|
머리말
지난 2013년 1월 30일부터 2월1일까지 도꾜 빅사이트에서 “나노테크 2013”이 개최되었다 이 전시회에서 소개된 섬유관련 나노테크 기술을 중심으로 나노테크롤로지를 이용한 파이버․텍스타일의 연구개발 동향을 소개한다.
1. 나노테크놀로지의 위상
NEDO(신에너지․산업기술총합개발기구)의 기술전략으로 나노테크놀로지는 다음과 같은 위상을 갖고 있다.
나노테크놀로지는 물질의 원자․분자 수준에서의 미세하고 치밀한 제어에 의해 표면적 효과와 양자효과 등 새로운 현상과 효과를 기대할 수 있는 궁극의 목표를 만드는 기술로, 정보통신, 환경, 에너지, 라이프사이언스 등의 다양한 분야에서의 기술혁신의 실현에 공헌할 것을 기대하고 있다. 한편으로는, ①나노테크놀로지는 사업화되기 어렵다, ②실용화까지 기간이 길다, ③출구(응용분야)가 다양하기 때문에 특정 출구와의 관련이 약하다, 등의 특징이 있는 것으로 알려져 있다.
2. 나노테크 전의 개요
1) 개황
작년과 마찬가지로 NEDO의 부스가 일시에 눈에 띄어 방문객들의 주목을 받았다. 한국과 대만, 스페인 등 해외 부스도 충실하였다. 주최자는 금년 전시회가 지금까지 가장 규모가 크다고 하였으나, NEDO의 거대한 부스 이외에는 전체적으로 그리 큰 규모는 아닌, 출품 기업 수도 적었던 것으로 생각되었다(대학 등의 연구기관은 많았다.).
섬유관련 나노테크놀로지는 전계방사(electro spinning) 등에 의한 나노 파이버와 카본나노튜브 등 극세 탄소섬유에 관한 것이 중심으로, 섬유관련 전시품은 극히 적었다. 특히 전계방사 나노 파이버는 전자재료, 의료재료 등 특수분야에서의 전개는 기대되고 있으나, 연신이 걸리지 않아 강도 면에서 문제가 있기 때문에 섬유관련 용도는 필터 주체로, 최종용도 찾기에 어려움을 겪고 있다.
2) 유기 나노파이버
①테이진 : 나노프론트
나노프론트는 기본적으로 해도형 극세섬유 제조기술을 응용한 단섬유경 700nm의 연속 장섬유 나노파이버이다.
.jpg)
Nanofront(特開2009-091680)
그 제조법은 그림과 같은 방식으로 생각된다. 원사는 56dtex의 10 filament(fil)로 알칼리 감량 후 39dtex의 8360fil이 된다. 나노프론트는 이미 각 분야에서 응용 전개되고 있고, 이번에는 이들의 제품이 주된 전시였다. 전개 분야는, glove, 양말, 고성능 와이퍼, 액체 필터, 수처리 필터용 여과지, 차열제품(우산, 모자), wipe 용 sheet, 고성능 에어필터, 정밀 연마 pad 등이다. 여기서 나노프론트의 차열효과는 나노파이버 층이 적외영역의 광을 차단하기 때문에 발현하는 것으로 설명하고 있다.
.jpg)
Nanofront 전자현미경 사진(좌로부터 원사 단면, 직물 단면, 직물 표면)
②도레이 : 혁신 나노파이버
도레이는 브랜드 방사기술에 의해 나이론 폴리머를 이용한 나노파이버를 개발하였으나, 이것은 섬유가 연속적이지 않고 굵기도 불균일하다. 이번에 전시된 것은 그 후에 발표된, 기본적으로는 해도형 섬유제조기술에 의한 연속 장섬유이다. 독자의 혁신적 나노파이버 기술을 진화시켜 세계 최고 수준의 단섬유 직경 150nm 수준의 초극세 나노파이버와 단면방향으로 수백 nm 수준의 요철을 형성시킨 Y 단면 나노파이버 제조를 가능하게 하였다.
.jpg)
도레이의 혁신 나노파이버 구조
③ 테이진 : 내열성 나노파이버 부직포, 아라미드 나노파이버
내열성이 우수한 메타계 아라미드 섬유 “코-넥스”를 기반으로 한 직경 수백nm의 균일한 극세섬유로, 부직포 형상으로 용도 전개한다. 주 용도는, 전지 분리막과 고성능 내열필터 등 고도의 내열성과 박형 설계를 요구하는 분야에 용도전개를 기획하고 있다. 전시 패널에서는 제법이 나와 있지 않았으나, 이 회사의 아라미드 극세 섬유의 최근 특허에서는, “아라미드 폴리머를 용제에 용해하고 이 용액을 토출 공을 통해 응고 욕 중에 토출한다. 토출 시에 폴리머 토출 공의 외측에 동심원상으로 설계한 노즐로부터 분출된 기류를 작용시켜 이 폴리머 용액을 토출 경으로부터 토출시키면, 이 폴리머는 노즐로부터 분출된 기류에 의해 패드 상으로 되어 연속적으로 고화된다.” 것으로 기술되어 있다.
3) 무기 나노파이버
①宇部(우베)興産 : 광촉매 섬유
우배는 무기기능섬유(티라노섬유)를 제조하는 기술을 보유하고 있다. 이 기술을 이용해 실리카(SiO2)와 티타니아(TiO2)로 만든 광촉매섬유(직경 6~8㎛)를 개발하였다. 아나타-제 형의 티타니아의 높은 광촉매 활성과 실리카에 의한 유리섬유와 동등의 강도를 갖고 있다. 주 용도는 수질과 공기 정화용이다. 수질정화의 경우 UV 살균등과 병용하면 대장균 세포까지 분해할 수 있다.
②일본 바이린 : 섬유상 나노분체
信州(신슈)대학(村上 泰 : 촉매 졸겔법)과 공동연구로 무기소재로부터 섬유상 나노분체 제조에 성공하였다. SiO2, ZrO2 등으로 섬유경(1㎛~100nm)과 섬유길이 조정이 가능하다. 고강도화, 열전도성 향상, 전기․광학특성 향상 등을 목적으로 복합재료용 필러, 각종 담체, 전극재료 등으로 전개할 수 있다.
.jpg)
섬유 상 나노분체의 예
4) 전계방사법
전계방사법(electro spinning)이란 2,000~20,000 volt의 고전압을 고분자 용액에 넣은 노즐 선단과 기판 사이에 가해, 하전된 고분자를 노즐 선단으로부터 분사, 기판 상에 부착시키는 방법이다. 노즐 선단으로부터 고분자는 작은 직선상으로 분출되고, 그 후 스프레이 되어 기판 상에 부착된다. 용매는 그 사이에 증발한다. 나노파이버가 간단히 만들어지나, 생산성이 극히 낮고 섬유에 연신을 걸 수 없어 강도가 낮다는 등의 결점이 있다.
.jpg)
Electro spinning 원리도
A : 전계방사 장치
3개의 회사가 전시하였다.
① Kato Tech
대량 방사장치인 시험기를 전시하였으나, 실용기로 1.5m 폭으로 속도 1m/분의 장치를 발매한다고 한다. 동 방식으로 한다면 저 코스트에서의 생산성은 가능하다. 제품 전시는 폴리우레탄 나노 파이버 부직포를 내층으로 한 방한복을 전시하였다.
②Elmarco
노즐을 사용하지 않는 독자의 기구(그림 아래), production line으로 0.5m 폭에 속도 2m/분의 장치가 있다. 또 실험실용으로 용융방식의 장치도 있다.
.jpg) .jpg)
③TOPTEC
한국의 전계방사 벤처기업이다. 信州대학 부스에 팜플렛이 놓여있었다. 이 대학의 FII 棟(기업과 섬유 첨단연구 공동시설)에도 설치되어 있다. 제조장치 사양은 1.8m 폭, 속도 1m/분이다.
④ 廣瀨(히로세)제지
폴리머 용액을 넣은 용기에 50kV의 전압을 가해 포집부로 된 기재(기존의 부직포)에도 동일한 전압을 가한다. 이 기재를 폴리머 용액 상을 통과시킴으로써 기재 구석구석까지 나노파이버를 흡착시켜 나노파이버 부직포를 제조한다. 섬유 경은 약 200nm이다. 기재인 부직포는 벨트 컨베이어로 용액상을 통과하기 때문에 막힐 염려 없이 대량생산이 가능해, 월 1만㎡ 생상도 가능하다. 또 제조 코스트로 기존 방법의 1/3에 불과하다.
B : 전계방사 나노파이버의 활용
①NEDO : 초 성 에너지 형 환경청정화용 복합기능화 나노구조 에어장치 연구개발(東工大, 일본 에어필터, 일본 바르카 공업, 쿠라레)
전해방사법으로 제작한 직경 100nm 이하의 나노파이버를 이용, 0.1㎛ 입자 포집율 99.9% 이상을 목표로 압력손실 100Pa 이하의 필터 성능을 달성하였다. 나노파이버의 항균성 부여기술과 탈취, 조습기능을 복합 일체화한 것으로 성 에너지, 쾌적성도 뛰어나다.
②山口대학 : 나노미터 사이즈의 금속중공섬유, 전도성을 갖는 극세 유황섬유
-나노미터 크기의 금속중공섬유 : 고분자(PMMA, PVDF-HFT 등)을 전계방사로 나노파이버화 한 후 이것을 우물정자 형으로 해 금속산화물(CuO, NiO 등)을 무전해 도금법으로 박막으로 복합화 시킨 후 열처리와 유기용매 처리로 고분자를 제거해 금속화합물 튜브를 제조한다. 고 용량 전지, 충전기용 전극재료에 사용한다.
-전도성을 갖는 극세 유황섬유 : 전계방사법으로 극세 유황섬유를 제조, 전도성 폴리머(폴리비닐 등)로 표면흡착 또는 도금법으로 표면을 피복한다. 용도는 위와 동일하다.
5) 고기능 섬유기술
①NBC meshtec : Polyarylate 섬유 mesh "V screen"
Polyarylate 섬유(쿠라레, 벡트란)를 심부에, 초부에는 PEN(폴리에틸렌나프탈레이트)(해성분)와 벡트란(도성분)의 해도구조를 한 섬유를 이용한 mesh로, 고성능 섬유를 이용함으로써 강도를 유지하면서 극세화가 가능하게 된다. 벡트란의 피브릴화 문제가 있으나, 그 대책으로 초성분을 굴곡성 폴리머와 벡트란의 해도구조로 한 것이다. 저신도, 고강도, 고탄성율이 있고 높은 인쇄 치수 정밀도, 고 내구성, 고 해상도를 실현할 수 있다.
3. 나노테크놀로지를 이용한 텍스타일
섬유업계에 있어서의 나노테크 붐은 이미 떠나갔다고 생각된다. 기본적으로는 기존 기술의 응용으로, 진정한 나노테크 효과(표면적 효과와 양자효과 등, 새로운 현상과 효과를 기대할 수 있는 궁극의 것을 만드는 기술)의 제품이 개발되지 않기 때문으로 생각된다. 지금까지 발표된 것은 매우 많으나 이들 나노테크 소재 중에서 필자가 주목하고 있는 소재를 소개하면 다음과 같다.
①도레이 : 멸균세탁 대응 고 내구성 소재
나노스케일 가공기술인 “나노모디”에 의한 상품화 예로, 후 가공에 의해 PET 멸균세탁 대응 소재를 만드는 기술이다. 나노가공기술에 의해 후 가공단계에서 PET 섬유 분자 말단을 가공제로 부분적으로 봉쇄해 PET 폴리머 쇄의 활성말단을 불활성화 함으로써 내 가수분해성 향상을 발현시키는 것이다. 본 기술은 후가공방식이기 때문에 모든 폴리에스터 소재에의 대응이 가능하다.
.jpg)
도레이의 나노모디 가공 이미지
②테이진 : 카본 나노튜브(CNT) 파이버
테이진의 아라미드 제조 자회사인 네덜란드의 테이진 아라미드가 미국의 라이스대학과 공동으로 개발한 것으로, 금속 와이어와 동등의 전지전도도와 그라파이트 섬유에 필적하는 열 전도성(중량 비)를 갖는 CNT100% 섬유이다. 파라계 아라미드 섬유인 토와론의 방사법인 습식액정 방사법으로 양산이 가능하다.
.jpg)
테이진의 CNT 파이버단면
③쿠라레 : CNT를 피복한 전도성 섬유(CNT 코팅 폴리에스터 섬유), CNTEC
北海道대학이 개발한 CNT 분산기술을 이용한 PET 멀티필라멘트에 CNT를 코팅한 것이다. 코팅에 있어서는 원사 프린트 방식을 이용하였으나, 기존방식으로는 바인더를 넣은 CNT 분산액을 멀티필라멘트 표면의 섬유에 부착하는 것만으로는 실 다발 심부의 섬유까지 액을 침투시킬 수 없다. 따라서 CNT 분산액을 실에 접촉시킬 때에 특정 주파수의 극세 진동을 부여해 실 다발 심부에의 침투성을 올렸고, 또한 과잉으로 부착된 분산액이 진동으로 떨어짐으로써 실 표면에 균일한 도막을 만들 수 있는 방법을 개발하였다. 발열재로로 용도전개중이다.
.jpg)
CNT 코팅된 섬유 다발
参考文献
１．各素材の図・写真・説明文章は、
展示会場にて配布されている該当機関のパンフレットを引用
２．極細径連続繊維の製造方法 帝人テクノプロダクツ 特開2012-180611
３．広瀬製紙ホームペイジ
４．東レプレスリリース 2011年10月20日
５．帝人プレスリリース 2013年 １月31日
６ ．クラレリビングプレスリリース 2007年10月９日
출처 : 일본 염협뉴스(201년 11월, 12월)
信州대학 섬유학부 특임교수 山崎義一(야마자끼요시카쯔)
-손성군 통섭섬유 연구소
|
