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목차 섬유정보팀 1. 나노섬유의개요 1 1.1 나노섬유의정의 1 1.2 적용기능분야및적용예 3 2. 국내유기나노섬유의산업분석및기술동향 4 2.1 고효율, 초기능성분리기능나노섬유소재 5 2.2 생체활성나노섬유소재 10 3. 선진국나노기술을이용한섬유산업분석및동향 13 3.1 고효율, 초기능성분리기능나노섬유소재 13 3.2 생체활성나노섬유소재 20 4. 시장전망 22 4.1 나노섬유관련산업의성장성 22 5. 나노섬유의미래 25 5.1 향후산업동향과정책방향 25 5.2 나노섬유의향후시장전망 26 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28
1. 나노섬유개요 1.1 나노섬유의정의나노섬유란? 엄밀한의미에서보면 1 ~ 100nm 의직경을가진섬유를말하나, 국내외의나노섬유에관한기술을보면서브미크론사이즈까지포함, 즉직경이 1nm ~ 1,000nm(1μm) 정도를일반적으로지칭하고있다. 나노섬유기술이란? 하나의고분자사슬이집합하여나노섬유 (Nano-Fiber) 가되고, 최종형태가섬유, 박막, 부직포가되는매우광범위한가공기술 로정의할수있다. 최근회자되고있는나노섬유는주로전기방사 (Electrospinning) 나이를개선한방법으로제조된섬유를말하는경향이있으나, 나노섬유의의미를좀더넓혀서봤을때제조방법에따라크게나노방사분야와나노구조섬유분야로나누어볼수있다. 1.1.1 나노방사나노방사분야는섬유직경이나노크기인섬유를직접제조하는것으로복합방사, 부직포방사및직접방사등의방법을통하여제조할수있다. 섬유의크기를나노크기로제어함으로써기존의기능을크게향상시킬수있고, 의류용뿐만아니라필터, 에너지저장소재및의료용까지그용도를넓혀가고있다. 1 복합방사법 (Top-Down 방식 ) 일본이최고의기술수준을보유하고있는분야이다. - 해도형방사 : 전기방사나멜트블로운에비해지름편차가적은것이장점 - 분할형방사 : NP 복합사, PET-CO-PET 등 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 1
2 부직포방사법 (Bottom-Up 방식 ) 주로미국, 유럽에서연구개발중인분야로, 한국의경우중소기업의독자기술개발로제조기술이이미상업화단계에있으며, 이분야에서세계최고의기술수준을보유하고있다. - Electro-Spinning : 전하차이를이용하여제조하는방법으로단섬유로이루어진부직포형태의나노웹 ( 지름약 15nm~2μ) 을제조한다. - 스펀본드법 : 용해방사를통해섬유를공기로고속처리하여분산하면서제조한다. - 멜트블로운법 : 용해된고분자를열풍으로날려제조한다 ( 크기 : 1μ~ 수 μ). 3 직접방사법원하는섬도의섬유를직접방사하는방법으로, 극세화후공정을거치지않으므로제조원가가절감되는장점이있으나, 나노단위의극세섬도에는설비상한계를지닌다. 1.1.2 나노구조섬유섬유두께에상관없이내부, 외부, 표면에나노크기로제어되는정밀한구조설계를통해신기능을발현하는섬유를일컫는다. 이와같이나노수준의입자나구조의제어를통해섬유의고기능화를도모하는것이목적이다. 특히최근웰빙형제품이각광받으면서나노분말과광촉매를실생활에적용하여건축재, 가전제품, 화장품등의생활용품에적용하는제품들이출시되고있는데, 섬유분야에있어서는항균 / 위생기능을지닌나노실버를중합단계나방사시적용하여살균, 탈취및전자파차폐의특성을부여하는연구가가장활발하게진행되고있다. 또한후가공공정중에나노구조를발현하는연구도진행되고있다. 최근보도자료에따르면가네보社 ( 日 ) 는나노코팅된내복을출시하여좋은반응을얻고있는데, 이제품은나노입자를내복표면에코팅함으로써땀을더잘흡수하여쾌적한느낌을부여하는특징을가지고있다. 1.1.3 기타 1 카본나노튜브 (Carbon Nano-Tube : CNT) 직경이 nm, 길이가수 μm의중공원통상의형태를지니며우수한전기적특성및뛰어난강도로인해최근가장각광받는분야중하나이다. 섬유분야에서는탄소나노튜브를활용한전도성및기능성섬유소재개발등에적용되고있다. 용도 : 리튬 2차이온전지나연료전지등의첨단전자소재및나노 Composite 강화재료등에적용된다. 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 2
Nano-Clay 나노두께를가진판상의물질로강도, 내열성, 가스차단성등의특성을향상시킬소재로연구되고있는분야이다. 섬유분야에적용시균일한분산이관건이다. - 용도 : 주로자동차내 / 외장재, 전자부품, 포장재, 항공기부품용등에적용된다. 2차원구조체나노섬유를연속화하여나노코팅 ( 수십나노미터이하인박막필름을제작하는것 ), 나노패브릭 ( 투명다공재료 ), 미크로패브릭 ( 불투명부직포 ) 등을제조함으로써그용도를확대시킬수있다. 1.2 적용가능분야및적용예 1.2.1 필터소재분야 - 기존초극세섬유보다큰비표면적을지니므로기체 / 액체의여과효율및공극률이높음 - HEPA(High Efficiency Particulate Arrestor) 및 ULPA(Ultra Low Penetration Absolute) 급특성을갖는고효율필터용 - 공기청정필터, 수처리필터 1.2.2 극한환경방호소재분야 - 분리막적특성에의해호흡성, 액체차단성, 바람차단성지님 - 전투복, 스포츠 / 레저분야용제품, 특수보호복 ( 화생방복 ), 초경량복합재료 1.2.3 차세대에너지저장소재분야 - 차세대고에너지밀도의고효율전지개발 (2차전지용 ) - 수소저장용나노소재 1.2.4 의료용소재분야 - 수분및통기성이좋고, 세균으로부터상처를보호하고상처치유후제거가용이한장점 - 상처보호용 Wound Dress, 인공피부, 혈액투석, 인대 - 세포의인공배양에도활용 1.2.5 Coated Fabrics - 스포츠 / 레저웨어및용품, 건축용 fabrics 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 3
1.2.6 클리너용섬유소재 - 클린룸용 - 정밀화학 / 의약및코스메틱용 1.2.7 탄소섬유소재 - 고효율전극재, 고용량캐퍼시터, 세퍼레이터, 전자파실드 2. 국내유기나노섬유의산업분석및기술동향 21세기첨단산업에서는기존소재의성능한계를초월하는소재및응용기술이요구되며섬유분야 Nanotechnology(NT) 인유기나노섬유의제조기술은기존부직포, 필터소재및초극세섬유기술의한계를극복하는신기술로 IT, BT, ET 산업등 21세기첨단산업분야에서차세대신기술및신소재를창출하는매우유망한섬유분야이다. 극미세나노섬유소재기술의응용분야로는기존기술및소재성능의한계를극복하고고성능을구현하는고효율초기능성필터및초극세섬유산업분야의응용확대를도모할수있다. 차세대고효율이차전지분야, 방호복혹은의료용보호복 (protective clothing), 붕대, 의약전달계등을포함하는의료용, solar sail, light sail, mirrors 등의우주항공분야의용도, 작물에대한살충제응용분야, 인공장기의구조물, 복합강화물에대한응용및반응성을높이기위해넓은표면적을요구하는분야등에적용가능하다. 또한고분자나노섬유를전구체로한세라믹이나탄소로구성된나노섬유를고려하면응용분야가보다확장되며전하방사공정은도료나탄소입자와같은입자상의물질과함께용이하게적용할수있다. 그리고 Micro 혹은 nano electrical mechanical and optical systems(mems or NEMS) 에적용하기위해서도적당한크기의 Flexible fiber가필요하다. 나노섬유는구동벨트나강화네트 (reinforcing net ; extremely thin composites) 로서 MEMS 에사용될수있으며이들은특히효과적인필터나액체흡수섬유로만들수있다. 뿐만아니라고온초전도체로구성된나노섬유나나노와이어를쉽게제조할수있으므로 MEMS와 microelectronics 분야에새로운장을열수있을것으로기대된다. 유기나노섬유연구는국내에서는부산대등에서수년전부터추진되어왔으며, 고성능필 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 4
터, 고기능성탄소나노섬유, 고효율 2차전지재료로서의가능성에주목하여왔고의료용소재연구도진행되고있다. 2.1 고효율, 초기능성분리기능나노섬유소재 2.1.1 고효율초기능성필터소재필터매체중가장중요한계열이부직포이다. 필터는대개매트릭스혹은미세섬유덩어리로구성되어있으며필터의응용분야에서원하는크기의입자를제거할수있을정도로충분히작은공극혹은두꺼운두께를유지하여섬유간의간격을좁혀서원하는효율을얻도록구성되어있다. 이를적용하는응용분야에따라패널, 주름카트리지, 디스크등의적당한형태로제작된다. 국내부직포산업의경우국제적인시장추세를반영하여 90년대부터생산고도화에따른품질수준의개선및생산량의증가를이루었으나, 일부기업을제외하고는범용기술 소재에의한제품생산이대부분으로서부직포여재 HEPA 필터는개발되지않았으며 ( 주 ) 제텍스와우다섬유에서정전여재필터를생산하고있으나주로공기정화기, 진공청소기용, 일반공조용으로개발하고있다. 정전부여부직포의경우는중성능정전부직포가상업화되어있으며주로자동차용캐빈필터로써중성능필터급이고 HEPA 급이상의필터소재는소재의종류와무관하게전량수입하여필터유니트를제조하고있다. 부직포의주요시장중하나는액체와기체에사용되는필터시장이며, 기체용필터는기체중의특별한물질을제거하는용도로사용되고대개의경우는먼지와같은고체이며, 액적인경우도있다. 산업용여과지는복합화력발전소의 gas-turbine 용 air filter, 연마, 절삭등산업용공작기계의 filter류, dry cleaning용 filter류및 compressor용 filter류제품의핵심소재로사용되며자동차용과같이기계류의원활한작동에필수적인불순물제거가주요기능이다. 현재산업용여과지는 65% 이상이미국과일본에서수입되고있는데, 수입여과지가고가이기때문에국산화가필요한실정이고대량수요처인한국전력에서는국산품의품질만검증되면수요전량을국산화하겠다는의지를밝히고있어산업용여과지부문에서는품질개선만뒷받침되면큰폭의신장을이룰수있을것으로전망된다. 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 5
필터에서작은입자를여과하는여과효율을높이는한가지방법은필터매체중에적절한직경의섬유를사용하는것으로, 나노섬유는이러한용도에최적이다. 나노섬유는무게대비지극히넓은표면을가진특성이있으므로이를기체나액체중의입자를분리하는데사용할수있다. Electro-spun 나노섬유로구성된필터는표면적이넓어여과효율이높고공극률이매우높아필터중발생하는압력강하가적다. 또한, 공정의적용이용이하여기존부직포등의소재에코팅이가능하다. 표면활성나노섬유는 0.1~1μm 크기액적의제거를위한고효율 Coalescing filter 신소재창출이가능하다. 고효율, 초기능성 filtration 소재기술 - 유리섬유여재 HEPA 필터대체로, 멜트블로운에의한극세섬유부직포와고어텍스를이용한 HEPA 필터가있으며, 고어텍스 HEPA 필터는 HEPA 에서 ULPA 필터에이르는고효율필터임. 특히, BF3 가스등의문제점이없어반도체공정등에적용되나고가임. - 가스발생원이없는소재로저가의고기능성필터를제조하는연구가요구됨. 결국 Nanofiber 소재기술은차세대 ET 산업분야의초기능성, 고효율 Filtration 소재창출에매우유망한기술이므로개발의필요성이매우크게요구된다. 2.1.2 차세대에너지저장기능나노섬유소재 이차전지는반도체, LCD 와함께 21세기 3대핵심전자부품으로손꼽히고있으며, 노트북 PC와휴대전화등휴대형정보통신기기의성능향상과경량화열쇠를쥐고있다. 현재리튬이차전지의주시장인리튬이온전지 (LIB) 는일본에서개발되어전세계시장의 90% 를장악하고있고부품소재역시거의대부분수입되는참담한현실이며차세대전지인폴리머전지기술 (LIPB) 도 Bellcore 에서원천기술선점을하고있는바이원천기술을극복하는상용폴리머전지기술은아직국내에서는확보되지못했다. 현재국내의리튬이차전지시장은일본의도시바, Sanyo, 히다치막셀, 소니등이장악하고 있으며이러한리튬이차전지분야에참여하고있는국내기업은 LG화학, 삼성SDI, SKC, 한일베일런스, 로케트전기등이있다. 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 6
전체적으로현재국내기업들은이차전지개발과관련하여외국의선진기업과비교하여원천적인기술과축적된노하우가부족하고. 기초소재, 화학분야의기술력이미비한상태로좀더활발한연구와기술교류가필요한실정이다. 더욱이핵심기술을보유하고있는일본등선진기업들이기술이전을꺼리고있어독자적인이차전지개발이불가피한실정이다. 앞으로 IMT-2000과같은서비스가상용화되면동화상의구현등에너지소비가큰서비스가주종을이룸에따라장시간사용할수있는배터리의중요성은더욱더부각되고있다. 작은크기에용량이큰배터리의조건을충족시키는전지는현재가장각광받고있는폴리머전지이며, 이리튬폴리머전지 (LIPB) 는최근상용화되기시작하여휴대폰을대상으로조금씩시장이형성되어가고있다. 폴리머전지중에서도리튬계관련전지인리튬폴리머전지가폴리머전지를주도하고있는데그것은리튬계이차전지가전위차가크고제조가용이하기때문이다. 국내사업체의개발동향 - LG화학 : Gel-type 전해질의안전성과유연성을이용하여차세대초경량, 초박형이차전지인 LIPB 개발연구. - 삼성SDI : 1998년 11월에에너지밀도가획기적으로향상되고 LIB보다무게가 30% 감소된차세대 LIPB 개발. - 바이어블코리아 : 2000년 2월에 LIPB 자체적으로개발하여시제품을생산 (30만셀/ 월규모 ). - SKC : 98년원통형 18650 및각형 863448을개발. 99년고기술, 고부가가치 6mm대이하의박형전지개발완료. - 기타 : 이밖에도세방전지, 새한및여러벤처기업등이 LIPB 사업에참여. 2.1.3 극한환경방호기능소재나노섬유 fabric 은박테리아등미세입자는통과시키지않으면서구조적으로땀등을배출할수있는호흡성 (breathable) 을가지며, 막의외부에서액체가들어오지못하도록제조가가능하고 (liquid barrier) 방풍성 (wind barrier) 을가지고있다. - Electro-spun 나노섬유 fabric 은 Membrane-like textile. - 극한환경초기능성 Smart Fabric 제조가가능하다. 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 7
2.1.4 활성탄소나노섬유소재 탄소소재는첨단산업분야의매우중요한핵심소재로활용되고있다. 활성탄소섬유는탄소섬유에활성화공정을거치면서제조되며활성탄소섬유의특징으로는 - 흡착에관여하는미세공 (Micropore) 의발달이우수 - 세공직경의높은단분산성 (10 ~20A ) - 세공의크기를임의적으로조절가능 ( 분자체, Molecular Sieve) - 특정물질을선택적으로흡착하여분자체 (Molecular Sieve) 역할가능 - 높은흡 / 탈착속도, 높은순도 : Ash 0.1 % 이하 - 섬유의직경이작기때문에흡착제외부및내부의물질이동저항을최소화 - 높은비표면적, 단위중량 ( 부피 ) 당흡착량이큼 - 분진발생이적고경량으로취급이용이 (Buk Density : 0.01 ~ 0.2g/cc) 등이있다. 현재사용되고있는환경기능성소재에는활성탄 (activated carbons) 및활성탄소섬유 (activated carbon fibers) 와같은활성탄소, 제올라이트 (zeolite), 그리고이온교환수지와같은흡착제등이있다. 활성탄소는제조원료, 활성화의과정, 그리고활성화의정도에따라다양한비표면적과세공의크기및구조를형성하여용도에따라다양하게연구되어져왔다. 특히, 활성탄소는기공구조가비교적잘발달되어있고표면적이커서양호한흡착성능과빠른흡착속도를가지므로양조및제당등의식료산업에서의탈색및탈취, 촉매의담체, 용제의회수등에경제적으로이용되고있다. 최근부각되고있는활성탄소섬유는 20A 이하의미세기공이균일하게이루어지기때문에비표면적이월등히커우수한흡착특성을보이는구조를갖고있다. 기능적측면에서는제올라이트와거의비슷하기때문에사용환경의조건에관계없이광범위하게사용할수있어다양한기술개발에응용되고있다. 이러한다공성흡착제들은공장폐수, 하천의부영양화현상뿐만아니라굴뚝에서나오는 SOx, 악취제거, 자동차배기가스정화, NOx 제거공정등의환경문제해결에서핵심적인역할을담당한다. 또한다공성흡착제중대표적인활성탄소는발달된기공뿐만아니라다양한표면관능기를가질수있어가스분리, 제거, 농축, 유기용제회수, 중금속회수, 제거, 탈취제, Super capacitor, Double layer capacitor, 정수용흡착제및인공장기 ( 심장, 혈관 ) 등광범위하게사용 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 8
할수있다. 범용 grade 탄소섬유는태광산업에서소량생산하고있으나, 고기능성활성탄소섬유는국내에서생산되지않으며전량수입되고있다. 표면활성나노섬유의탄화및기능화부여는고효율, 초기능성탄소나노섬유 web의제조가가능하여 21세기환경산업, 반도체산업, 그리고생화학물질의제거기능이뛰어난신소재창출이기대된다. 2.1.5 나노섬유 yarn 소재및초극세섬유소재고분자를이용하는나노섬유는다양한방법으로접근하고있지만기술적으로는아직초기단계에머물고있어상용화된것이없고기존기술의초극세사는이미상용화되어있다. 초극세사의제조기술기반은다음과같으며이기술을근간으로새로운제품이창출되고있다. 단성분방사 - 직접방사 : 세섬도화의한계즉, 0.1d 수준까지가능. 원사생산성이저하되는단점이있음. - 특수방사 : 멜트블로우 (Melt-blow) 법, 플래시 (Flash) 방사법, 슈퍼드로우 (Super draw) 법등이있으며주로방사와동시에부직포형태로제조, 가공하기때문에다양한용도전개가어려운단점이있다. 다성분방사 - 복합방사 분할형섬유 : 추출형복합방사의단점즉, 한성분을추출함으로서많은중량감소가발생하는것을보완하여두 Polymer 를물리 / 화학적방법으로분할하여극세화하는방식. 투습발수원단으로전개하여 Suede type 인공피혁, Silk-like 직물, Wiping cloth 등과함께초극세섬유의용도확대에기여한기술이다. 다층형섬유 : 분할형과유사하나원사단면이여러층으로분리되는형태로서구금내부에서다층화또는 Static mixer를사용하는방법. 이기술은일본의 Kuraray, Toray, Kanebo 등이개발하였으며주로 PET/ Nylon 6를복합방사하여제조한후염색시 0.2 ~ 0.3d의초극세섬유를얻는방식이다. 추출형 ( 해도형 ) 섬유 : Islands-in-a-Sea type 이라고도하며서로다른용제추출성을갖는 2가지이상의 Polymer 를복합방사한후후가공공정에서한 Polymer 를용제로추출, 제거하여극세화하는방식. Toray 에서특수구금의설계로원하는형태로분산된섬유단면을갖는초극세섬유의제조법을개발했다. 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 9
- 혼합방사 : 혼합방사법은복합방사법과유사하나서로비상용성이고용제추출성이다른두가지이상의 Polymer 를용융상태에서혼합하여초극세섬유를제조하는방법으로서극세섬유성분즉, 분산상성분의개수가복합방사섬유보다월등히많고서로다른직경을갖는특징이있으며수년전 Kuraray가 5/10,000d 수준의원사를적용한인공피혁을상품화함. 복합방사와혼합방사의가장큰차이점은복합방사의경우원사단면이팩장치에서결정되기때문에설계된단면형태를가지고 1/100d 이하의초극세섬유는팩장치의제작한계및경제성문제로생산하기곤란함. 그러나혼합방사는용융상태에서혼합하여분산상을형성하기때문에 1/100d 이하즉, 1/1,000 ~ 1/10,000d 수준의초극세섬유제조가가능하며팩장치의가격이복합방사에비해저렴한장점이있으나비상용성이고용제추출성이다른 Polymer 의선정이제한되고추출성분의성분비율이복합방사에비해높은단점이있다. 국내초극세사생산업체는코오롱극세사 (ROJEL) 300t/ 월, 휴비스 (FLOF-A) 월 350t/ 월, 새한 350t/ 월, 효성 300t/ 월및경방등이있으며, 국내대부분직물아이템이중국으로넘어가는상황에서초극세사는국내에서추구할수있는고부가가치기술로파악되며현재초극세사 (0.1~0.04d) 는천연가죽의대체용인스웨이드직물에서부터트리코트등다양한용도로사용되고있어그수요가증가하고수요를예측하여생산량증설을추진중이나공급과잉의위기에있다. 한편 Electro-spun 나노섬유 Yarn 은기존기술로는제조할수없는 0.1~0.5nm까지제조할수있어기존초극세섬유기술의한계성을극복및기존초극세섬유에서는전혀접근할수없는분야에서도신소재창출이기대된다. 2.2 생체활성나노섬유소재 생체활성물질을이용한의료분야연구는ㆍ정형외과 : 뼈접목 / 치환물 ( 척골의용해 ), 생체흡수가능물질 ( 나사, 핀, 봉합, 코팅 ), cartilage/ 인대기술, 콜라겐 templates ㆍDental implants : Ti에대한 HA코팅, tooth implant, overdentures, bone augmentation (bioactive glass) ㆍ상처관리 : 대체피부, 조직점착제와실런트ㆍDDS : 마이크로구기술, 의약전달코팅ㆍ대체혈액, 조직공학으로생성되는인공장기ㆍ안구삽입물, 삽입용장비의생체적합성코팅 (sensors) 상기의고부가가치의 wound dressing, 인공피부, 조직공학제품등 21 세기첨단의료재는전 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 10
량수입된다. Electro-spun 나노섬유는수분및통기성이좋고, 세균으로부터상처를보호하고체액이스며들지않기때문에제거가용이함. 따라서상처보호용 wound dress 나인공피부등에매우탁월한효과가있으므로이에대한개발이필요하다. 이용범위를살펴보면아래와같다. - Bandages, gauze, lint, 충전재등과같은전통적인제품과상처치료특성을갖는혼합제품을섞은상처붕대재료 - Instrument wraps, hats, shoe covers, drapes, 환자와의사를위한 gowns 와같은보호용직물과의류 - Baby wet wipe 와같은의료또는위생목적을위한 impregnated nonwoven wipes - 기저귀, 여성위생용품과성인용품을포함한흡수제품을위한 cover-stock 과같은큰부피이지만좀복잡한재료 - 외과이식조직, 투석제품, 봉합사와인조피부를포함한 technical textile arena에서가장복잡하고높은부가가치의것들등에사용가능하다. 특히 Textiles 은외과의사용마스크와가운, patient drapes, shoe와 head covers, 기구덮개와병원용 underpads 등다양한의료분야에서 보호용 으로상당히다양하게이용된다. 부직포는높은수준의 barrier 성능을갖도록개발됨으로서대부분최종제품에서가장광범위하게이용된다. 또한극한조건의외과수술에서안락함을제공하기위한제품이개발되고있는데그것은 breathability와미세다공질 PTFE막으로인해 airborne pathogens와 blood borne illnesses 에대해요구되는수준을겸비하고있다. 한편의료용보호복의다른요구사항은 accidental cuts 로부터의보호와대전방지이다. 현재국내 Medtech 산업은저가, 중저급기술제품은대체로소규모의중소기업에서생산되며고부가가치의제품은전량수입되고있다. 2.2.1 생체적합성나노섬유 web Wound Dressing and Bandages용도의상처용붕대는다양한의료, 외과용응용제품에적합한아주많은형태와크기로판매되고있으며감염과손상으로부터보호하며치료를촉진시키 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 11
고피와다른점액을흡수하는기능이있다. 일반적으로상처접촉면은나일론이나비스코스로만들어진 a porous knitted fine mesh fabric이며 microporous films도이용된다. 또한때때로 alginate, chitin, collagen과같은 fibers 를상처치료과정을증진시키기위해접촉면에혼합하기도한다. 폴리우레탄과같은 wetting고분자로제조된붕대를사용하면피나혈청이상처로부터나와붕대를투과하는경향이있고넓은표면적은상처보호를촉진하므로출혈을멈추게하기위한응급용붕대로적합하다. 반면에 non-wetting 고분자로만든붕대는특히직경이작은섬유로구성된붕대는피와같은 tissue fluids 가붕대를투과하지못하기때문에혈류는붕대내에머물게되어응고된다. 따라서붕대물질로의혈액응고가없기때문에붕대제거가용이하다. 특히이같은붕대는다공성이어서대기와상처표면사이에서산소교환과수증기증발이용이하다. Wound dressing 은면등으로제조되는 1차응급제품의경우국내중소기업에서생산하나중국의저가품에밀리는상황이며고기능성 wound dressing 은국내에서제조기술을보유하고있지못하여전량수입되어사용되고있다. Electro-spun 나노섬유 web은매우작은직경을가지며작은공극을갖고높은비표면적을갖는매트를제공할수있다. 수분및통기성이좋고, 세균으로부터상처를보호하고체액이스며들지않기때문에제거가용이하다. 따라서상처보호용 wound dress 나인공피부등에매우탁월한효과가있으므로적극적연구개발이요구된다. 2.2.2 Surgical Items 상처를꿰매는데사용되는봉합사는가장일반적인이식용조직이며인체내부상처의봉합에있어서는생분해성및생체적합성이요구된다. - Monofilament 는매끄럽긴하지만딱딱한용도에적용. - Braided는거칠긴하지만좀더유연하여매듭을쉽게할수있는봉합에적용됨 - 생분해성이없는봉합사는전통적인실크에서부터폴리아마이드, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌그리고 PTFE 등으로만들어짐. - Polylactide와 polyglycolide 는생분해성응용제품에자주이용됨. 또한조정가능한섬유의다공성은상당히많은외과분야에서이용된다. - 직 / 편폴리에스터또는 tubular 형태의 PTFE( 직경 1.5mm이하 ) 는혈관접합용으로이용됨. - 손상된건 (tendons) 과인대는일반적으로실리콘으로씌우던지때때로탄소섬유와결합된 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 12
woven 또는 braided 합성섬유에의해대체되거나회복될수있음. - 대부분이셀룰로오스계인특화된중공사는신장 ( 투석을위한 ), 간장, 폐와같은인공장기용여과막으로이용됨. 현재국내의생분해성봉합사나인공신장용여과막등은삼양사등국내기업또는연구소에서개발되어상용화되고있다. 2.2.3 조직공학 (Tissue Engineering) 기술 봉합물은신체조직을고정혹은보수하는데사용된다. - 봉합물은강도, 생체적합성, 유연성, 멸균성, 생분해성등의물성이보다엄격하게요구됨. - 생물학적, 화학적, 혹은생합성적인혈관이식등과같은특별한봉합물에요망되는물성은생체적합성과같은기존의물성외에 porosity 를가져봉합물의외부표면을확장시키고조직의내부확장을촉진시켜내피세포화를용이하게해줌. 다공성보철물과삽입물은과거수년간그같은구조물의삽입을촉진시키며발전되어왔으며, 다공성코팅혹은다공성표면은심장판막, cardiac pacers, 전극, vascular grafts, blood pump, ventricular assist devices, artificial hearts, flexible heart valve members, blood stream filters, intracardiac patches, diaphragms 혹은 baffle, vascular access tubes 등과같은디바이스와연결혹은삽입이제안되고있다. 구조물혹은삽입물을다공성표면으로하는것은군체화를촉진시키고신체조직과다공성물체간의접합을제공하기위해인접신체조직으로부터다공성표면의내부로성장을촉진시키고자함이다. 전형적으로신체조직의다공물내부로의성장은핵이되는혈류세포로부터다공물내부로신체조직의성장을촉진시킴으로써이루어진다. 국내조직공학의연구는아직진행중이나상용화되지는못하였으며생분해성, 생체적합성고분자로부터제조되는 electro-spun 나노섬유소재는생체모방성, 생체적합성기능및미세다공성을갖는소재로서조직공학 (tissue engineering) 기술에매우중요하므로이에대한적극적인연구가요구된다. 3. 선진국나노기술을이용한섬유산업분석및동향 3.1 고효율, 초기능성분리기능나노섬유소재 3.1.1 고효율초기능성필터소재 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 13
세계적으로부직포산업은생산기술및첨단소재의개발, 새로운유망용도를창출하면서관련산업수요의촉진등으로섬유산업을선도하는방향으로발전하고있다. 또한선진외국의경우첨단화연구를통한장치산업으로발전하였다. 1997년에세계에거래된부직포물질 ( 최종제품과롤제품 ) 이 400억달러로롤제품은 90억달러이다. - 부직포산업은미국이연평균 4~5%, 서유럽과일본 ( 가장발달한시장임 ) 에서는다른지역에서보다더빠르게성장하고있다 (4~10%). 중량기준으로, 북아메리카에서생산과소비가이루어진총량은약 250만톤으로추정됨. - 부직포제품은국가의경제성장에따라산업전반으로용도가확산되고있으며가격및성능향상에따른기존섬유제품의대체및새로운용도창출등으로의류용, 의료용, 토목건축용, 산업용 ( 단열재, 방음재, 방수재, 필터, 연마재, 마스크, 인공피혁등 ) 등용도가다양하다. - 또한향후하이테크섬유의개발과제조공정의다양화로고기능부직포제품을활용하는용도개발이예상된다. 필터소재는부직포의가장중요한용도중하나이다. - dust collector, air filtration, liquid cartridge, membrane, mobile filtration, liquid macrofiltration을포함하여추정되는 2020년세계의필터시장은 750억달러 (1998 년 : 170 억달러 ), 전자와바이오산업의성장에따른긍정적시장전망 1조 4000억달러, 부정적시장전망 340억달러선으로예상된다. 산업분야별필터매체의시장규모 산업분야 시장규모 전력산업부문 8.34억 $ 의약 / 바이오산업부문 150억 $ 전자산업부분 420억 $(1998년 : 8.22억 $) 가정용과상업빌딩용 67.5억 $ 출처 : McIlvaine Company market report, World Filter Media Market in 2020, 1999년 10월 - 산업용여과지는복합화력발전소의 gas-turbine 용 air filter, 연마, 절삭등산업용공작기계의 filter류, dry cleaning용 filter류및 compressor용 filter류제품의핵심소재로사용된다. 자동차용과같이기계류의원활한작동에필수적인불순물제거가주요기능임. 자동차산업및환경산업의반전이큰미국과일본에서주생산거점및소비시장이다. - 자동차용여과지는 oil filter, air filter, fuel filter 등 3가지주요 filter류제품의핵심소재를의미하며, 자동차에필수적인소모품소재이다. 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 14
향후세계적으로필터산업의큰성장이예측되는바, 미국을비롯한선진국에서는고효율, 초기능성을지닌고부가가치필터소재를창출하고자나노섬유를매체로사용하는신소재연구가활발히진행중이다. 3.1.2 극한환경방호기능소재 Electro-spun 나노섬유 fabric은미세입자나 bacteria 등은통과시키지못하며, 구조적으로내부의땀등을배출할수있는호흡성 (breathable) 을가지며, 막의외부에서액체가들어오지못하도록제조가가능하며 (liquid barrier), 방풍성 (wind barrier) 을가지고있다. Electro-spun 나노섬유 fabric 은 Membrane-like textile이다. 미국군수사령부는차세대군복대체용 smart fabric 의개발연구로야전에서호흡하는기능을가질뿐만아니라생물학적, 화학적공격으로부터인명을보호할수있는미래형군복소재에대하여연구를수행하여복합기능 smart fabric 소재를개발하여현재성능시험중이다. - 이소재는현재의직물개념과는달리마이크로이하나노크기직경을갖는극미세섬유로형성된박막의개념이사용된다. - 본복합기능소재는기존기술로는얻을수없는초극세섬유의 3차원적구조로형성된막형태로서매우고성능이며다양한특성을부여할수있고, 그제조가간단하고원료사용량이적어경제적이다. - 보호방어능이탁월한미래형군복소재및위장복, 고공낙하 (modifying airdrop) 및낙하산등에도적용검토중이다. - 경량화및방탄능력이향상된방탄헬멧등섬유강화복합체에적용연구중이다. 미국내연구는도입기에있고, 프랑스를비롯한유럽에서도상기와같은여러산업분야에서의중요성을인식하여연구를시작하는도입기에있다. 3.1.3 탄소나노섬유소재 탄소나노섬유는현재실험적으로연구되고있고부분적인상용화가진행되고있다. 그러나기존탄소나노섬유의나노화는초기능성탄소소재의창출이기대된다. 복합재용기존탄소섬유는 - 생산능력과기술에서일본이선도하고있으며, 시장은미국과유럽이중심이다. - 소비는스포츠장비부문에서우주항공등산업자재로의비중이증대되고있음. - 탄소섬유의수요는연간 20 ~ 30%, 생산능력은연간 30 ~ 35% 씩증가하는추세이며, 탄 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 15
소섬유의품질은원료와탄소섬유제조공정에의해점차향상되고있다. 탄소섬유는미국, 일본, 영국, 프랑스등에서개발되어독점시판되고있으며생산량및수요는계속급상승. 최근대만, 이스라엘도설비를갖추어이대열에합류하였다. 탄소섬유는 PAN계섬유가주축이나선진국에서는 pitch 계탄소섬유를개발연구를하고있으며, 일부상업화가이루어졌다. - Pitch계탄소섬유는토목, 건축, 자동차용박판구조물에사용될수있는장점이있다. 3.1.4 차세대에너지저장기능나노섬유소재 현재리튬이차전지의주시장인리튬이온전지 (LIB) 는일본에서개발되어전세계시장의 90% 를장악하고있음. 차세대전지인폴리머전지기술 (LIPB) 도 Bellcore 에서원천기술을선점을하고있다. 현재전자제품의디지털화와고성능화등으로소비자의요구가바뀜에따라이차전지에대한시장요구도박형경량화와고에너지밀도에의한고용량을지니는전지의개발로흐름이바뀌고있는상황이다. 미국의울트라라이프배터리사에이어베일런스테크놀로지, 벨코어등이 97년경부터 LIPB 제품개발및양산계획을발표하긴했지만아직까지양산제품은아직나오지못한상태이다. - 한편, Ultralife사는 2000년 7월세계에서가장얇은리튬폴리머전지의개발을발표. (Cell model UBC443483, 4.4 mm thick, 21.5 grams, capacity of 725 mah) 1998년 7월 22일자뉴스에의하면리튬테크놀로지 (Lithium Technology Co.; LTC) 사는노트북컴퓨터용 LIPB 시제품테스트결과만족스러운성능을보였다고발표하였다. LTC의배터리를조립하여최종제품을제조하는 센츄리온인터내셔널 (Centurion International) 은최근얇고경량이며사용시간이긴노트북용배터리시제품의테스트를모두마쳤다. 2000년 9월 20일자화학공업일보에따르면산요전기는알루미늄외장타입으로서는세계최고박막의 3.5 MM를실현한휴대전화용각형리튬이온전지의개발에성공하였다. 제일공업제약은제2세대의폴리머전해질 엘렉셀 ( 상품명 ) 을개발. 고온작동형의완전고체형폴리머전해질을캐나다 HQ사와공동개발, 95년부터전기자동차용등으로서전량공급중이다. 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 16
히다치막셀은 1997년 4월부터샘플출하를개시하였고, 2001년부터는소형리튬폴리머전지의양산을시작하였다. 폴리머리튬이온 2차전지의소형 초소형타입의양산체제를정비하여, 리튬폴리머전지전체의생산능력을계속하여증산시키고있다.. 현재세계의이차전지들의수요전망을다음의표에나타내었다. 세계이차전지시장수요 ( 단위 : 백만셀 / 백만불 ) 1999년 2000년 2001년 2002년 2003년 LiB 412/1854 535/2407 672/3024 747/3362 767/3452 ( 증가율 ) 30% 26% 11% 3% LiPB 2/11 18/99 55/303 145/798 261/1436 ( 증가율 ) 1087% 209% 164% 24% LiPB/LiB 1% 3% 8% 16% 25% LiB: 리튬이온전지, LiPB: 리튬폴리머전지출처 : ETRI, 대신경제연구소 - 현재개발중인리튬폴리머전지의예상수요증가율이초기의리튬금속을이용한리튬이차전지와현재가장많이사용되고있는리튬이온전지의예상수요증가율보다매우크게나타나고있음. 이러한수요예측은고에너지밀도를지니는고용량의전지를요구하고있는현재의시장흐름을반영함. - 이러한경향은리튬이온전지는이제시장성숙기의제품이며리튬폴리머전지의경우수요자의요구가증가됨에따라서새로이시장이형성되기시작하는초기단계임을확인할수있으며, 향후많은수요가예측됨. 3.1.5 나노섬유 yarn 소재및초극세섬유소재 초극세섬유선진국개발현황초극세섬유의주요응용제품은모두일본에서 20년간개발된것이다. - 1970년 Toray 를필두로 Kuraray(75 년 ), 鐘紡 (77년), 帝人 (77년), Unitika(77년 ), 旭化成 (79 년 ), 三葉 Rayon(79 년 ) 등이독자적인기술에따라초극세섬유를개발하여인공피혁, 인공 Suede 를상품화. - 1970년대에는초극세섬유의제조기술만이아니라제직, 제편, 염색, 가공등의여러가지가공기술이축적되었으며, 인공피혁, 인공 Suede가급성장하였다. - 1981년에발표된자비나 DP( 고밀도직물 ) 이개발되어초발수고밀도직물, Peach skin 등의 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 17
상품이상품화되었다. - 1985년이후 Wiping cloth 상품화. ICI, BASF( 美 ), Dupont 등구미의대합섬메이커가 0.5 ~ 0.9d 정도의 [ 굵은마이크로파이버 ] 를직접방사법으로개발해끊임없이마이크로파이버시장으로등장하고있어일본은심한충격을받고있으며, 구미합섬메이커는스포츠, 캐주얼의류등에의전략적전개, 즉量産普及品의대공세를꾀하고있다. - 이 [ 굵은마이크로파이버 ] 로는예를들면인공스웨이드, 인공피혁, 초고밀도직물, Wiping Cloth 등의분야이며, 고도의제품을얻는데어렵지는않다. - 초극세섬유는이젠모든분야에진출해응용되고있음. 최근진드기방지고밀도이불카버 (Teijin 이외 ), 호수의물오염을제거하는필터 (Toray), 조개나海藻가부착하지않는布및로프 (Toray) 등이화제가되고있다. 극세사는성형공정이매우중요한데현재실용화되고있는인조 Suede 소재의 Sheet 형성법으로는 needle punch법, 직포법, 편포법, 사조법, 그리고 Water punch 법등이있다. 초극세섬유와 Sheet 형성법과는상호밀접한관계가있어초극세섬유의타입이결정된다. 극세사소재의인조 Suede 및섬유 Sheet 형성법 Sheet 형성법구성단위구성섬유 Needle punch 법 Staple fiber 위사 : 방적사경사 : 필라멘트 해도형섬유 fibril 접속체섬유 해도형섬유폴리에스터가공사 위사 : 해도형섬유직포법경사 : 폴리에스터가공사필라멘트위사 : 분할형복합극세섬유경사 : 폴리에스터가공사편포법필라멘트 (tricot) 분할형복합극세섬유 사조법 + water punch 법 보강포 + 필라멘트 폴리에스터초극세섬유폴리에스터필라멘트 ( 보강포 ) - Needle punch 법은 card m/c 에수십 mm로절단된단섬유 (Staple fiber) 로수 g/ m2 ~ 수십 g/ m2의 web을만든뒤이것을수십매합쳐 needle을통과시켜 felt를만드는방법이다. ㆍ Needle punch 법에적합한섬유의요구특성으로는적당한굵기, 길이, 권축, 강도및신도이며적당한마찰계수도요구된다. ㆍ해도형섬유와 fibril 접속체섬유가사용됨. 분할형극세섬유는 Carding 혹은 needle 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 18
punch 시강력한작용에견딜수있는 2성분간의접합력이부족해분할되어극세화되기때문에통상의 Card m/c 에는통과시킬수없다고생각되며, 접합력을높이는것은기술적으로는가능하겠지만후공정에서분할하기가어려워진다. - 직포법은대부분이경사에가공사 (DTY) 를사용하고위사에초극세섬유 ( 해도형은방적사및필라멘트, 분할형은필라멘트 ) 를사용하여제직하는데종래의직포기술수준과는현격한고도의제직기술이필요하다. - 편포법에는분할형극세섬유가주로사용되며가공공정에어려움이있으며, 분할형극세섬유는가공중분할극세화되어단사의강도문제가발생한다. - 기타사조법과 Water punch 법에의한 Sheet 형성법도실용화되고있다.( 특수방사법에의한초극세사사용 ) - 섬유에는천연피혁이갖는특유한강인성과내구성혹은촉감과 drape 성이없기때문에섬유 Sheet를피혁형태로변환하기위해서는수지처리가필요하다. ㆍ수지처리는 Dupont 에서개발한선형폴리우레탄 (linear polyurethane) 처리방식이주로사용된다. ㆍ피혁상태형성시기본기술로는최적의 Polyurethane 합성, Polyurethane의응고조건 ( 응고조절제선택포함 ) 의최적화, 섬유와 Polyurethane사이에적당한공간형성, 구성섬유의극세화 ( 해도형등은용출제거, 분할형은박리분할 ) 등. ㆍPolyurethane 에필요한특성으로는스펀지형성능이있고저탄성률에온도의존성이낮으며, 내열성, 내후성등이우수해야하며, 응고조건으로는응고욕의조성, 온도, Polyurethane 의농도나첨가제의농도등에의해응고구조가크게변화해제품의특성에영향을미친다. 고밀도직물은섬유간의공간을보다미세하게하여투습, 방수라는 2가지의상반된성질을갖는소재로방수성능을높이기위해서는직물조직으로보다고밀도화하면가능하다. 초극세섬유고밀도직물은투습성이순면고밀도직물보다는떨어지나방수성이 Coating 이나 film laminate 등후가공소재에필적한다. 또한극세섬유를사용하므로촉감이부드럽고 drape 성이우수하며염색에적합한성능을갖고있어고밀도직물은기능과감성을겸한초극세섬유고밀도직물을뜻한다. 고밀도직물은섬유사이의공간이 7μ정도로치밀하여투습, 방수의상반된성능을갖게된다. NICRO-PS 의특징 - 직접방사에의하여제조되는 Nylon Microfiber를단독으로사용하여가연가공등특수사가공을통하여 Micro Power Touch 를발현함으로써, 인간의촉감에어필하는 Peach 조를 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 19
나타냄. 복합방사에의한극세사제품에비하여, 제조원가가저렴하고감량을거치지않는공정특성으로인하여염색가공성이특히우수한장점이있으며, Micro Fiber 특유의유연성을보유하고있다. 또한초발수가공으로 Dewspo-N 이라는초발수효과까지얻을수있다.( 용도로 : Down Proof, Jacket, Jumper 등 ) TOP-PS, FINA-PS, POST-PS, TOPRA-PS, TOPRA-CS 의특징은분할형극세사또는용해형복합극세사를사용한고밀도직물제품으로, 원단의표면에특수가공으로미세한모우를형성함으로써, 복숭아의표면과같은 (Peach-skin) 외관을갖고, 우수한발수및방수성을가지고있으며, Waxy 한촉감을발현한다. 또한천연섬유인면, 또는 Rayon 등을교직, 특수가공처리함으로써천연섬유에한결가까운 Natural 감을부여한다.( 용도 : 고급오리털 Jumper(Down, Padding Jacket), Rain Coat, Casual Wear 등 ) TOPRINA ROYAL의특징은 2성분 Polymer 로복합방사한 0.1d 이하의초극세사와특수 Urethane수지를 3차원적복합구조로형성한고급인공피혁용인조 Suede 제품으로, 천연양피와거의유사한외관을가지면서더욱부드러운촉감, 뛰어난탄력성, 우수한통기성과보온성을지닌다. TOPSKIN-Q 는분할형초극세사를사용한제품으로천연피혁과유사한외관및촉감을가지도록설계된은면조인공피혁제품으로극세사소재를사용하여부드러운촉감과 PU에의한탄력성이돋보이는제품으로, 천연피혁이가지지못하는물세탁성과다양한색상의발현이가능한제품이다.( 품종및용도를보면의료용으로는 Jacket, Skirt, Coat, Jumper 등으로사용되고산자용으로는 Car-Seat 와가구용 ) Wiping Cloth(Fine Star-Ⅰ, -Ⅱ, -P) 는분할형극세사또는 100% 단일소재의용해형복합극세사를사용하여, 고밀도제편직, 수축가공처리하여개발한제품으로서, 기존의일반사제품에비하여, 칼날같은굵기의섬유올로구성되어있고, 직편물조직의요철구조에의하여오염표면의먼지등을완전히제거함으로써 Cleaning 성능이월등한제품이다. 또한 NY과 PET소재를공유하고있어친유성과친수성을동시에가짐으로써어떠한종류의먼지나오염물질도완전히제거가가능하며, 내구성이월등하여, 세탁한후에도기능의저하가없는특징을가지는첨단의 Wiping Cloth 이다.( 품종및조직을보면 Knit Type, Dobby, Stripe, 직물 Type 등다양하며안경, 보석류의 Cleaning, 자동차, 반도체등산업용 Cleaner, 가구용 Cleaner 로사용된다.) 속건성 Towel(EDDYOL) 은초극세사소재가가지고있는모세관현상으로수분을흡수하는특성을이용하여, 흡수속도가빠르고건조속도도빠른등기능성이우수하고, 극세사본래의 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 20
부드러운 Touch 를특징으로하여의료용, Pile 조직으로되어세면용, Golf용등의 Sports 용, 목욕용및모자등으로사용된다. 3.2 생체활성나노섬유소재 Medtech 분야에서 fiber 의최종제품에서의소비는 w; 속적인성장이예상된다. 전통적인 yarn-based textiles 사용의증가는낮을것이며 ( 년 0.5%), 심지어어떤나라에서는최종제품의소비량이쇠퇴할것으로판단된다. 이러한증가율은좀더특화되고편포구조에의한직물의대체정도를포함하지않고있어, 아마도실제에있어서는의료용 textiles 중전통적인직포법은전체적으로쇠퇴하고있을것임. 이가정은대개의료용품의생산방법이직물에서부직포로의지속적인전환에기초한다. 20년간부직포소비의연평균성장률로추정되는 7.5% 는다른응용제품과비교하여그다지극적이지않을지도모른다. 그러나의료용과위생용품사용량은 1985년이전에이미성장하였으며, 단위면적으로볼때, 두분야는전체부직포소비량의 70% 를차지하고있었다. 성숙한시장이포화됨으로인해성장률은완화될것으로예상되나, 향후연평균 5.6%( 중량단위 ) 의성장률을기록할것이며, 이응용분야는부직포의사용에있어무게와가치두가지측면에서 1 위의자리를유지할것이다. 의료공학의발달로새로운의료기술및의료소재가개발되어생체활성의료산업은 21세기에주요산업으로성장하고있다. - 생물공학에서가장성공적인응용분야는뼈의재생에관한분야임. 인대 (ligament) 와건 (tendon) 의치환분야에서의진일보는합성물로부터생물학적으로진보된기술분야로끌어올렸다. - 미래를전망하는제조업자는이제품이기존의의학기술을결국바꿀지도모른다고하는믿음으로바이오물질에투자하고있다. 조직공학분야의연구자들은생흡수되는 scaffold상에서제공되는생세포의이식을통해손상된조직혹은장기기능을회복하고자한다. - 연골, 피부, 뼈, 혈관의재생에서이루어진놀라운발전은신진대사기능을나타내는복합장기의재생분야에대한도전을가능케한다. 하이브리드유- 무기나노복합체는현격하게개선된기계적물성과향상된생체흡수와개조속도를갖는뼈 scaffolds 를제공할수있는물질로등장했다. 그같은접근은독특한기계적 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 21
물성과전달특성을보여주는데이는고유의부피당넓은표면적으로인해나타난다. 섬유정보팀 하이브리드나노구조물을제공하는제조방법은상업적으로, 임상적으로적절한접근방식으로촉망되고있다. 생체조직공학과관련된의료산업의시장규모를위와같이나타내었다. - 미국치아보철시장은 2000년에 $240M으로 16% 의성장률을, 정형외과용생체물질시장규모는 2004년까지 US$ 850M 이상이될것으로추정됨. bone graft substitutes 시장은현재 $148M만달러에서 2004년 $190M만달러로성장. 붕대관련바이오물질시장은신제품소개, 개선된임상결과, 비용편익분석에의해제품의대중과외과의의인식을증가시켜이의수용을강화한결과급격히성장된다. - 향후 5년에걸쳐서, 붕대관련바이오물질은시장을급격히잠식할것이며특히실런트와 adhesion barriers는다른외과분야로영역을확산할것임. - 피부복합물의발전은조직공학과대체피부관련시장에서주요한역할을기대되며, 바이오물질은 100억달러이상의세계적인정형외과산업의미래를바꾸고있다. 현재미국을비롯한선진국에서는단백질나노섬유, 생분해성고분자를이용한나노섬유기술로첨단 21세기의료소재를창출하는연구가활발히진행되고있다. 4. 시장전망 나노섬유의현황최근미국의 UMASS-Dartmouth, MIT, Akron 대, Michigan대등을중심으로연구가진행되고있으나, 상업화단계의연구는완료되지않았다. 우리나라의경우 Electro-blowing 법에의한나노섬유제조기술이상업화단계 (200kg/ 일 ) 에있으며, 나노섬유제조기술에대한최고의기술수준을보이고있는것으로예측된다. * 외국의특허수 : 17건 ( 미국, 일본, 독일등 ) * 한국의특허수 : 12건 (KIST, 나노테크닉스, 삼신크리에이션, 라이지오케미칼등 ) 4.1 나노섬유관련산업의시장성 4.1.1 고효율, 초기능성분리기능나노섬유소재 고효율초기능성 filtration 소재 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 22
국내여과지시장은 99년 427억원을기록하였고 2000년에는산업용여과지, 공조용여과지의성장성에힘입어 470억원, 2001년에는 518억원으로연평균 10.13% 의성장률을기록할것으로추정된다. 국내시장은포화상태이며해외시장을개척하기에는기술경쟁력이너무취약하므로고효율, 초기능성 filtration 소재의개발이요구된다. 국내부직포시설은도입초기인 60년대원시적설비에의해시작하였으나 90년대에들어의류용, 산업용, 고기능 고성능제품으로수요가확장됨에따라중견및대기업을중심으로제조기술및설비의고도화가이루어지고있다. 98년말업계가보유하고있는제조방식별부직포생산라인은총 257라인으로 96년대비약 18% 가감소하였다. 현재국내에도입된제조방법은니들펀칭, 케미컬본딩, 서멀본딩, 멜트브로운, 스티치본딩및최근도입된스펀레이스법까지약 9개정도가있으며 98년말을총생산능력은 97년대비해서는약 25% 증가한상태이다. 선진국에서는고효율, 기능성부직포를개발하기위하여장비개발및섬유의세섬유화를추구하는바, 국내에서도초극세섬유부직포신소재의개발이필요하다. 반도체제조공정등공조에활용되는 HEPA 의국내시장은 1999년도기준 800억원정도이며 HEPA 급이상의필터소재는소재의종류와무관하게전량수입하여필터유니트를제조하고있는상황이다. 탄소섬유 탄소섬유는제철화학이 150톤 / 년규모시설을가동하였으나, 1991년부터가동중단후, 국내태광산업에서중저급의제품이 60톤 / 년생산되고있다. 탄소섬유원사의국내생산은미약해내수의 90% 이상수입하고있으며 Prepreg 포함 1999년기준으로 1906( 약 500억원 ) 톤을수입, 원사의수입량은 1995년이후 1999년까지 2.7배증가하였다. 현재활성탄은삼천리활성탄소, 동양탄소등의업체에서제조하고있으나탄소섬유를사용하여제조하는활성탄소섬유는거의수입하여필터용품으로제조하여사용되고있다. 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 23
최근, 다공성흡착제를다양하게후처리, 또는표면처리하여새로운표면관능기도입, 제거, 표면에너지변화, 미세기공분포조절, 그리고활성금속의첨가등으로선택적인기능성향상을가져오고있다. 탄소섬유의용도확대의예 적용분야고도정보화사회고령화사회대응지구환경중시미개척분야도전 Target 용도 SSP, SST, Chemical filter, EMI 용 CFRP 인공관절, 인공뼈, 인체장기용 filter Cabin filter, 정수 / 정화용 filter, Li 이온전지 우주항공기용동체복합체, Sealing 재, 초고온로단열재, 건축 / 토목용 composite 의학생체용 : 생체내의인공신장이나인공간장, 혈액의정화제의약품담지투여제 전극및 Condenser 용 : 유해한수은전지를대신하기위한전기이중층 capacitor( 축전지 ) 는컴퓨터, VTR, 카메라, 시계, 그리고앞으로사용하게될전기자동차등에이용 Recycle 기술의응용 : 밀폐된우주선에서공기의순환이나제한된물의재사용, 음식물, 과일등을장기간보존하기위한선도유지, 또는부패방지제 자원의재활용 : 금과같이지구에희박하거나오존과같이유해한물질의농축제거 촉매또는촉매담체용 : 활성탄에금속, 또는금속산화물을첨착하여특수용도로사용 기타 : 탄소의도전성, 전기화학적불활성, 내약품성을이용한용도개발 차세대에너지저장기능나노섬유소재국내이차전지시장의규모를살펴보면리튬이온전지시장의점유율중에서 LIPB 의비중이 2003년 35%( 수량기준 ) 에이를것으로전망된다. LIB의점유율이향후마이너스성장으로돌아서는반면, LIPB 의내수시장은고성장 ( 수량기준 ) 이전망되며, 세계시장에비해내수시장의성장률이더클것으로전망된다. 한편국내 LIPB 시장규모는지속적인성장이예상된다. ( 대신경제연구소 Spot Briefs 01-006호, 2001년 1월9일 ) 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 24
나노섬유 yarn 소재및초극세섬유 국내초극세사는코오롱극세사 (ROJEL) 300t/ 월, 휴비스 (FLOFA) 350t/ 월, 새한 350t/ 월, 효성 300t/ 월에서생산중이다. 그중효성은 2000년나일론 Micro fiber(4,800톤 ) 와 Full-Dull(5,500톤 ) 제품에서 430억원의매출실적을올렸다. 극세사를이용한인조피혁, 투습 / 방수천, wiper 등제품으로출하되므로시장은수천억원에해당된다. 4.1.2 생체활성의료기능성나노섬유소재국내의료기능성섬유는약 1200억원대의시장규모를지니고있으나, 부가가치가낮은일반붕대등은중소기업에서생산하고있고그나마도채산성악화로중국으로시장이넘어가고있다. 반면에고부가가치의의료기능성섬유제품은대부분을완제품형태로수입하여사용하고있으며나머지도소재를수입하여제품화하는것에머물러있다. 생체활성고부가가치의료기능성소재는다음과같다. - 정형외과 : 뼈접목 / 치환물 ( 척골의용해 ), 생체흡수가능물질 ( 나사, 핀, 봉합, 코팅 ), cartilage/ 인대기술, 콜라겐 templates - Dental implants : Ti에대한 HA코팅, tooth implant, overdentures, bone augmentation(bioactive glass) - 상처관리 : 대체피부, 조직점착제와실런트 - DDS : 마이크로구기술, 약전달코팅 - 인공장기와조직공학 : 대체혈액, 조직공학으로생성되는인공장기 - 안구관련응용 : 눈에의삽입물 - 삽입용장비를위한생체적합성코팅 (sensors) - 고부가가치의의료기능성소재는대부분을완제품형태로수입및제품화하고있다. 5. 나노섬유의미래 5.1 향후산업동향과정책방향 미래첨단섬유인부직포는다양한물성의실현으로그용도가무궁하여성장가능성이높은유망산업이다. 나노직경을가진섬유상의부직포나노웹은기존에서제공하기어려운다양한물성을제공 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 25
하므로고성능필터재를비롯한응용범위가전산업분야로확대될가능성이있다. 1미크론이하의초극세섬유더나아가 0.1 ~ 0.5nm의나노섬유 yarn은기존초극세섬유의한계성능을극복하고 21세기첨단산업분야로용도확장이예측된다. 현재전자제품의디지털화와고성능화등으로이차전지도박형경량화와고에너지밀도에의한고용량을지니는전지의개발로흐름이바뀌고있는상황이며, 나노섬유소재가이를대처하고있다. 이에따라 97년부터 2000년까지세계이차전지시장은연평균 13.2% 의증가세를유지하고 2000년에는시장규모가 59억달러에이르렀다. 또한 2000년부터 2005년까지연평균증가율은 11.4% 를유지하여향후세계시장의규모확대가전망된다. wound dressing 관련바이오물질시장은차기 5년에걸쳐서시장을급격히잠식할것이며특히실런트와 adhesion barriers는다른외과분야로영역을확산할것임. adhesion barriers 시장의고성장이예상된다. 조직공학분야의연구자들은생흡수되는 scaffold상에서제공되는생세포의이식을통해손상된조직혹은장기기능을회복하고자한다. 연골, 피부, 뼈, 혈관의재생에서이루어진놀라운발전은신진대사기능을나타내는복합장기의재생분야에대한도전을가능케하는데, 나노구조물을구축하는공정이급격하게발달함에따라조직공학에있어서의나노엔지니어링물질의역할에관심이모아지고있다. 5 ~ 10년의가까운미래에복합적인나노구조물을제조하는기술의개발로인해조직공학에서기대되는대부분의이익실현이가능할것으로기대된다. 5.2 나노섬유의향후시장전망향후세계나노섬유는필터용섬유소재, 특수보호용섬유소재, 클리너섬유소재, 탄소섬유, 에너지저장용섬유소재, 의료용 ( 醫療用 ) 섬유소재를중심으로기술진전과수요가크게확대될것으로예측되었고, 2012년에는제약이나전자, 생명공학등에서활용할수있는초고효율필터 (96억달러 ), 화생방및스포츠레저의류 (26억달러 ), 에너지저장용나노섬유 (205억달러 ) 의수요가가장크게성장될것으로조사됐다. 세계나노섬유의시장은연평균 10.7% 의높은성장으로 2012 년에 397 억달러이상의시장을 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 26
형성할것으로전망되었다. 우리나라는전량수입에의존하고있는고성능필터 (HEPA), 차세대전지인폴리머전지 (LIPB), 생체활성의료용섬유소재등에서기술개발이이루어져수요가크게창출될것으로보인다. 지속적인기술개발과수요창출이이루어진다면, 우리나라가미국, 일본등선진국보다많은특허등록과세계최초의대량생산기술개발, 관련업종의동반성장등에따라, 향후세계나노섬유수요를리드해나갈것으로기대된다. 나노섬유의활용분야나시장규모는아직산업화초기단계이나, 그성장가능성을예측해볼때, 기존시장의대체재또는신규용도의제품창출이크게발전되어 2012년 400억불이상 ( 연평균 10.7%) 의시장을형성할것으로예상된다. 나노섬유의수요예측활용분야 1 필터용섬유소재 2 Coated Fabric 3 Wiper 소재 4 극한환경방호소재 5 탄소섬유소재 6 에너지저장용소재 7 의료용소재합계 ( 단위 : 백만불 ) 수요전망 증가율 07 12 (%) 세계 6,870 9,630 6.9 한국 480 960 15.6 세계 2,330 2,570 2.0 한국 670 770 1.9 세계 1,740 2,400 6.3 한국 520 720 6.2 세계 94 720 70.2 한국 10 70 60.3 세계 1,240 2,080 11.1 한국 170 290 11.4 세계 10,210 20,540 17.0 한국 1,020 4,110 36.5 세계 1,500 1,760 3.4 한국 270 320 3.7 세계 23,984 39,700 10.7 한국 3,140 7,240 15.9 < 출처 : 산업자원부공보관실보도자료 > 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 27
김한성 1985~1994 부산대학교섬유공학과학 / 석사 1995~1997 Tokyo Insitute of Technology 유기재료박사 1997~1998 Resaarch Center of Computational Mechanics 주임연구원 1998~1999 Georgia Institute of Technology Post Doctoral Research Associate 1999~2002 North Carolina State University Nonwovens Cooperate Research Center Post Doctoral Research Associate ~ 현재부산대학교유기소재시스템공학과교수 e-mail: hanseongkim@pusan.ac.kr 텍스토피아유료컨텐츠 /2008/10/28 28