새로운 용도 전개를 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

첨단 섬유 분야에서는 새로운 소재의 개발 보다는 기존 소재간의 혼합 또는 복합화를 통한 성능 개선, IT 기술과의 접목을 통한 섬유 센서 및 스마트 섬유 개발에 대한 발표가 많았다.

공정 기술 분야에서는 에너지 절감, 생산성 향상, 생산 비용 절감을 위한 설비 및 공정기술 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

환경 분야에서는 섬유 및 복합재료 소재의 recycling을 통한 친환경, 자원 재활용, 비용절감에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있으며, Health care 분야에서는 생체 적합성 고분자를 활용한 섬유 기반의 임플란트 소재 개발, 스마트 섬유를 활용한 생체 모니터링 기술에 대한 연구개발이 진행되고 있다.

DYETEC연구원 융합가공연구팀 민문홍 팀장

* 자료출처 : tinnews 바로가기