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나노기술 직물
“나노 직물”은 다양한 방법들에 의해 제조될 수 있다. 제조 방법들의 주요 차이점은 합성 나노 입자들이 섬유 또는 직물 내로 집적화되거나 표면 위에 코팅된다거나 나노 입자들이 나노 크기 섬유 또는 코팅에 부가된다는 것이다.
 그러나, 제조 방법들의 정보, 사용된 나노 물질과 양, 그리고 판매를 위한 “나노 처리된” 직물의 “라이프 사이클(life cycle)”은 소비자에게 많이 알려지지 않았다. 그러므로, 최근 문서는 나노 직물 제조 공정들과 응용 영역들을 구별하고 환경과 건강의 가능한 효과들에 관한 총괄을 준다.
많은 질문들이 여전히 남아있지만 제품 개발 뿐만 아니라, 나노 직물이 초례할 혜택과 위험들에 대한 자세한 연구가 필요하다. 공개 질문들은 “나노 안전 직물(nanosafe textiles)”이란 주제로 재료 과학과 기술(EMPA) 스위스 연방 연구실과 공동 프로젝트를 맡고 토론 주제를 초기화하기 위해 스위스 직물 연합에 의뢰했다.
나노 직물을 위한 섬유와 직물 표면 패턴들의 제조 과정들
원칙적으로, 나노 입자들의 사용을 포함하는 제조 방법 혹은 인조 나노 입자들 없이 나노 구조(나노미터 가는 섬유, 나노다공성 섬유)를 사용하느냐의 여부에 따라 구별되어야만 한다. 나노 입자들은 인조 물질(폴리머)로 소개될 수 있으며, 이 때 섬유는 나노 크기 혹은 더 큰 직경을 가지는 나노 복합 물질의 결과로부터 만들어질 수 있다. 그러나, 나노 미터의 가는 섬유들도 인조 나노 입자들 없이 인조 물질 또는 셀룰로오스로 제조될 수 있다. 이러한 경우에, 나노 섬유라는 용어는 섬유의 작은 직경으로 언급되곤 한다.
더 많은 가능성은 화학의 소위 “정제하기”이고, 섬유 표면들에 접착되거나 섬유 표면 상에 코팅된 나노 입자에 의한 자연적인 섬유이다. 그러나, 직물과 섬유는 인조 나노 입자들을 포함하지 않는 플라즈마 공정이나 스프레잉 또는 담그는 방법으로 형성된 나노 크기의 금속 혹은 폴리머 코팅으로 만들어질 수도 있다. 이러한 경우에 “나노” 섬유 제조는 코팅의 나노 크기로 언급되는 예로 사용된다.
응용 영역과 제품
섬유 산업의 새로운 물질 개발에서 나노 기술의 가능성은 중요하다. 한편, 존재하는 기능은 나노 기술을 사용을 향상시킬 수 있고, 새로운 특성으로 직물을 제조할 수 있게 하거나, 하나의 직물 물질에서 다른 기능을 조합할 수 있게 한다. 표 1은 사용된 나노 물질의 타입을 포함하여 나노 기술을 사용하여 얻을 수 있는 직물 물질의 향상된 전체 특성을 보여준다.
먼저, 지금까지 매우 작은 크기에서 생산되었음에도 불구하고 현재 응용들, 특히 더럽거나/더러운, 방수되는, 향균성의 직물들에서 실현 가능하다. 여기서, 매우 작은 크기로 생산된 것은 UV 방사선 보호를 가진 직물들과 특별한 바디 케어 물질을 포함하는 나노 캡슐들로 짜인 소위 '미용 직물'(예를 들어, 여성의 타이츠)이다. 또한, 카보 나노 튜브(CNT)를 포함하는 방탄 조끼들은 따뜻하게 하고, 습기를 흡수하는 직물과 같이 현재 이용 가능하다.
“스마트 의류들”은 직물 구조가 전기적인 기능 혹은 전기적으로 수행하는 옷이다. 그러나, 이러한 장점들에도 불구하고 아직 이러한 직물은 상업에서 사용되지 못한다. 상상되는 시나리오는 직물 재료를 가지고 완전히 융합된 나노기술을 이용하여 크기를 줄인 전자 소자를 포함한다. 이 직물 재료는 직물과 비직물 요소들이 식별될 수 없고 “바깥에서 침투한 외부 입자들”이 더 이상 볼 수도 느낄 수도 없는 결과를 초례 한다. 현재 첫 시도들은 여전히 예를 들어, 전통적인 의류 기술을 사용하여 직물 내로 짜여져 있는 신체 기능들의 감시하기 위한 전자 소자들 혹은 센서들에 초점을 맞추어 연구되고 있다.
 또한, 연구원들은 공기 중에 해롭거나 유독한 물질들, 독가스, 병원균(박테리아, 바이러스)의 필터로서 작용할 수 있는 나노 섬유로 만들어지는 직물 재료를 연구 중이다. 의학종사자, 소방관, 응급 서비스, 군인들은 모두 이러한 직물로 만들어진 보호용 옷을 착용하여 혜택을 얻을 수 있다.
어떤 나노 섬유들은 엄청난 양의 습기를 흡수할 수 있으므로 이 직물 재료도 살충제를 사용하는 농업에서 사용하기 위해 연구되어야 한다.
이러한 직물은 씨와 함께 심어지고 생장 기간의 끝에 썩을 수 있으며, 동시에 땅을 기름지게 한다. 심지어, 미래에는 음식이나 수술용 기구들의 표면을 닦음으로써 병원균을 감지하고, 색깔을 변화함으로써 사용자들을 따뜻하게 하면서 기록할 수 있는 직물 센서들이 출현할 것이다.
제조업자들에 따르면, 이미 많은 다른 나노 직물들이 국제적인 시장에서 사용되고 있다고 한다.
나노 직물의 과학적 공개의 연구는 가격면에서 경쟁력있도록 그리고, 나노 입자들의 통합이 다른 직물 특성들에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 많은 제조 방법들이 여전히 연구 중이다. 그럼에도 불구하고, 표 1에 보여진 모든 특성을 가지는 나노 직물들은 이미 시장에서 사용되고 있다. “나노”라는 단어는 종종 선전 목적으로 사용되고, 몇몇 제품들은 제조에서 나노 물질 또는 나노 기술 공정을 포함하지 않는다. 그러나, 이는 직물뿐만 아니라, 많은 다른 나노 제품에 적용되는 현상이다.
직물의 “나노 기술을 위한 호헨스테인 품질 라벨”
독일의 호헨스테인 기관은 사설 연구소이며, 직물 산업과 이와 연관된 산업에서 연구, 개발, 테스트, 자문, 보증, 기본적이면서 진보된 트레이닝의 서비스 기관이다. 연구 기관의 네트워크와 나노 물질들의 공급자들의 나노맷(NanoMat)과 협력하여, 직물 산업을 위한 나노 기술의 정의는 “나노 기술을 위한 호헨스테인 품질 라벨”을 위한 기본으로 만들어졌다.
나노 기술은 시스템적으로 크기에 의존하는 특성의 입자들로 구성되는 정렬된 기능 구조들을 제안한다. 따라서, 직물 제품은 섬유 내에 포함된 나노 입자들을 가지는 기반 혹은 섬유들이 나노 크기의 코팅으로 둘러 싸인 기반 위의 호헨스테인 품질 라벨에 적합한 능력을 갖추지 못했다. 게다가, 직울 상 혹은 직물 내의 나노 입자들 또는 나노층들은 그림 2와 같이 시스템적으로 정렬되어야만 하고, 이에 따라 새로운 기능을 초래한다. 동시에, 직물 특성에 부정적인 영향을 미치지 않아야만 한다.
게다가 호헨스테인 기관이 테스트할 수 있는 파라미터들은 편하게 입고 보호 관리에 대한 저항력을 포함한다. 이는 각각 품질 라벨에 기재되어 있다. 이 품질 라벨은 소비자와 회사에게 가치있는 것이고, 제품이 나노 직물 제품인지 혹은 나노라는 단어가 다른 일반 제품들과 달리 강력한 세일 표어로서 사용되고 있는지를 구별해 준다. 오직 네 개의 직물 제조회사만이 직물을 위해 “나노 기술의 호헨스테인 품질 라벨”의 이점을 가진다.
인조 나노 입자들이 나노 직물에서 풀어질까?
 위에서 설명한 바와 같이, 나노 입자들은 섬유 혹은 직물에서 통합될 수 있는 서로 다른 제조 공정들이 있다. 게다가, 나노 입자들을 직물 재료들(섬유 또는 코팅) 내로 얼마나 단단히 짜이는지에 대한 변동이 있을 수 있다.
이 직물이 어떤 것인지 결정하고 확장된 나노 입자들이 이 직물로부터 방출될 수 있다는 것을 전제하는 것은 이러한 요인들과 사용이다. 이 직물이 이용되는 동안 마모, 기계적인 영향, 광선, 물, 땀, 세제, 온도 변화 등에 의해 직물은 약 5-20% 파괴된다고 알려져 있다. 이에 따라, 가능성은 나노 직물이 개별 나노 입자들, 나노 입자들의 덩어리, 인조 나노 입자들을 가지거나 가지지 않은 직물의 작은 입자들을 풀어줄 수 있다고 배제될 수 없다. 그러나, 지금까지 수행된 몇몇 실험 연구들이 수행되어 왔다.
통합된 나노 입자들의 섬유로부터 만들어진 직물의 경우에서 적어도 지속되는 기능은 나노 입자들이 표면 코팅으로 존재하고 있거나 나노 입자들이 스며들어 있도록 더 가능성있게 나노 직물들과 비교되어 나타난다. 나노 은을 포함하는 직물에 대한 몇몇 연구들은 몇몇 제품들이 오직 한번의 세탁 후에 세탁물에서 35%의 은을 파괴했다고 한다.
건강 영향
어떤 나노 입자들의 제품 공정 동안 직업상 노출이 건강에 나쁜 영향을 미칠 수 있다는 것 같다. 그러나, 광범위한 위험 평가를 처리하기 위한 연구실과 동물 실험으로부터 현재 너무 적은 데이터만을 보유하고 있다. 특히, 길고 딱딱한 CNT는 현재 제조 과정에서 포함되는 위험한 것들과 노출로부터 적당한 보호를 가져야만 하는 사람들에게 위험한 것으로 간주되고 있다. 직물에 짜인 나노 입자들은 소비자의 건강을 위협할 수 있을 수도 없을 수도 있다는 범위는 아직 알려지지 않았다. 앞에서 언급한 바와 같이, 사용, 노화, 마모 등의 결과로서 직물로부터 나노 입자들이 방출될 수 없다. 그럼에도 불구하고, 적절한 연구들이 노출과 가능한 잠재 위험들을 명확하게 하기 위해 필요하다.
나노 은은 직물들과 소비제품의 넓은 영역에서 이미 향균 특성들을 위해 사용되고 있다. 몇몇 모호한 제품 가치는 잠재적으로 건강에 나쁜 영향을 주는 것과 상반된다. 한편, 나노 은 입자들(통합된 섬유 직물 또는 섬유 코팅)의 물질들은 냄새 없는 직물들을 제조하는데 사용된다. 또한, 나노 은은 신경피부염의 징후를 악화시키는 것으로 의심되는 황색포도상구균과 박테리아로 감염된 신경피부염(아토피 피부염)으로 고생하는 사람들을 보호하기 위한 옷에 사용된다. 이러한 임상의 연구들은 신경피부염의 경우에 나노 은으로 만들어진 직물들의 실제 가능한 영향을 지금까지 확신하지 못하고 있다.
위험 평가 독일 연방 기관(BfR)은 직물 위 박테리아의 감소에서 어떤 장점도 보지 못했고, 면역 시스템을 약화시키는 것과 은 저항 박테리아 계통 개발의 가능성과 같은 잠재적인 나쁜 영향들에 대해 경고한다. 그리고, 이 기관은 소비자들이 보안의 잘못된 감각을 개발하고, 일반적인 위생(옷 세탁)을 방치할 수 있다고 걱정하고 있다.
상재균에 대한 직물 내 나노 은의 효과들
최근 몇 년 동안, 나노 은을 이용한 항 박테리아 직물들은 박테리아의 수를 줄임으로 냄새 형성을 최소화하기 위해 개발 되어 왔다. 소금기 없는 땀은 초기 전부 냄새가 없다. 어떤 범주에서는 불쾌한 일반적인 몸의 냄새를 만드는 오직 상재균(skin flora)의 어떤 박테리아의 영향이다. 은 이온들은 박테리아의 폭넓은 스펙트럼에 대항하여 효과적이다. 이 메커니즘이 냄새 형성 박테리아를 죽이는데 사용되어 왔다고 생각된다. 즉, 살과 접촉했을 때 불특정한 효과가 상재균에 기대될 수 있다. 호헨스타인 연구소는 항 박테리아 직물들을 가지고 체외 실험을 수행했고 상재균에 대한 이 직물의 효과들을 검사했다.
이 결과들은 박테리아가 항균 처리된 섬유들을 가지로 매우 가까이 혹은 직접 접촉했을 때만 확실히 죽는다는 것을 보여준다. 인체 상재균의 경우, 처리된 섬유를 가지고 직접 접촉했을 때만 영향을 끼친다는 것을 의미한다. 그러나, 직물의 구조와 섬유의 종류에 따라 피부에 수 직물 섬유만이 직접 또는 간헐적인 접촉 부분들 가지기 때문에 상재균의 급격한 변형은 박테리아의 수 측면에서 기대될 수 없다.
또한, 멸균제에 대한 조사들은 상재균 박테리아의 약 20%가 멸균제가 도달하기에 피부 내 너무 깊이 위치하고 있다는 것을 보여준다. 이 박테리아 밀도는 짧은 기간 동안만 감소되고 얼마 후 피부 박테리아는 부족한 수를 채우기 위해 더 깊은 피부 속(땀구멍이나 모발)에서부터 다시 채워진다. 이 같은 효과는 나노 은을 사용하는 고에서 기대될 수 있다. 그러나, 은 나노 입자들은 너무 작기 때문이 더 깊은 피부 층 내로 침투할 수 있고 상재균에 항균 효과가 있기 때문에 더 많은 조사들이 필요하다. 지금까지 인체 상재균에 직물 내 나노 은의 장기간 효과 연구가 전혀 없었다.
환경 영향
직물로부터 나노 입자의 방출에 대한 조사가 없었음에 따라, 환경에 대한 나노 입자의 잠재적 위협은 평가될 수 없다. 그러나 아마도 대부분 나노 입자들은 오폐수를 통해 환경으로 들어가는 세탁 동안 방출된다. 이 경우 주된 나노 은의 항 마이크로 항균 특성들은 은 이온들이 수중 생물들뿐만 아니라 토양 내 마이크로 생물들에 유독하기 대문에 나노 은을 위험하게 만든다. 게다가 하수 공장들 내 오폐수의 생물학적 정화에서 사용된 박테리아의 손상은 방지할 수 없다. 초기 연구들은 나노 은이 다른 양과 형태로 직물에서 방출될 수 있다는 사실을 구체화한다. 어떤 연구는 세탁기 내에서 세탁하는 동안 9 가지 다른 천 들에서 방출되었던 나노 크기 또는 더 큰 은의 양과 형태를 조사했다. 방출된 은의 퍼센트는 1.3 내지 35%로 개별 제품 사이에서 심하게 변했고 제조 방법에 따라 변한다고 결론지었다. 섬유 내로 짜인 은을 가진 제품들은 매우 작은 양의 은을 방출했다. 은은 450nm이하의 입자크기 내로 세탁기 안에서 세탁된 물질들로부터 대부분 방출 되었다. 이는 작가들이 기계적인 영향의 중요성 표시로써 해석했다. 섬유의 수 마이크로 미터 두께 은 코팅된 일반적인 은 정제된 제품은 방출된 은 입자들의 크기 분포에 따라 현격한 차이점들을 찾아볼 수 없었다.
나노 직물들의 제조 내에서 또한 사용되고 있는 나노-타이타늄 이산화물은 점재적인 환경 영향 때문에 위험성을 고려 되어야만 한다. 물과 자외선 누출될 때 나노 타이타늄 이산화물은 수중 마이크로 생물들에 유독한 유해 산소를 생산한다. 이는 물의 생태학적 균형을 손상시킬 수 있다. 그러나, 자연 생태계에 대한 영향이나 독성의 메커니즘들에 대한 조사는 여전히 전무하다.
그림 1 : 나노 섬유의 제조(NP : 나노입자들, CNT : 탄소 나노 튜브)
표 1 : 직물 응용 연구에 사용된 나노 물질의 개관과 목적에 달성될 수 있는 직물 응용의 가능한 기능들.
그림 2: 왼쪽- 직물 상에 시스템적으로 배열된 나노 입자들. 오른쪽-시스템적이지 않게 배열된 나노 입자들.
출처 : http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=19451.php
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