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4축 직물의 특성
(SEN'I GAKKAISHI Vol.65, No.5(2009)
小河原 敏嗣(오하라 토시쯔구)/明大(주) 대표
1. 배경
새로운 직물인 "4축 직물"의 개발기업인 明大(주)는 토박이 직물기업으로 오까야마(岡山)현 쿠라시끼(倉敷)시에 1968년에 설립되었다.
이후 토목자재용 특수 광폭 후직물, 하역작업용 벨트 슬링 등의 제품을 개발해 제조, 판매하고 있으나, 중국과 한국, 대만, 동남아시아 지역의 기술력과 경쟁력 향상으로 인해 새로운 돌파구마련에 노력해 왔다.
일본을 포함한 아시아 지역을 시작으로 외국과의 차별화를 꾀함은 물론 수요자 측으로부터의 요구에 만족하는 산업자재 분야에 있어서의 신규제품 개발에 매진해 왔다.
4축 직물의 개발기술 중에서 배양된 직물제조기술이 수요자 측에 인지되어 하역운반용 벨트 슬링과 토목공사 등에 사용되고 있는 특수 광폭 후직물, 철근 콘크리트용 내진보강용의 세폭 직물 등 다양한 직물제품 수주가 증가되고 있다.
4축 직물에 관해해 말하면, 1970년대에 "손으로 짜는 등나무 의자"에 착안, "이것을 자동화하면 어떨까․ ․ ․"라는 생각으로 연구개발이 시작하였다. 그 당시 중고기계를 구입, 독자 아이디어를 기반으로 부품제작을 시작, 약 1년여 후에 제1호기가 완성. 원리원칙 기구를 이미지할 수 있는 직기가 되었으나, 양산기 수준까지는 도달하지 못해 계속적인 연구가 행해졌다. 그 당시 하역운반용 벨트 슬링 개발도 동시에 행해지고 있어, 그 벨트슬링이 어느 정도 괘도에 오르기까지 4축 직물 개발이 일시 중단된 시기도 있었다.
1980년에 이르러 세계 최초로 양산 가능한 4축 직물 자동직기 제작에 재 도엊, 그로부터 약 20년 동안 수십번의 시행착오를 거쳐 현재에는 안정하게 양산이 가능한 4축 직물 자동직기로 발전하게 되고, 상표 등록된 4축 직물「テトラスⓇ(TetrasⓇ)」,「Terta-axialⓇ」,「4축Ⓡ」을 전면에 세우고, 4축 직물의 실용화 체제를 구축하고 있다.
4축 직물의 개념도는 그림 1과 같이 종사, 횡사, 그리고 좌우로부터 비스듬히 내려간 기울기사로 구성되어 있다.
현 시점에서의 4축 직물은 당사에서 생산되고 있는 직물제품의 하나의 축을 형성하고 있다.
4축 직물은 폴리에스터, 나일론, 아라미드, 유리섬유, 탄소섬유 등을 이용한 다종다양한 소재, 또는 요구되는 내용에 따라 혼합소재 조합도 가능하다.
그림 2는 종사, 횡사, 기울기사에 다양한 소재를 이용한 직물을 나타낸 것이다. 이들 섬유를 이용한 항공우주 분야, 대형구조물 분야, 복지개호기기분야, 어페럴, 인페리어분야, 취미 및 기호품 업계, 건축용 구조물 자재분야, 안전분야 등에 다양한 응용전개가 기대되고 있다.
2. 4축 직물의 기계적 특성
최근 스포츠 레저용품, 음향제품, 자동차 부품, 수송기계 등의 분야에 직물을 기재로 한 복합재가 경량 박막화, 고인성, 내충격성, 형태안정성, 디자인 성 등의 장점을 활용해 많이 이용되고 있다. 그러나 지금까지 직물에서는 종사와 횡사로 구성되어 있는 2축 직물이기 때문에 기울기 방향으로 변형하기 쉽고 내인열성이 약하다는 등 결점이 있어 내구성이 있는 소재에의 응용전개를 위해 과제가 되어 왔다.
여기서 우리는 지금가지 없던 세계 최초로 양산화할 수 있는 4축 직물기계를 개발, 이 직물을 제공함으로서 이러한 결점을 극복하였다. 이 4축 직물은 기울기사의 존재로 인해 형태안정성, 내 인열성, 내충격성, 박막화, 곡면 형성성, 응력의 균일화에 우위성이 있어, 우주항공분야에 있어서 NASA(미 항공우주국)와 항공기에서의 이용이 기대됨으로서 미국의 Bally ribbon mills사도 주목하고 있는 기술이다.
표1은 4축 직물의 특징을 2축 직물과 비교한 것이다. 여기서는 ①형태안정성, ②내충격성, ③균일 복합성에 대해 2축 직물과의 차이를 나타내고 있다.
 
형태안성성의 강도변화에 있어서 그림 3에 2축과 4축 직물을 나타내었다.
2축 직물에서는 종횡방향에 비해 바이어스 방향의 형태변화가 현저하였으나, 4축 직물에서는 임의의 방향에 대해 형태가 안정하다.
그림4에는 2축과 4축 직물의 파괴패턴의 차이를 나타낸 것이다. 2축 직물에서는 일반적으로 1회 째 파괴되고, 파괴에너지는 상대적으로 작은 값을 나타내고 있다. 한편 4축 직물에서는 축방향 실이 파괴된 후 기울기사 방향의 실이 그 후에 파괴외는 다단계 적인 파괴패턴이 되어, 파괴에너지는 2축 직물에 비해 대폭 향상한다. 이 때문에 내충격성, 내인성이 우수한 것이 특징적이다.
그림 5는 아라미드 직물소재의 응력해석에 미치는 2축과 4축 직물과의 차이를 나타낸 것이다. 2축 직물에서는 좌상과 우하 부분에 마이너스 선단응력이 생기고, 다른 부분에서는 플러스 선단응력이 생긴다. 따라서 마이너스로부터 플러스의 경계에서는 응력 간격이 커서 변형, 추, 꺾임 등의 원인이 된다. 그러나 4축 직물에서는 전체적으로 응력이 균일해 형태가 안정하게 된다.
3. 4축 직물 자동직기의 특징
4축 직물 자동직기는 직면의 진행방향에 대해 직행면 내에서 회전 가능한 기울기사, 종사를 공급하는 장치, 횡사 투입장치, 베틀바디 두드림 장치, 직물 감김 장치로 구성되어 있다.
우리는 기존 기구에서 직물 진행방향에 대해 직교면 내에 회전 가능한 기울기사 공급장치를 설치하는 방법을 새로 고안하였다. 이 기울기사 사이에 종사를 개구시켜 횡사를 삽입시킨다. 그 후 횡사 1본을 삽입시킬 때에 기울기사를 좌우로 이동시킴으로서 직물을 제직한다.
이 직물제작 순서에 대해 직물 강도의 조정, 직물밀도의 최적화, 직물조직의 설정, 배틀바디 두드림 타이밍 시기, 종사 유지장치 삽입, 기울기사 이송장치의 구조, 실용 수준의 직기 회전 수 달성 등 각종 개량을 행해 실시수준의 획기적인 4축 직물 자동직기 개발에 성공하였다. 이번에 개발한 4축 직물 자동직기의 외관은 그림 6에, 제직 가능한 4축 직물의 기본사양은 표2와 같다.
4. 4축 직물 “테트라스”의 용도개발
현재 취미나 기호품 분에에 있어 골프클럽 샤프트(미즈노, 마미야오-비, 일본 샤프트, 후지쿠라(藤倉)고무공업), 테니스(미즈노), 탁구와 배드민턴 라켓(미즈노) 등의 스포츠용구, 스피커 진동판(파이오니아)의 음향분야, 주택 리폼 시 내진보강(住友林業) 분야 등에 본격적인 실용화가 진행되고 있다. 또 중부지방(中國 : 本州서부, 오까야마, 히로시마, 야마구찌, 돗토리, 시마네)를 중심으로 한 기업체의 연구개발 팀이 발족한 프로젝트 팀에 의한 “저코스트 개폐식 텐트 돔” 개발에도 착수하였다.
여기서 저 코스트로 설치할 수 있는 그림 7과 같은 텐트 막재를 개발하기 위해 구조물을 개발, 또 4축 직물을 사용한 박막특성, 내 인열성 등의 특징을 살린 텐트막재 개발을 행해, 상정한 실측 폭 모델의 실험기가 완성되었다.
현재로서는 개폐 반복에 의한 동작 확인과 풍동실험 등 각종 데이터 확보와 문제점 수정 등 실증실험에 의한 개발은 지금도 계속되고 있다. 그 외 다양한 분야에서의 샘플공급을 실시하고 있고, 4축직물의 특징을 살린 제품개발이 활발히 진행되고 있다.
특히 향후에는 아라미드 섬유, 유리섬유, 탄소섬유 등의 고기능 섬유를 강화기재의 하나로 사용한 수지복합재가 수송분야를 중심으로 많은 수요가 기대되고 있다. 개발한 상품은 그림 8과 같다.
5. 4축 직물의 향후 전개
종사, 횡사, 그리고 좌우로부터 내려오는 기울기사에 의해 구성되어 있는 4축 직물은 2절에서 기술한바와 같이 2축 직물에 비해 형태안정성, 내충격성, 내인열성, 복합재료화 했을 때의 균일성, 곡면 형성성, 내 변형성, 내 비틀림 특성 등 극히 특징 있는 성질을 갖고 있다.
이런 특성을 살려 우주항공분야로부터 주택분야, 취미, 기호분야 등 광범위한 응용이 기대되고 있다. 경량, 고강도, 비틀림 특성을 살린 자동차용 부재(루프, 도어, 보닛, 드라이브 샤프트 등), 대형 구조부재(텐트 등의 막 구조재료, 풍력용 프로펠러, 고층건축 빌딩, 터널 보수 부재 등), 개호복지의료분야(휠체어, 목욕통, 개호용 네트, 코르셋 등)를 들 수 있다.
패션 인테리어분야(의류, 가방, 의자 등)에 있어서는 특징있는 4축직물의 특성을 살리면서, 동시에 그 디자인성에 대해서도 기대되고 있다. 또 스포츠 관련분야(골프크럽 샤프트, 테니스, 배드민턴, 탁구 라켓 등)에서는 비틀림, 굴곡, 내충격성 등의 특성을 살려, 플레이 안정성과 다이나믹한 투구가 기대되고 있다.
지오텍스타일 분야에서는 토목건축용 성토 보강소재로 이용, 주택분야에서는 내진성 보강사양 등이 현 단계에서 상정할 수 있는 용도이다. 또한 장래적으로 유망한 분야로서는 우주항공소재에의 응용전개를 기대할 수 있고, 인공위성의 구조부재, 태양전지 고정용 부재를 쉽게 상정할 수 있어 장래성이 있는 신규 복합재료로 각 방면으로부터 주목되고 있다.
이처럼 4축직물 “테트라스”는 다양한 소재와의 조합에 의한 직물도 가능, 지금까지의 2축직물에서는 해결할 수 없는 약점을 극복하는 특성을 살린 신소재로 각 분야에서의 활약이 기대되고 있다.
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