나노기술을이용한산업용섬유 산업의현황
1. 나노기술을이용한산업용섬유산업의해당산업의현황 1.1 국내나노기술을이용한산업용섬유산업의현황 1.1.1 국내나노기술을이용한산업용섬유산업분석 1.1.1.1 국내나노기술을이용한산업용유기섬유산업분석 21세기첨단산업에서는기존소재의성능한계를초월하는소재및응용기술이요구되며섬유분야 Nanotechnology(NT) 인유기나노섬유의제조기술은기존부직포, 필터소재및초극세섬유기술의한계성을극복하는신기술로서 IT산업, BT 산업및 ET 산업등 21세기첨단산업분야에서차세대신기술및신소재를창출하는매우유망한섬유분야의 nanotech- nology이다. 극미세나노섬유소재기술의응용분야로는기존기술및소재성능의한계성을 극복하고초성능을구현하는고효율초기능성필터및초극세섬유산업분야의 응용확대및 차세대고효율이차전지분야, 방호복혹은의료용보호복 (protective clothing), 붕대, 약전달계등을포함하는의료용, 우주항공분야의 solar sail, light sail, mirrors 등의용도, 작물에대한살충제응용분야, 인공장기의구조물, 복합강화물에대한응용및반응성을높이기위해넓은표면적을요구하는분야등에적용가능하다. 또한고분자나노섬유를전구체로한세라믹이나탄소로구성된나노섬유를 고려하면응용분야가보다확장되며전하방사공정은도료나탄소입자와같은 입자상의물질과함께용이하게적용할수있다. 그리고 Micro 혹은 nanoelectrical mechanical and optical systems(mems or NEMS) 에적용하기위해서도적당한크기의 Flexible fiber가필요하다. 나노섬유는구동벨트나강화네트 (reinforcing net ; extremely thin composit- es) 로서 MEMS에사용될수있으며이들은특히효과적인필터나액체흡수섬유로만들수있다. 뿐만아니라고온초전도체로구성된나노섬유나나노와이어를쉽게제조할수있으므로 MEMS 와 microelectronics 분야에새로운
장을열수있을것으로기대된다. 본장에서는초미세나노섬유의대표적응용분야를일부선정하여관련산업의 현황과전개방향을보고자한다. 1) 표면활성나노섬유소재 (1) 고효율, 초기능성분리기능나노섬유소재 < 고효율초기능성필터소재 > 필터매체중가장중요한계열이부직포이다. 필터는대개매트릭스혹은미세섬유덩어리로구성되어있으며필터의응용분야에서원하는크기의입자를제거할수있을정도로충분히작은공극혹은두꺼운두께를유지하여섬유간의간격을좁혀서원하는효율을얻도록구성되어있다. 이를적용하는응용분야에따라패널, 주름카트리지, 디스크등의적당한형태로제작된다. 국내부직포산업의경우국제적인시장추세를반영하여 90년대부터생산고도화에따른품질수준의개선및생산량의증가세를이루었으나일부기업을제외하고는범용기술 소재에의한제품생산이대부분으로서국내의경우부직포여재 HEPA필터는개발되지않았으며 ( 주 ) 제텍스와우다섬유에서정전여재필터를생산하고있으나주로공기정화기, 진공청소기용, 일반공조용으로개발하고있다. 정전부여한부직포의경우는중성능정전부직포가상업화되어있으며주로 자동차용캐빈필터로써중성능필터급이고 HEPA 급이상의필터소재는소재의 종류와무관하게전량수입하여필터유니트를제조하고있다. 부직포의주요시장중하나는액체와기체에사용되는필터시장이며, 기체용 필터는기체중의특별한물질을제거하는용도로사용되고대개의경우는먼 지와같은고체이나액적인경우도있다. 한편기체용필터는청정도로구분한필터성능에따라표 1-3( 성능별필터소 재용도 ) 에서나타내었듯이전처리필터 ( prefilter), 중성능필터, HEPA 필터,
ULPA필터등으로분류된다 ( 표 2-1 (a) 및 (b) 참조 ). 즉, - Prefilter는외기처리혹은중성능필터의전처리용으로서 - 중성능필터는 HEPA필터의전처리필터로사용되며청정도기준으로 10만이상의경우에주로사용된다. - HEPA필터는클래스 100 ~ 10만이상으로클린룸의최종필터로주로사용되며 - 이보다고효율의필터는 ULPA필터가있으나청정클래스유지목적으로서 HEPA필터의사용이급증하는추세이다. 표 2-1(a) 각종산업별필요한클린룸 (1/2) 산업분류반도체공업광학기기시계, 정밀기기전자계산기전자기기, 전기계측기 청정도용도 결정정제 에칭공정 표면처리 금속증착 class 10 100 1000 10000 100000 조립, 시험 원료 반제품보관 렌즈연마공정 의학용카메라가공, 조립 필름제조, 건조 마이크로필름현상, 건조 조립 시험, 검사 전자시계, 부품조립 고신뢰도부품조립 정밀베어링 조립, 검사 자기드럼 자기테이프 가공, 조립, 시험, 검사 브라운관 고신뢰관 프린트판 정밀전기계기 부품, 가공, 조립, 검사
표 2-1(b) 각종산업별필요한클린룸 (2/2) 산업분류약품, 의학, 병원식품 청정도용도 class 10 100 1000 10000 100000 제약공정 무균수술실 일반수술실 신생아, 미숙아실 수술용기구보관 일반병실 진찰실 우유, 주류, 유산균음료 청량음료, 빙과 유제품가공 기존의 HEPA필터는유리섬유를여과제로사용한경우와불소수지나석영계섬유를여과제로사용한비유리계필터등이있으며대개의경우굵기가 0. 3~0.5 μm, 길이가 2~3 mm인유리섬유를수중에분산시킨다음고운망위에서탈수건조후종이형태로만들어사용한다. 전형적인 Filter 시장은공조시장이며그중증가하는시장으로서는 HEPA 와 ULPA 를사용하는제약산업, 마이크로일렉크로닉스산업, 생물공학산업등이나 고효율필터재는거의수입되는상황이다. 산업용여과지는복합화력발전소의 gas-turbine용 air filter, 연마, 절삭등산업용공작기계의 filter류, dry cleaning용 filter류및 compressor용 filter류제품의핵심소재로사용되며자동차용과같이기계류의원활한작동에필수적인불순물제거가주요기능이다. 현재산업용여과지는 65% 이상이미국과일본에서수입되고있으며수입여과지의고가로인해국산화가필요한실정이고대량수요처인한국전력에서는국산품의품질만검증되면수요전량을국산화하겠다는의지를밝히고있어산업용여과지부문에서는품질개선만뒷받침이되면큰폭의신장을이룰수있을것으로전망된다 ( 표2-2 참조 ). 자동차용여과지는 oil filter, air filter, fuel filter 등 3 가지주요 filter 류제품이 있다.
표 2-2 여과지종류및용도 품목자동차용여과지산업용여과지공조용여과소재 주요용도 자동차용엔진의원활한작동을위해장착되는 filter의핵심소재. 한국알스트롬과크린앤드사이언스사의과점체제, 양사의기술력, 제품경쟁력때문에신규진입이불가능 복합화력발전소의 Gas Turbine용, 연마 / 절삭 /cutting 등의산업용공작기계용, Dry Cleaning용, Compressor용 filter의핵심소재 국내수요의 80% 이상을수입, 국산이수입산에비해품질면에서열세. 경제성장과함께수요가증가할전망이고수요처의국산화의지표명으로기술력, 제품력이보강될경우매출신장이이루어질전망 공기정화 filter, Cabin Filter, 반도체 Clean Room 등사용용도가다양하며향후응용분야는더욱확대될전망 필터매체는산업분야에서대기나유체중의입자를제거하는용도로널리사용되고있다. 보다높은효율의필터를요구하는산업계의요망에따라유체중의더작은입자를제거할수있는더작은섬유크기를갖는섬유매체에대한연구가크게요구되고있다. Electro-spun 초미세나노섬유는기존기술에의한초극세섬유보다훨씬큰 표면적을지니므로가스나액체유체로부터미세입자를분리하는고효율초기능 성 Filtration 소재로활용될수있다. 필터에서작은입자를여과하는여과효율을높이는한가지방법은필터매체중 에적절한직경의섬유를사용하는것으로, 나노섬유는이러한용도에최적이 다. 나노섬유는무게대비지극히넓은표면을가진특성이있으므로이를기체나 액체중의입자를분리하는데사용될수있으며 Electro-spun 나노섬유로구성된필터는표면적이넓어여과효율이높고공극율이매우높아필터중발생하는압력강하가적다. 또한, 공정의적용이용이하여기존의부직포등의소재에코팅이가능하다.
표면활성나노섬유는 0.1 ~ 1 μm 크기액적의제거를위한고효율 Coalescing filter 신소재창출이가능하다. 결국 Nanofibers 소재기술은차세대 ET 산업분야의초기능성, 고효율 Filtration 소재창출에매우유망한기술이므로개발의필요성이매우크게요구된다. < 극한환경방호기능소재 > 나노섬유 fabric은미세입자나 bacteria 등은통과시키지않는동시에구조적으로내부의땀등을배출할수있는호흡성 (breathable) 을가지며, 막의외부에서액체가들어오지못하도록제조가가능하고 (liquid barrier) 방풍성 (wind barrier) 을가지고있다. Electro-spun 나노섬유 fabric 은 Membrane-like textile. 따라서, 극한환경초기능성 Smart Fabric 제조가가능하다. < 활성탄소나노섬유소재 > 탄소소재는그림 2-1 에서보듯이첨단산업분야의매우중요한핵심소재로활 용되고있다 ( 표 2-3 참조 ). 활성탄소섬유는탄소섬유에활성화공정을거치면서제조되며활성탄소섬유의특징으로는 - 흡착에관여하는미세공 (Micropore) 의발달이우수 - 세공직경의높은단분산성 (10 ~20 A ) - 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 ~ 0.2 g/cc) 등이있다. W aste O il 방사공정 안정화공정 탄화공정 활성화공정 프리커서선택 핏치섬유 안정화섬유 탄소섬유 SS P/S ST EM I 용 C FR P 정전 / 도전성코팅재 C F R C Sealing 재료 반도체공정필터재정수 / 정화용필터재자동차공정필터재탈취 / 탈색용재료고성능 C apacito r 의료용재료 활성탄소섬유 흑연화공정 흑연섬유 Li-ion 전지용부극재료우주 / 항공복합재료고온원자로용재료의료용재료 그림 2-1 탄소섬유의제조공정및첨단산업의응용분야 표 2-3 탄소섬유의분류 탄소섬유의분류저탄성율탄소섬유 ( 범용탄소섬유 ) 고탄성, 고신도탄소섬유 ( 고강도탄소섬유 ) 고탄성저신도섬유 ( 고탄성탄소섬유 ) 활성탄소섬유 원료레이온및등질피치 PAN 액정핏치및 PAN PAN 레이온페놀수지 기계특성 강도 탄성율 신도 (GPa) (GPa) (%) 0.8 40 2.0 2.5 200 1.0 5.0 300 2.0 2.0 350 0.4 3.5 750 1.0 - - - 용도내열성재료습동재료선진복합재료구조재료의탄성율보강및내열재료흡착재및전지용전극재료 현재사용되고있는환경기능성소재에는활성탄 (activat- ed carbons) 및활 성탄소섬유 (activated carbon fibers) 와같은활성탄소, 제올라이트 (zeolite), 그리고이온교환수지와같은흡착제등이있으며 활성탄소는제조원료, 활성화의과정, 그리고활성화의정도에따라다양한 비표면적과세공의크기및구조를형성하여용도에따라다양하게연구되어 져왔다.
특히, 활성탄소는기공구조가비교적잘발달되어표면적이커서양호한흡착 성능과빠른흡착속도를가지므로양조및제당등의음식료산업에서의탈색 및탈취, 촉매의담체, 용제의회수등에경제적으로이용되고있다. 최근부각되고있는활성탄소섬유는 20A 이하의미세기공이균일하게이루어진까닭에그비표면적이월등히큼에따라우수한흡착특성을보이는구조를갖고있다. 기능적측면에서는제올라이트와거의비슷하기때문에사용환경의조건에관계없이광범위하게사용할수있어다양한기술개발에응용되고있다. 이러한다공성흡착제들은공장의폐수, 하천의부영양화현상뿐만아니라굴뚝에서나오는 SO x, 악취제거, 자동차배기가스정화, NO x 제거공정등의환경문제해결에서핵심적인역할을담당한다. 또한다공성흡착제중대표적인활성탄소는발달된기공뿐만아니라다양한표면관능기를가질수있어가스분리, 제거, 농축, 유기용제회수, 중금속회수, 제거, 탈취제, Super capacitor, Double layer capacitor, 정수용흡착제및인공장기 ( 심장, 혈관 ) 등광범위하게사용할수있다. 범용 grade 탄소섬유는태광산업에서소량생산되나, 고기능성활성탄소섬유 는국내에서생산되지않으며전량수입되고있다. 표면활성나노섬유의탄화및기능화부여는고효율, 초기능성탄소나노섬유 web 의제조가사능하여 21 세기환경산업, 반도체산업, 그리고생화학물질의 제거기능이뛰어난신소재창출이기대된다. < 차세대에너지저장기능나노섬유소재 > 이차전지는반도체, LCD 와함께 21 세기 3 대핵심전자부품으로손꼽히고있으 며, 노트북 PC 와휴대전화등휴대형정보통신기기의성능향상과경량화의열쇠 를쥐고있다. 현재리튬이차전지의주시장인리튬이온전지 (LIB) 는일본에서개발되어전세 계시장의 90% 를장악하고있고부품소재역시거의대부분수입되는참담한 현실이며차세대전지인폴리머전지기술 (LIPB) 도 Bellcore 에서원천기술선점
을하고있는바이원천기술을극복하는상용폴리머전지기술은아직국내에 서는확보되지못했다. 현재국내의리튬이차전지시장은일본의도시바, Sanyo, 히다치막셀, 소니 등이장악하고있으며이러한리튬이차전지분야에참여하고있는국내기업 은 LG 화학, 삼성전관, SKC, 한일베일런스, 로케트전기등이있다. 이중리튬이온전지의경우 LG화학이 1997년시제품을생산하여 99년부터양산화하고있으며, 삼성전관은 98년자체개발된고분자전해질을이용한시제품을생산하고있다. 한편벨코어 (Bellcore, 현재 Telecordia) 기술을도입한한일베일런스는리튬폴리머전지를 2000년부터양산할계획으로있으나아직양산하지못하고있다. 전체적으로현재국내기업들은이차전지개발과관련하여외국의선진기업과비교하여원천적인기술과축적된노하우가부족하고. 기초소재, 화학분야의기술력이미비한상태로좀더활발한연구와기술교류가필요한실정이다. 더욱이핵심기술을보유하고있는일본등선진기업들이기술이전을꺼리고있어독자적인이차전지개발이불가피한실정이다. 이러한이차전지는앞서설명한기업들뿐만아니라한국전자통신연구소 (ETRI), 한국과학기술연구원 (KIST), 한국전기연구소 (KERI) 및한국화학연구소 (KRICT) 등을중심으로국내연구소및많은대학에서연구가진행되고있다. 최근한국전자통신연구원 (ETRI) 의한통계자료에서는무선인터넷단말기의개 선사항으로배터리용량확대를최우선으로지적하였다. 앞으로 IMT-2000 과같은서비스가상용화되면동화상의구현등에너지소비 가큰서비스가주종을이룸에따라장시간사용할수있는배터리의중요성 은더욱더부각되고있다. 작은크기에용량이큰배터리의조건을충족시키는전지는현재가장각광 받고있는폴리머전지이며이리튬폴리머전지 (LIPB) 는최근상용화되기시 작하여휴대폰을대상으로조금씩시장이형성되어가고있다.
폴리머전지중에서도리튬계관련전지인리튬폴리머전지가폴리머전지를주도 하고있는데그것은리튬계이차전지가전위차가크고제조가용이하기때문 이다. 하지만현재이차전지시장을이끌고있는것은리튬이온전지 (LIB) 이며앞으 로도몇년간은계속해서시장을주도할것으로예상된다. 한편리튬이온전지 (LIB) 는안전성문제, 제조비용의고가, 대형전지제조및 고용량화의어려움등단점이있는데 이런단점을폴리머전지 (LIPB) 에서극복할수있다 ( 그림 2-2 참조 ). 즉전해질이고체이므로누수염려가없어안전성이확보되고또한용도에따라다양한크기와모양으로전지팩을제조할수있어기존의리튬이온에서통형및각형전지로전지팩을제작할경우의전지와전지사이에전지용량과무관한쓸데없는공간이생기는문제를해결함으로써에너지밀도가높은전지를제조할수있다. 또한자기방전율문제, 환경오염문제, 메모리효과문제가거의없는차세대전 지이다. 그림 2-2 리튬폴리머전지개념. 현재전자제품의디지털화와고성능화등으로소비자의요구가바뀜에따라이 차전지에대한시장요구도박형경량화와고에너지밀도에의한고용량을지니는 전지의개발로흐름이바뀌고있는상황이다.
이흐름에 LIPB 도차세대전지의대용량을만족시키지못하므로고에너지 밀도의고용량전지의개발을위한연구가요구되며 Electro-spun 나노섬유를이용한차세대고에너지밀도의고효율전지개발은 매우중요한요소이므로이에대한연구가매우중요하다. < 나노섬유 yarn 소재및초극세섬유소재 > 고분자를이용하는나노섬유는다양한방법으로접근을하고있지만기술적으로는아직초기단계에머물고있어상용화된것이없고기존기술의초극세사는이미상용화되어있다. 초극세사의제조기술기반은다음과같으며이기술을근간으로새로운제품이창출되고있다. 단성분방사 - 직접방사 : 세섬도화의한계즉, 0.1 d 수준까지가능, 원사생산성이저하되는단점이있음. - 특수방사 : 멜트블로우 (Melt-blow) 법, 플래시 (Flash) 방사법, 슈퍼드로우 (Super draw) 법등이있으며주로방사와동시에부직포형태로제조, 가공하기때문에다양한용도전개가어려운단점이있음. 다성분방사 - 복합방사 분할형섬유 : 추출형복합방사의단점즉, 한성분을추출함으로서많은중량감소가발생하는것을보완하여두 Polymer를물리 / 화학적방법으로분할하여극세화하는방식. 투습발수원단으로전개하여 Suede type 인공피혁, Silk-like 직물, Wiping cloth등과함께초극세섬유의용도확대에기여한기술임. 다층형섬유 : 분할형과유사하나원사단면이여러층으로분리되는형태로서구금내부에서다층화또는 Static mixer를사용하는방법. 이기술은일본의 Kuraray사, Toray사, Kanebo사등이개발하였으며주로 PET/ Nylon 6를복합방사하여제조한후염색시 0.2 ~ 0.3 d의초극세섬유를얻는방식임.
추출형 ( 해도형 ) 섬유 : Islands-in-a-Sea type 이라고도하며서로다른용제추출성을갖는 2가지이상의 Polymer를복합방사한후후가공공정에서한 Polymer를용제로추출, 제거하여극세화하는방식. Toray사에서특수구금의설계로원하는형태로분산된섬유단면을갖는초극세섬유의제조법을개발함. - 혼합방사 : 혼합방사법은복합방사법과유사하나서로비상용성이고용제추출성이다른두가지이상의 Polymer를용융상태에서혼합하여초극세섬유를제조하는방법으로서극세섬유성분즉, 분산상성분의개수가복합방사섬유보다월등히많고서로다른직경을갖는특징이있으며수년전 Kuraray 사가 5/10,000 d 수준의원사를적용한인공피혁을상품화함. 복합방사와혼합방사의가장큰차이점은복합방사의경우원사단면이팩장치에서결정되기때문에설계된단면형태를가지고 1/100 d 이하의초극세섬유는팩장치의제작한계및경제성문제로생산하기곤란함. 그러나혼합방사는용융상태에서혼합하여분산상을형성하기때문에 1/100 d 이하즉, 1/1,000 ~ 1/10,000 d 수준의초극세섬유제조가가능하며팩장치의가격이복합방사에비해저렴한장점이있으나비상용성이고용제추출성이다른 Polymer의선정이제한되고추출성분의성분비율이복합방사에비해높은단점이있음. 국내초극세사생산업체는코오롱극세사 (ROJEL) 300 t/ 월, 휴비스 (FLOF- A) 월 350 t/ 월, 새한 350 t/ 월, 효성 300 t/ 월및경방등이있으며, 국내대부분직물아이템이중국으로넘어가는상황에서초극세사는국내에서추구할수있는고부가가치기술로파악되며현재초극세사 (0.1~0.04D) 는천연가죽의대체용인스웨드직물에서부터트리코트등다양한용도로사용되고있어그수요가증가하고있다. 한편 Electro-spun 나노섬유 Yarn은기존기술로는제조할수없는 0.1~0.5 nm 까지의나노섬유 Yarn을제조할수있어기존초극세섬유기술의한계성을극복및기존초극세섬유에서는전혀접근할수없는분야에서도신소재창출이기대된다. (2) 생체활성나노섬유소재 Medtech 라표현하는섬유제품의범위는소비자와의료시장에서건강과위생응 용제품에이용되는모든섬유재료를포함한다.
이용범위를살펴보면 - Bandages, gauze, lint, wadding 등과같은전통적인제품과상처치료특성을갖는혼합제품을섞은상처붕대재료 - Instrument wraps, hats, shoe covers, drapes, 병자와의사를위한 gowns와같은보호용직물과의류 - Baby wet wipe와같은의료또는위생목적을위한 impregnated nonwoven wipes - 기저귀, 여성위생용품과성인용품을포함한흡수제품을위한 cover-stock과같은큰부피이지만좀복잡한재료 - 외과이식조직, 투석제품, 봉합사와인조피부를포함한 technical textile arena에서가장복잡하고높은부가가치의것들등에사용가능하다. 특히 Textiles 은외과의사용마스크와가운, patient drapes, shoe 와 head covers, 기구덮개와병원용 underpads 등다양한의료분야에서 보호용 으로 상당히다양하게이용되며 부직포는높은수준의 barrier 성능을갖도록개발됨으로서대부분의 end use 에서가장광범위하게이용된다. 또한극한조건의외과수술에서개선된안락함을제공하기위한제품이개발되고있는데그것은 breathability와미세다공질 PTFE 막으로인해 airborne pathogens와 blood borne illnesses에대한요구되는수준을겸비하고있다. 한편 Medical protective clothing의다른요구사항은 accid- ental cuts로부터의보호와대전방지이다. 현재국내 Medtech 산업은저가, 중저급기술제품은대체로소규모의중소기업 에서생산되며고부가가치의제품은전량수입되고있다. < 생체적합성나노섬유웹 > Wound Dressing and Bandages 용도의상처용붕대는다양한의료, 외과용응 용제품에적합한아주많은형태와크기로판매되고있으며감염과손상으로부터
보호하며치료를촉진시키고피와다른점액을흡수하는기능이있다. 일반적으로상처접촉면은나일론이나비스코스로만들어진 a porous knitted fine mesh fabric이며 microporous films도이용된다. 또한때때로 alginate, chitin, collagen과같은 fibers를상처치료과정을증진시키기위해접촉면에혼합하기도한다. 폴리우레탄과같은 wetting고분자로제조된붕대를사용하면피나혈청이상처로부터나와붕대를투과하는경향이있고넓은표면적은상처보호를촉진하므로출혈을멈추게하기위한응급용붕대로적합하다. 반면에 non-wetting 고분자로만든붕대는특히직경이작은섬유로구성된붕대는피와같은 tissue fluids가붕대를투과하지못하기때문에혈류는붕대내에머물게되어응고되게된다. 따라서붕대물질로의혈액응고가없기때문에붕대제거가용이하다. 특히이같은붕대는다공성이어서대기와상처표면사이에서산소의교환과수증기의증발이용이하다. Wound dressing 은면등으로제조되는 1 차응급제품의경우국내중소기업에 서생산하나중국의저가품이밀리는상황이며고기능성 wound dressing 은 국내에서제조기술을보유하고있지못하여전량수입되어사용되고있다. Electro-spun 나노섬유 web은매우작은직경을가지며작은공극을갖고높은비표면적을갖는매트를제공할수있다. 수분및통기성이좋고, 세균으로부터상처를보호하고체액이스며들지않기때문에제거가용이하며따라서, 상처보호용 wound dress나인공피부등에매우탁월한효과가있으므로적극적연구개발이요구된다. <Surgical Items> 상처를꿰매는데사용되는봉합사는가장일반적인이식용조직이며인체내부상처의봉합에있어서는생분해성및생체적합성이요구된다. - Monofilament 매끄럽긴하지만딱딱한용도에적용. - Braided는거칠긴하지만좀더유연하여매듭을쉽게할수있는봉합에적용됨 - 생분해성이없는봉합사는전통적인실크에서부터폴리아마이드, 폴리에스
테르, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌그리고 PTFE 등으로만들어지며, - Polylactide 와 polyglycolide 는생분해성응용제품에자주이용됨. 또한조정가능한섬유의다공성은상당히많은외과분야에서이용된다. - 직 / 편폴리에스테르또는 tubular 형태의 PTFE( 직경 1.5mm이하 ) 는혈관접합용으로이용됨. - 손상된건 (tendons) 과인대는일반적으로실리콘으로씌우던지때때로탄소섬유와결합된 woven 또는 braided 합성섬유에의해대체되거나회복될수있음. - 대부분이셀룰로오스계인특화된중공사는신장 ( 투석을위한 ), 간장, 폐와같은인공장기용여과막으로이용됨. 현재국내의생분해성봉합사나인공신장용여과막등은삼양사등국내기업 또는연구소에서개발되어상용화되고있다. < 조직공학 (Tissue Engineering) 기술 > 봉합물은신체조직을고정혹은보수하는데사용된다. - 봉합물은강도, 생체적합성, 유연성, 멸균성, 생분해성등의물성이보다엄격하게요구됨. - 생물학적, 화학적, 혹은생합성적인혈관이식등과같은특별한봉합물에요망되는물성은생체적합성과같은기존의물성외에 porosity를가져봉합물의외부표면을확장시키고조직의내부확장을촉진시켜내피세포화를용이하게해줌. 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. 구조물혹은삽입물을다공성표면으로하는것은군체화를촉진시키고신체 조직과다공성물체간의접합을제공하기위해인접신체조직으로부터다공성
표면의내부로성장을촉진시키고자함이다. 전형적으로신체조직의다공물 내부로의성장은핵이되는혈류세포로부터다공물의내부로신체조직의성장 을촉진시킴으로써이루어진다. 국내조직공학의연구는아직진행중이나상용화되지는못하였으며생분해성, 생체적합성고분자로부터제조되는 elect- rospun 나노섬유소재는생체모방성, 생체적합성기능및미세다공성을갖는소재로서조직공학 (tissue engineering) 기술에매우중요하므로이에대한적극적인연구가요구된다. 2) Electro-Flash Hybrid 방사기술 국내에서는 Melt Blown 및 Flash 방사기술에의해범용섬유로구성된부직포를제조하고있으며국내부직포시설은도입초기인 60년대원시적설비에의해시작하였으나 80년대에들면서생활수준의향상으로소비자가요구하는부직포의수급에따라고기능을제공할수있는새로운제조방식및설비의도입이이루어졌으며 90년대에들어서는의류용뿐만아니라산업용, 고기능 고성능제품으로수요가확장됨에따라중견및대기업을중심으로제조기술및설비의고도화가이루어지고있다. 그러나, 국내부직포산업은투자비등재정적인문제와수요문제가겹치면서장치산업과노동집약산업의중간형태를취하고있으며또한범용섬유보다더극세사로구성된부직포또는 web 제조기술은보유하고있지않다. Porous Sheet Fabrics은구성섬유의길이와배향그리고서로결착된섬유들로인해형성된 Channel에의해특징된다. 현기술인 sponbonded, melt blown 및 flash 방사기술로는길고연속적인섬유로구성되며 Channel이긴최적물성의 porous sheet web을얻을수없다. Porous Sheet Fabrics의특성을보면 - 미세입자나 bacteria 등은통과시키지못하나가스나액체에대한우수한투과성을지녀야함. - 높은처리용량, 높은여과효율을얻으면서동시에압력손실이기존재료보다훨씬낮아야함. 극세섬유 web 의제조는 Melt Blow 부직포와 Flash 방사법에의한부직포를들
수있다. 복합섬유나직방식에의한초극세섬유는 Fibril 집속형섬유를제외하면어느것이나섬도가균일하나 Melt Blow법이나 Flash 방사법은고온고속 Gas류에폴리머를분사하거나폭발적으로폴리머를분출시키므로섬도는불균일하다. 방사조건에따라서 Melt Blow법에서는 0.01 ~ 0.05 d, Flash 방사법에서는 0.2 d 정도의섬유가생산되나섬도를균일화시키는고도의기술을필요로하며생산성도저하되는문제점이있다. ( 초 ) 극세섬유 web 을제조할수있는장치및소재기술은국내에서아직확보 되지못하고있다. 따라서, 보다고효율및고기능성 Porous Sheet web을요구하는산업계의요망에따라유체중의더작은입자를제거할수있으며, 압력손실이기존소재보다훨씬낮은 electro-spun 나노섬유매체를제조할수있는 Electro-Flash Hybrid 방사기술개발이필요하다. 1.1.1.2 국내나노기술을이용한산업용무기섬유산업분석 30여년전노벨물리학상을수상한 Richard P. Feynman 교수는물질의크기를극도로작게조절하고배열할수있다면물질에잠재된엄청난특성을과학과기술에사용할수있을것으로예측한바있다. 이러한예측은최근미국을비롯한선진과학자들의집중적인연구결과로실현되고있다. 초미세크기의단위구조로이루어진재료를나노구조재료 (nanostructu- red materials) 라고하며, 단위구조 ( 결정입자 ) 의크기는 100nm ( 나노미터 : 1 nm는 10억분의 1m) 미만, 즉머리카락굵기의 1000분의 1 미만이다. 기존의마이크로미터 (1μm는 100만분의 1m) 크기의물질과비교해새롭고, 다양한기능의재료성질을갖는나노구조재료는고도화된현대산업기술이요구하는극도의미세한부품및다기능성에부응한다는점에서세계적으로많은관심이집중되고있다. 특히, 나노구조재료를기초로한극미세가공기술등을총칭한나노기술 (NT; nanotechnology) 은정보기술 (IT) 과바이오기술 (BT) 에이어새로운전략분야로떠올라선진국들간에경쟁이치열하게전개되고있다. 나노구조재료는나노크기를갖는입자의독특한기계적, 물리적, 화학적성질
에기초하여 stronger, stiffer, lighter, smaller, faster, more sensitive 한다기능성질을나타내며, 이는주로재료의큰부피를차지하는입계및계면의성질에절대적으로의존한다. 예로서입자의크기가 10 nm인경우약 40% 에달하는재료의부피를결정계면과입계삼중점이차지한다. 따라서원자구조적관점에서나노구조재료는규칙적인원조구조의결정입자들과불규칙한계면의복합구조를갖는구조복합재료 (structural composite) 라할수있다. 나노구조재료의응용분야는초소성을갖는세라믹이나, 고강도, 고인성나노세라믹과같은구조재료외에도, 미세한결정립을갖는단일자구의결정이방성을만족하는자성재료 ( 초상자성센서및자성유체등 ) 나표면적의극대화를이용한광촉매, 연료전지및가스센서와같은기능재료로서널리이용되고있다. 재료분야에대한나노소재관련기술은구체적인응용에서의필요성에의해이미어느정도는활용되고있는기술이다. 예를들어화장품이나안료의충전제, 초소성재료, 고기능성의다양한코팅층등에널리사용되고있다. 따라서나노기술의개발은기존산업의고도화에크게기여할수있다. 이러한나노기술은재료분야뿐만아니라전자, 광학, 에너지, 우주 항공, 의학, 환경등거의전산업분야에서응용이가능하기때문에, 이로인한경제적파급효과는정확하게추정할수없으나막대한규모임은확실하다. 특히반도체, 전자, 자동차등우리나라의국가기간산업에대한국가경쟁력을제고시킬수있다. 이러한나노소재의구체적응용분야로는 - 반도체 CMP( 화학적, 기계적연마 ) 연마제용분말 - 세라믹콘덴서용미세고유전율분말 - 고정밀고강도구조세라믹용원료분말 - 자동차및화학반응로에사용되는고표면적촉매재료 - 광학재료, 자기재료, 센서재료 - ULTRA-BIO 분야 - 화장품, 페인트, 잉크분야등이다. 표 2-4에나노무기분말의형태에따른활용분야및활용재료를제시하였으며표 2-5에서는각산업분야와관련한나노복합분말의적용예를나타내었다. 또한표 2-6에는기능성나노복합분말의분류및주요기능및응용예를제시하였으며각기능별로사용되고있는재료들의실예는표 2-7 및 2-8과같다.
국내의경우나노소재들은이미코팅이나전자부품소재산업등에널리응용되고있으며, 현재연간 1000억원규모이상의마켓시장이형성되고있다. 국내에서는나노사이즈의금속및세라믹초미분체를생산하는기업은거의없으며, 사용량의거의전량을수입에의존하고있는실정이다.(2-9 ~ 11 참조 ) 한편무기섬유는광의의의미에서해석하면유리섬유, 용융현무암섬유, 실리카 -알루미나-칼시아계섬유, 실리카섬유, 지르코니아섬유, 알루미나섬유, 탄소섬유, 탄화규소섬유로광범위하다. 이들무기섬유는초고강도고탄성섬유로서복합구조재료의보강용소재로서중요한위치를차지하고있다. 국내복합재료는전체시장이 1조 5000억원정도로서매년 10% 이상의성장을계속하고있다. 무기섬유는내열특성, 내산화성등의특성을가지므로우주항공용소재를비롯하여건재, 정보기기관련, 해양개발, 우주개발분야등과선박건축자동차산업에이르기까지폭넓은응용분야에큰역할을하고있다.(2-12 참조 ) 내부식성, 내마모성, 내충격성, 절연성, 단열성, 경량화, 미려한외관등의특성으로시설물의내구성과안전성등을확보할수있기때문에, 건설분야에서도무기섬유를이용한복합재료의용도와그이용공법은시설물의특성에따라아주다양하게개발활용되고있다. 이와같이, 무기섬유는넓은면적을커버할수있으며, 경량화로이어지고있는구조물의보강재로서고강도고탄성화될경우산업적으로무한한응용의가능성을갖고있다.
표 2-4. 나노무기분말의응용분야 Type Application Materials Abrasive(General abrasive, chemical mech- anical planarization(cmp), optical polishing) Al 2O 3, SiO 2, Fe 2O 3,CeO 2, Cr 2O 3, MnO 2, SnO 2 Powder Flocculant Al 2O 3, Fe 2O 3 Antisettling reagents SiO 2 Automobile air bag propellant Fe 2O 3 Filler Rubbers, Plastics, Ceramics, Metals C, SiO 2, TiO 2, SiC,Y 2O 3, zeoloite, clay Dispersion Magnetic Ferrofluids Fe 2O 3 Electronic Semiconductor CdS, PbS, CdSe, Si- CdSe Cosmetics Sunscreen, Moisturizer, Lipstick, Foundation Fe 2O 3, TiO 2, ZnO Pigment General, Automotive, Paste Fe 2O 3,TiO 2,mica,Ag,Pd Catalyst General, Redox, Photocatalytic, Synthesis (H2/NH3/Ethanol) TiO 2, Fe 2O 3, SnO 2, ZnO, Pd, Pt, Cu, Ni Electromagnetic Microwave absorbing, Radar absorbing, UV protecting Fe 2O 3, cermets, TiO 2, ZnO Coating Magnetic Optical High-density recording, Color imaging, High-energy product permanent magnet, High sensitivity read head Display (CRT & Panel), Optical switch, Fluorrescent, Data storage, Reflectors for incande- scent lamps Fe 2O 3 coated with Co or CoFe, Nd- Fe-B, Cu/Co alloys ZnO, TiO 2, Tb 2O 3, NiAl oxide cermets, chalcogenide sem- iconductor Mechanical Wear-resistant, Powder coating NiAl oxide cermets,zno Chemical Corrosion-resistant NbAl oxide cermets,zno Heatresistant Thermal barrier coating, Fire retarding ZrO 2, ZrO 2-Y 2O 3, SnO 2, Sb 2O 3 Biological Antifungicide ZnO Bulk Porous Bulks Dense Bulks Sensors, Filters, Templates SnO 2, TiO 2, ZnO 2, Al 2 O 3, SiO 2 Net shaped ceramic parts, Cutting tools, Electronic parts ZrO 2, TiO 2, Al 2 O 3, ZnO, InSnO 2, BaTiO 3
표 2-5 나노복합분말의적용예 분야수송정보통신전기 에너지의화학정밀 기계토목 건축화학가정 적용예차량및항공기용글래스, 브레이크부품재료, 점화플러그, 차량번호식별용공진자, 배기가스정화용촉매, 하니컴담체, 가스센서, 온도센서, 서리방지글래스용피막 IC기판및패킷재, 압전진동자 ( 전파필터 ), 전파흡수체, 페라이트, 저항, 콘덴서, 배리스터, 서미스터, 광통신용파이버, 레이져, 자기테이프연료전지용고체전해질, 전극, 저항발열체, 고온가스터빈날개, 이차전자증폭체, 접점재, MHD 발전용전극및절연체, 수소저장체, 태양열흡수체, 대용량렌즈, 적외선반사또는흡수벽, 단열재, 원자로재 ( 핵연료, 반사벽재, 감속재, 제어재 ), 방사폐기물고정화재, 핵융합로재 ( 블랭킷재, 제일벽재 ) 인공치근, 인공관절, 도치, 혈류센서, 심장페이스메이커가공공구, 축수시멘트, 글래스, 단열재내식용기식기, 위생도기 표 2-6 기능성나노복합분말의분류및주요기능, 응용예 기능구분기능예응용예 분리 흡착 이온교환성 / 킬레이트화 / 흡착 탈착성 / 생체적합성 / 선택분리성 / 염색성 / 흡진성 / 방진성 / 통기성 / 중공질소고정능보지성 이온교환성소재 / 킬레이트성소재 / 흡착성소재 / 담수화, 폐수처리, 우란흡착성소재 / 의료용 ( 인공신장, 인공폐, 인공혈관, 수술사 ) / 금속이온의식별 / 고분자흡착재 / 고분자응집재 / 에너지절약분야 열 전기 전자 단열성 / 전열성 / 감열성 / 초전성 / 내열성 / 열전성 / 축열성 / 내저온성 / 난연성 / 방염성 / 써모크로미즘전기절연성 / 유전성 / 도전성 / 압전성 / 초전성 / 초전도성 / 제전성 / 정보기억성 단열재 / 보온재 / 보냉재 / 플라써미스터 / 초전체 / 써모크로믹재 / 에너지절약분야절연성재료 / 유전성재료 / 전선절연 / 도전성소재 / 면상발열체 / 고분자압전체 / 정보처리 / 에너지절약분야
기능구분기능예응용예 광 내광성 / 내후성 / 광흡수성 / 광굴절성 / 광간섭성 / 광투과성 / 유기반도체 / 포토크로미즘 / 정보기억성 / 광전달성 / 광선택투과성 / 광전변환성 / 내방사선성 / 방사선흡수성 / 방사선반사성 / 전자파차폐성 광굴절 / 유기광도전체 /X 선흡수 산란재 / 방사선방호소재 / 에너지절약분야 음향 진동 자기 흡음성 / 차음성 / 제진성 / 방진성 / 흡진성유자성 / 내자성 / 방자성 / 차자성 / 정보기억성 흡음재 / 방음재 / 제진재 / 방진재 자기시트 / 정보처리 / 항공 우주분 야 생체관련 생체내붕해성 / 무해 살균성 / 생체흡수성 / 생체반응성 / 생체적합성 / 방균성 / 미생물분해성 / 바이오기술적합성 / 쾌적성 / 건강성 노인의료 / 아기의료 / 스포츠복 / 수 술복 / 의료용 / 생체모방기술 / 바이 오산업 친수 친유 고흡수성 / 발수성 / 흡유성 / 방수성 / 흡습성 / 투습성 고흡수용소재 / 흡유성소재 / 발수포 / 방수포 / 고분자토양개량재 접착 순간흡착 / 열접착성 / 감압접착성 / 콘크리트부착성 접착전반 / 핫멜트접착 / 콘크리트보 강재 역학적 형태학적고성능물성 고강도 / 고인성 / 고모듈러스 / 고탄 성 / 내마모성 / 저마모성 / 내피로성 / 경량 / 초극세 / 표면초가공성 항공 우주분야 / 에너지절약분야 / 고성능물성소재전반
표 2-8(a) 각기능별나노복합분말의재료예 기능특성재료예 고절연성 Al 2O 3 전기적 유전성 도전성 고용량성 BaTiO 3 압전성 PZT, SiO 2, ZnO 반도성 LaCrO 3, SiC 온도특성 BaTiO 3, V 2O 5 비선형성 ZnO-Bi 2O 3 분위기의존성 SnO 2, ZnO 이온도전성 β-al 2 O 3, ZrO 2 전자방사성 LaB 6, BaTiO 3 연자성 Zn-Mn Ferrite, γ-fe 2O 3, YIG 자기적 경자성 SrO 6Fe 2 O 3 광학적 투과성도광성반사성형광성발광다이오드전장발광전기광학효과 Al 2 O 3 (MgO) SiO 2, ZnO SnO 2, In 2 O 3, TiN CaWO 4, LaF 3, Yb, Er, Y 2O 2S, ZnS, Al 2O 3, Y 3Al 5O 12 GaAs, Si ZnS, Cu, Al Bi 4(GeO 4) 3, PLZT 음향광학효과 LiTaO 3, LiNbO 3 열적기능기계적생물 화학적 자가광학효과 YIG 내열성 ThO 2, ZrO 2, C 단열성 K 2O ntio 2, CaO nsio 2 전열성 BeO 경질기능 Al 2O 3, WC, TiC, BaC, SiC, C 강도기능 Si 3N 4, SiC 생물골재대체성 Ca 5(F, C l)p 3O 12, Al 2O 3 담체성 SiO 2, Al 2O 3, TiO 2 촉매성 K 2O nal 2O 3, Ferrite
표 2-9 섬유분야의광촉매관련응용제품표 기업제품비고 Toray, 信川세라믹스 고쿠요 의류용섬유 학습용책상 스포츠의류나제복, 고령자용제품등을중심으로전개 광촉매막부착형광램프가열반응에의해 formaldehyde 를분해하고냄새제거 에스테化學이불제습소취시트 소취 제습재 [ 드라이페트포굴결통시트 ] 구라레항균방취섬유 [ 샤인업 EX] 洗淨시스템연구소 光觸媒연구소 共和기술설계 항균가공 세라믹허니컴 유리타올 섬유탈취가공제 항균의류, 항균시트등을간단하게만드는기술을아이시스와공동개발 공기청정기등에이용되며광촉매구슬보다부착의번잡함이없고가격이쌈. 광촉매를코팅한유리 [ 히카리 테크노글라스 ] : 정수용 광촉매를코팅한섬유를이용한타올 [ 히카리 테크노타올 ] 무기계다공질규산염에산화티탄을함유시킨세탁소취마무리가공제 [ 단클 ] 不二 WPC 광촉매세라믹볼 자연환경정화기능이있는세라믹볼 [PIP 티탄볼 ] Cera Shop 미도리카쿠 메인테넌스 무좀방지양말 항균타올 日本폴리머형광등관커버 [ 테크라스광크리시트 ] [ 마이라이프 ] 목욕타올 5,000 엔, 타올 3,000 엔, 손수건 1,000 엔 大光전기조명기구 [Air Clean], [ 라이크린 ] 東芝라이텍조명기구 냉음극형광램프 산와쿠 의료용섬유 睡眠하우스다카하라의료용섬유 가격 : 15,000 엔 照園전기조명기구 침실용 포에버 식칼 광촉매 face mask[ 비후라이후 ] 가격 : 1,000 엔 /6 장 광촉매작용에의한멸균효과를섬유상에인쇄한상품 O-157, 살모넬라, 대장균도항균 가격 : 6,800 엔 / 세트
표 2-10. 수처리분야의광촉매관련제품 기업제품비고 핍콕日立 日立금속 日本 MP 수처리장치 수처리용필터 활수기 동관의광촉매모듈내면에광촉매담지유리섬유필터를부착시킨장치 수처리용광촉매담지금속필터 [TiOMET] 시리즈 광촉매와항균제를브렌딩한항균세라믹볼을채용한 [ 워터막스 ] 레지오넬라균의 증식장소인 오니를 원심분 리기로 제거하고 광촉매로 물을 살균하는 TS 機材 상수정화기 복합시스템 가격은 350톤쿨링타워부착용이 350만엔부터이며공장 병원등에판매 엔바이시스 수처리장치 광촉매 UV시스템 TiO2 데이터프레이스 bathconditioner 수정화기능의 [ 토루마리모 ] 三和 24시간욕실정화시스템 욕실수정화 [ 비스포카 ] 아데카엔지니어링 정수시스템 상전화공업과공동개발 표 2-11 대기처리분야의광촉매관련제품 기업 제품 비고 飛島건설 탈취시스템 의료복지시설, 문화 공동시설, 스포츠 레저시설에시공실적 아데카엔지니어링 에틸렌제거장치 보냉고 급냉고에이용 농산물의선도유지 KG팩 탈취장치 광촉매필터와냉음극관램프를일체화시킨광촉매탈취장치 저온化成 에틸렌제거장치 선도유지장치 [ 제오프레샷 ] 大和실업 에틸렌제거장치 [ 후렛슈만 ] 냉장고용 이스즈자동차 항균탈취장치 냉장고차량 ( 트럭 ) 시츠아시파크 탈취재 식료품용풀질보존팩 [ 미곡 ]
표 2-12 무기섬유의종류상품명 종류 회사명 국가 ALMAX alumina Mitsui mining Japan Boron Boron, Tungston AVCO CERAFIBER Alumina silicate Johns Manville co. USA FIBERMAX Alumina silicate Carborundum FP alumina Du Pont USA HAKOTHERM Silica HKO D HPZ 59Si-10C-28N-3O Dow Corning USA KAOWOOL Alumina Silicate Thermal KERLANE Alumina Silicate KERLANE MPDZ 47Si-30C-15N-8O Dow Corning USA MPS 69Si-30C-1O Dow Corining USA NEXTEL 312 Boratesiliconalumina 3M Ceramic Material DEP. USA NEXTEL 440 Boratesiliconalumina 3M Ceramic Material DEP. USA NEXTEL Z11 Silica zirconia 3M Ceramic Material DEP. USA NICALON Silicon carbide Nippon carbon Japan SAFFIL Alumina ICI Fibres UK SAFFIL HA Alumina ICI Fibres UK SAFFIL RF Alumina ICI Fibres UK SCS2 Silicon carbide AVCO SICONEX Silica Zirconia 3M Ceramic Material Dep. Silicatex SiO2 HKO D Silontex Calcium silicate HKO D Spinel Alumina silicate Sumitomo Japan TextronBoron BO Textron Textron SCS SiC with core Textron Tyranno SiC with organic precursor Ube Japan Zirlane Aluminium Silicate Kerlane ZYBF-2 Silica Zirconia Zircar producers 국내에서유리섬유가생산되기시작한것은 80년대중반에들어서이며그이전에는전량수입에의존하였다. 현재의유리섬유제조업체는 4개사로서한국베트로텍스, 한국오웬스코닝, 한국화이버, KCC 등 4개사이다. 이들 4개사에서약 12만톤정도의 E-glass가생산되고있으며약 1억 5천만불정도의 PCB용 E-glass가수입되고있다.
유리섬유는 7-8종의유리섬유가있는데특성에따라서 C-glass는건물보강용또는 Tank lining용으로사용되며, 연간 80억원정도의규모로수입되고있다. 국방용또는전기전자용으로사용되는 D-glass fiber는유전특성이높은특성을갖고있으며안테나용이나레이더용함정용의소나등에사용되며중국으로부터약 16억원정도의규모가해마다수입되고있다. S-glass fiber는 Owens Corning의자회사인 AGY사에서연간 20톤정도수입되어보병전차용 FRP용보강재로서사용되고있다. 이외에도 M-glass, L-glass, AR-Glass, K-glass 등이소량씩수입되고있으며, 고온용 silica glass는강남정공에서소량생산되고있다. 현재가장많이상업적으로생산되고있는무기섬유는 silicate를 base로한 e-glass fiber이다. e-glass fiber는전기절연성이높고방사성이뛰어나며내풍화성이높은등의장점이있으나, 비교적강도가낮으므로고강도고기능성을요하는분야에의응용에는제한되고있다. 내열강도, 내피로성등의기계적특성이요구되는분야에사용되기위해서는고강도고탄성의섬유가요구되고있다. 국내탄소섬유수요는스포츠 레저용과토목 건축용으로수요가형성되고있으며, 연간약 800톤규모가소요되고있으나국내에서생산되는탄소섬유원사는약 60톤정도이며나머지는일본을비롯한외국에서수입되고있다. 국내의경우탄소섬유의필요성에대한인식은증가하고는있으나, 신규수요업체가원료가격부담으로사용을기피하고있고, 공급업체도설비비용부담으로투자를꺼리고있어앞으로도계속수입에의존할것으로보인다. 고기능세라믹복합재나금속복합재등에사용되는무기장섬유의국내생산은전무한실정이며, 소량씩연구개발용으로수입되는것을제외하고는국내에시장이거의형성되어있지않으나최근고기능고온세라믹가스필터, SiC/SiC, SiC/C 복합재료등고부가가치의응용제품들이등장하면서연구개발의필요성이커지고있다. 특히, 세라믹장섬유의경우우주항공산업, 자동차산업, 발전산업등에있어서초경량고강도복합재의기초소재로서많은기대가모아지면서국내연구개발관심이높아지고있다.
1.1.1.3 나노입자표면특성개질및설계기술개발 < 연구의개요 > 본연구는나노섬유입자의표면에나노크기의정밀코팅기술 ( 금속, 세라믹, 고분자 ) 을적용함으로써, 차세대용산업용섬유로서나노섬유화의방사성을극 대화하고새로운기능을발현시키고자함이궁극적인목표이다. 현상학적으로는나노섬유입자의표면에수nm두께로입자를배열함으로써코 팅박막의두께, 화학조성, 순도및결정성등을나노크기로정밀제어하여나 노섬유입자의안정적인코팅기술을개발하는것이다. 나노섬유입자의표면개질은나노입자의응집성이매우강하기때문에표면 탄성이높아분산, 안정화뿐만아니라방사전의유변학적특성에매우중요하 다. 이러한나노기술의적용은기존미크론단위코팅기술로서는가능하지않는전기, 전자, 화학, 광학, 자기, 기계적특성을기대할수있는 21세기의핵심산업으로부각되는 IT, BT, ET 산업관련차세대섬유개발에매우중요한기술로활용될것이다. 이러한연구목표를위하여중점적으로향할연구내용은아래와같다. 1) 나노섬유입자의표면코팅및개질기술의연구개발 2) 표면개질된나노섬유입자를첨가한차세대섬유의최적방사성설계 3) 제조된차세대산업용섬유의정밀평가 4) 나노섬유입자의합성 코팅의연속공정기술의개발 < 연구내용 > 나노레벨의표면코팅이가능한고속공정기술개발 - 나노제어열플라즈마스프레이코팅장비설계및제작 - 고속플라즈마화학증착장비설계및제작
- 코팅막분포가균일하고안정된섬유입자로서 P/P 생산기술확립 - 나노코팅기술과 in-situ 나노분말합성기술의병합공정확립 도전성, 광학성, 내산화성보유물질 (TiO 2, ZnO, Fe 2 O 3 ) 을기본으로나노코팅기술확립 - 무기 / 무기및유기 / 무기코팅기술확립 - 직경 500 nm부터 10 nm까지의나노섬유입자표면의정밀코팅기술확립 - 산소및수분에민감한 core 나노섬유입자의비산화성및내화학성구현 - 표면을균일하고얇게코팅하여나노섬유입자가분산상태로장시간유지할수있는공정기술개발 표면개질된나노섬유입자의평가기술확립 - 코팅막분포 ( 변동계수 10% 이하 ), 압력, 온도장에서의상태및반응조건의확립 - 코팅층두께 (1-50 nm ), 안정성및입자중의분포, core 입자와이루는계면특성, 코팅막표면의상태를평가 표면개질된나노입자를활용한산업용섬유의방사성설계및평가 - 표면개질된나노섬유입자와섬유고분자의혼합체의유변특성규명 - 표면개질된나노섬유입자의젖음성 (wettability) 및 cut모양의최적화실현 - 비응집성구현으로 100% 분산성및혼합성구현 - 표면개질된나노섬유입자와섬유고분자와의계면특성연구 - 나노구조와기능특성과의관련성을규명하고정밀기능해석및계측기술을선도 1.1.1.4 유기 / 무기나노혼성체의섬유형성기술개발 < 연구의개요 > 현대기술의선구자적입장에정보기술, 생명기술이있다면, 미래의핵심적인기술은나노기술로집약될것이다. 다시말해, 정보기술과생명기술은서로독자적인기술분야로서자리잡고있지만, 미래에는나노기술이이들기술뿐만아니라다른분야에서도핵심에놓여있게될것이다.
1966년노벨물리학상수상자인 Heinrich Rohrer 박사가최근서울에서열린세계지식포럼에서기존의과학기술은 10년내에그한계에부딪힐것이라고언급한바있다. 결국한계를극복하기위한해답은나노기술에서찾아야함을시사한다. 나노미터 (1 nm) 란 10 억분의 1 m 의길이규모를의미하며, 현재의나노기술은 10 nm 에서 100 nm 수준에서이루어지고있다. 나노기술에있어서가장중요한것은새로운소재개발및적합한적용분야를 찾는것이다. 그일환으로서나노입자를고분자에접목한나노복합재료 (nanocomposite) 는그용도를점차확대하려는추세이다. 일반적으로고분자재료는그자체로양호한특성을가지고있으나, 여기에충진제나기타첨가제를섞음으로써복합재료로만들면보다우수한물성을발휘할수있다. 그러나기존에사용되고있는충진제나첨가제는그입자크기가적어도수마이크론이상이며첨가되는양에비해서발휘되는물성은미미한수준이다. 산업의고도화에따라현재수준보다도더욱우수하면서도특수한물성이요구되어기존의고분자재료는이러한요구에부응하지못했다. 일반적으로고분자복합재료의특성은충진제의입자크기와분산성에민감하다. 따라서기존의충진제를나노입자화하여첨가하여나노복합재료로만들수있다면기존의재료에서는볼수없었던독특한거동및특성을발휘할수있을것이다. 예를들면, 나일론 6 모체에소량의규산염광물나노입자를고르게분산시키면탄성계수및인장강도가크게증가하며수분이나기체투과도가현저히떨어진다. 또한열에대한형태안정성뿐만아니라난연특성도우수해진다. 즉, 3 ~ 5% 만첨가하여도탄성계수및인장강도는기존에사용되는충진제를 20 ~ 60% 첨가한것에해당하는만큼증가하며, 열변형온도의경우기존첨가제를 20 ~ 30% 정도첨가한것에해당하는만큼증가한다. 나일론나노복합재료의우수한특성발현을위해서는규산염광물나노입자의 균일하게분산될필요가있다. 이를위해서는두가지방법이있다. 첫째방법 은기계적인방법이며, 둘째방법은합성방법이다. 나노복합재료의특성은이
초기단계에서결정된다해도과언이아니다. 일반적으로합성을통한방법이균일분산에더유리하다고알려져있다. 따라 서이부분의기술이보다적극적으로확립될필요가있다. 또한얻어진나일론나노복합재료를방사하여섬유로제조하는데있어특유의 물성발현을위한방사법을개발하는것이매우중요하다. 즉, 나일론나노복합 재료의섬유제조에관한기술적인고찰이시급한실정이다. 이연구의목적은나노스케일로함유된입자를포함한섬유의공정, 구조및성질과의관계를연구하는것이다. 입자로써는다른고분자, 세라믹, 금속, 탄소나노튜브, Graphite 등이며, 그크기가나노급이여야한다. 그래서나노복합체가두개의상이블렌드되어있으며, 계면의특성을나타낸다. 결국독특한내부구조와성질을나타낸다. 나노사이즈의입자를함유한고분자가독특한성질을나타낸다는보고서는점점증가하고있다. 아마이것은거미줄에서도그사실을알수있다. 거미줄은비결정매트릭스에 15% 의베타결정이혼입되어있는것이다. 그분산된입자에의하여믿기지않는인성 (Toughness) 을나타낸다. 액정이분산된고분자에서도두개의상임에도불구하고분산된입자가아주작을때에는탁월한전자-광학적인 (Electro-optical) 성질을나타낸다. 마찬가지로클레이로잘 exfoliated된나일론6 도탁월한배리어성과열적성질을나타낸다. 특히 Injection molded 된 Nylon6-clay 나노복합체는나일론6에비해탁월한성질을나타낸다. 4.7% 의 nano-clay로써, 120 에서의 flexural 강도가두배가되고, flexural 모듈러스는 4배가되고, 열변형온도는 65 에서 152 로증가한다. 이시료에서는실리케이티드클레이층의두께가 1 nm이며, 이것에대한섬유에대한보고는아직없다. 마찬가지로탄소나노튜브를 5% 로딩시키면인장강도가 90% 증가, 탄성모듈 러스가 150% 증가, 전기전도도가 340% 증가한다. 최근 Polyester 에 100nm 의 silica 입자를 0.5, 1.0 및 1.5% 함유시킨 PET-silica 나노복합재료섬유에대한보고가있었는데, 그결과수축률에는큰변화가 없으면서모듈러스가 30 ~ 60% 증가하였다.
이연구의목적은나노사이즈로분산되어있는계에대한섬유화물질에대하여연구하며, 이것은중합, 방사, 구조및성질분석그리고분자모델링을포함한다. 나일론6-clay계를출발하여고분자내에서의 Sol-gel 분산영역, 고분자분산액정계, Graphite 함유고분자계등으로확장될것이다. < 연구내용 > 고분자나노복합재료 (Polymer Nanocomposite) 는유기 Matrix제인고분자와나노크기 (nanosize) 의무기충진제로이루어진복합재료를의미하며, 분자단위로화학반응을하는 Polymer와달리충진제인무기물을 Nanosize로만들기는어렵고만들더라도많은비용이소요되기때문에자연물에서찾게되었고이중가장경제적이고 Nanosize의구조적인특성을잘지닌물질이바로 Clay로현재의 Polymer nanocomposite 연구의근간을이루고있다. Polymer nanocomposite의기술핵심은층상물질인 Clay를어떻게변화시켜목표 Polymer가용이하게 Intercalation이되도록하느냐에달려있다. 이 Clay의대부분은그층간에 Na + 나 Li + 의이온으로채워져있고, 말단에는 OH Group 이존재한다. 즉매우 Polar한친수성구조로서대부분의친유성인 Polymer로서는 Intercalation이어렵다. 이것을어떻게 Intercalation시키고균일하게분산시키는것이중요기술이다. 현재까지밝혀진 Polymer nanocomposite 의특성으로는다음과같다. 1 Strength나 Modulus 등의기계적강도의상승 2 열변형온도나난연성을부여하는열적특성의개선 3 수분이나가스의투과성을억제하는 Barrier역할의향상 나노복합재료는이러한우수한특성을갖고있기때문에이러한특성을가진 섬유를제조하는기술의개발은필요하다. 나노복합재료섬유를제조하는데있어서, 나노복합재료의특성을살리면서나 노복합재료에적합한방사조건, 연신조건, 권취조건을연구하는것이핵심기술 이다.
나노복합재료섬유의특성인고강도고탄성율의성질과난연성을가지고있는 섬유를제조할수있으므로, 스포츠웨어, 판스토등의료용과고강도고탄성 률을이용한산업용등특수용도로의용도전개가가능하다. < 연구목적 > 본연구에서는나노사이즈로분산되어있는계에대한섬유화물질에대하여연구하며, 이것은중합, 방사, 구조및성질분석그리고분자모델링을포함한다. 나일론6-clay계를출발하여고분자내에서의 Sol-gel 분산영역, 고분자분산액정계, Graphite 함유고분자계등으로확장될것이다. - 나노입자혼합및충진중합에의한나노복합재료제조기술개발ㆍ나노복합체를형성하는최적의고분자및나노입자의선택ㆍ균질한특성을나타내는나노복합재료의중합및혼합조건개발 - 나노복합재료최적섬유제조조건개발ㆍ나노복합재료에따른최적방사, 연신, 권취조건개발ㆍ용도에따른나노복합재료섬유최적섬유제조조건개발 - 나노튜브복합체에관한연구ㆍ Electrostatic, hydrodynamic 및 electrohydrodynamic field에서의분산및배향에의한 Carbon 나노튜브의개발ㆍ나노복합재료섬유의제조및특성분석ㆍ기계적및전기적성질의모델링 - 나노복합재료의확장기술개발ㆍ고분자내에서의 Sol-gel 분산영역에의적용ㆍ고분자분산액정계및 Graphite 함유고분자계에의적용ㆍ복합기능성나노복합재료섬유의개발ㆍ초기능성나노복합재료섬유의개발 1.1.2 국내산업의시장점유율분석 1.1.2.1 유기나노산업용섬유의국내산업시장점유율분석 1) 국내시장규모
표 2-13(a) 관련산업국내시장규모 (1/2) ( 단위 : 천불 ) 구분 96년 97년 98년수출수입소계수출수입소계수출수입소계 필터 111452 559045 670,497 116826 428162 544,988 120105 187435 307,540 미국 16359 201744 218,103 17369 160508 177,877 17880 74508 92,388 독일 765 84139 84,904 558 67603 68,161 1513 30798 32,311 영국 807 15443 16,250 982 14154 15,136 1514 4716 6,230 일본 11444 193002 204,446 9173 118970 128,143 6570 34707 41,277 탄소섬유 8507 48001 56,508 10898 42769 53,667 9114 32572 41,686 미국 49 6186 6,235 1768 3648 5,416 374 1555 1,929 독일 1 823 824 0 624 624 5 514 519 영국 248 126 374 126 1575 1,701 5 1393 1,398 일본 742 38120 38,862 288 34303 34,591 350 26604 26,954 의료 12189 133030 145,219 8875 148587 157,462 12415 113138 125,553 미국 1879 65903 67,782 1608 78308 79,916 5097 54407 59,504 독일 176 10093 10,269 403 10006 10,409 680 7857 8,537 영국 307 6315 6,622 421 7866 8,287 421 8432 8,853 일본 1072 6785 7,857 1412 6547 7,959 1352 5816 7,168 이차전지 5079 87661 92,740 17603 248839 266,442 16790 285885 302,675 미국 990 5370 6,360 1927 5818 7,745 3351 5183 8,534 독일 41 422 463 135 910 1,045 155 550 705 영국 85 26 111 291 485 776 456 21 477 일본 3022 77358 80,380 5993 235413 241,406 1620 253620 255,240 부직포 331464 113301 444,765 331363 99950 431,313 282747 65651 348,398 미국 1434 19444 20,878 1635 19965 21,600 2294 14987 17,281 독일 1411 6838 8,249 2948 4978 7,926 4371 1759 6,130 영국 385 2079 2,464 859 2180 3,039 1140 722 1,862 일본 10784 52012 62,796 14891 36336 51,227 16614 28671 45,285 화섬섬유 1174875 1073940 2,248,815 1483188 1006527 2,489,715 1244740 698448 1,943,188
표 2-13(b) 관련산업국내시장규모 (2/2) ( 단위 : 천불 ) 구분 99년 00년수출수입소계수출수입소계 필터 135044 227124 362168 157957 351029 508986 미국 22693 88045 110,738 30106 119430 149536 독일 2332 34747 37,079 2256 61553 63809 영국 1722 5151 6,873 2412 10717 13129 일본 10123 60633 70,756 9471 105284 114755 탄소섬유 8922 30697 39,619 8765 33714 42479 미국 51 3176 3,227 59 3995 4054 독일 3 703 706 28 681 709 영국 0 334 334 0 149 149 일본 955 22785 23,740 77 26104 26178 의료 12093 133893 145,986 17171 158391 175562 미국 3164 71675 74,839 5677 77287 82964 독일 1175 10445 11,620 2032 12342 14374 영국 365 6026 6,391 686 7024 7710 일본 1471 6017 7,488 2206 7572 9778 이차전지 44262 513320 557,582 48082 539388 587470 미국 20719 8426 29,145 13501 5110 18611 독일 99 1644 1,743 178 1265 1443 영국 37 65 102 232 118 350 일본 1975 434490 426,465 1906 425491 427397 부직포 289674 79310 368,984 294858 93108 387966 미국 1096 18959 20,055 1800 19537 21337 독일 3960 3020 6,980 3933 4132 8065 영국 1409 690 2,099 1439 874 2313 일본 32375 33351 65,726 37591 36902 74493 화섬섬유 1140804 874127 2014931 1302637 - - P.S.) - 관세청 " 무역통계 ', 한국무역협회 'KOTIS 무역통계 - 화섬섬유 = 화섬F사 + 화섬방적사 2) 표면활성나노섬유관련산업의시장성 (1) 고효율, 초기능성분리기능나노섬유소재
< 고효율초기능성 filtration 소재 > 국내여과지시장은 99 년 427 억원을기록하였고 2000 년에는산업용여과지, 공조 용여과지의성장성에힘입어 470 억원, 2001 년에는 518 억원으로연평균 10.13% 의 성장률을기록할것으로추정된다. 국내시장은포화상태이며해외시장을개척하기에는기술경쟁력이너무취약 하므로고효율, 초기능성 filtration 소재의개발이요구된다. 국내부직포시설은도입초기인 60 년대원시적설비에의해시작하였으나 90 년 대에들어의류용, 산업용, 고기능 고성능제품으로수요가확장됨에따라중견 및대기업을중심으로제조기술및설비의고도화가이루어지고있다. 98 년말업계가보유하고있는제조방식별부직포생산라인은총 257 라인으로 96 년대비약 18% 가감소하였으며 현재국내에도입된제조방법은니들펀칭, 케미컬본딩, 서멀본딩, 멜트브로운, 스티치본딩및최근도입된스펀레이스법까지약 9 개정도가있으며 98 년말을 총생산능력은 97 년대비해서는약 25% 증가한상태이다. 선진국에서는고효율, 기능성부직포를개발하기위하여장비개발및섬유의 세섬유화를추구하는바, 국내에서도초극세섬유부직포신소재의개발이필요 하다. 반도체제조공정등공조에활용되는 HEPA 의국내시장은 1999 년도기준 800 억원정도이며 HEPA 급이상의필터소재는소재의종류와무관하게전량수 입하여필터유니트를제조하고있는상황이다. < 탄소섬유시장 > 탄소섬유는제철화학이 150 톤 / 년규모시설을가동하였으나, 1991 년부터가동중 단후, 국내태광산업에서중저급의제품이 60 톤 / 년생산되고있다. 탄소섬유원사의국내생산은미약해내수의 90% 이상수입하고있으며 Prepreg
포함 1999 년기준으로 1906( 약 500 억원 ) 톤을수입, 원사의수입량은 1995 년이 후 1999 년까지 2.7 배증가하였다. 현재활성탄은삼천리활성탄소, 동양탄소등의업체에서제조하고있으나탄소 섬유를사용하여제조하는활성탄소섬유는거의수입하여필터용품으로제조 하여사용되고있다. 최근, 다공성흡착제를다양하게후처리, 또는표면처리하여새로운표면관능기도입, 제거, 표면에너지변화, 미세기공분포조절, 그리고활성금속의첨가등으로선택적인기능성향상을가져오고있다 ( 표 2-14 참조 ). - 의학생체용 : 생체내의인공신장이나인공간장, 혈액의정화제의약품담지투여제 - 전극및 Condenser용 : 유해한수은전지를대신하기위한전기이중층 capacitor( 축전지 ) 는컴퓨터, VTR, 카메라, 시계, 그리고앞으로사용하게될전기자동차등에이용 - Recycle 기술의응용 : 밀폐된우주선에서공기의순환이나제한된물의재사용, 음식물, 과일등을장기간보존하기위한선도유지, 또는부패방지제 - 자원의재활용 : 금과같이지구에희박하거나오존과같이유해한물질의농축제거 - 촉매또는촉매담체용 : 활성탄에금속, 또는금속산화물을첨착하여특수용도로사용 - 기타 : 탄소의도전성, 전기화학적불활성, 내약품성을이용한용도개발 표 2-14 탄소섬유의새로운용도확대의예 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 < 차세대에너지저장기능나노섬유소재 > 국내이차전지시장의규모를살펴보면리튬이온전지시장의점유율중에서 LIPB 의비중이 2003 년 35%( 수량기준 ) 에이를것으로전망된다. LIB 의점유율이
2003년에마이너스성장으로돌아서는반면, LIPB의내수시장은2003년에도 70% 이상의고성장 ( 수량기준 ) 이전망되며, 세계시장에비해내수시장의성장률이더클것으로전망된다. 한편국내 LIPB 시장규모는 2001년 550억원, 2002년 900억원, 2003년 1400억원예상된다 ( 대신경제연구소 Spot Briefs 01-006호, 2001년 1월9 일 ). < 나노섬유 yarn 소재및초극세섬유 > 국내초극세사는코오롱극세사 (ROJEL) 300 t/ 월, 휴비스 (FLOFA) 350 t/ 월, 새 한 350 t/ 월, 효성 300 t/ 월에서생산중이며 그중효성은 2000년나일론 Micro fiber(4,800톤 ) 와풀달 (5,500톤) 제품에서 430억원의매출실적을올렸고 극세사를이용한인조피혁, 투습 / 방수천, wiper등제품으로출하되므로시장은수천억원에해당된다. (2) 생체활성의료기능성나노섬유소재 국내의료기능성섬유는약 1200억원대의시장규모를지니고있으나, 부가가치가낮은일반붕대등은중소기업에서생산하고있고그나마도채산성악화로중국으로시장이넘어가고있다. 반면에고부가가치의의료기능성섬유제품은대부분을완제품형태로수입하여사용하고있으며나머지도소재를수입하여제품화하는것에머물러있다 ( 표 1-16 참조 ). 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, 조직점착제과실런트 - DDS : 마이크로구기술, 약전달코팅
- 인공장기와조직공학 : 대체혈액, 조직공학으로생성되는인공장기 - 안구관련응용 : 눈에의삽입물 - 삽입용장비를위한생체적합성코팅 (sensors) 고부가가치의의료기능성소재는대부분을완제품형태로수입및제품화하고있 다. 3) 해당산업의기업규모별현황 < 고효율초기능성 filtration 소재 > 국내여과지시장은 Finland의알스트롬사의자회사인한국알스트롬 (49.9%) 과크린앤드사이언스사 (42.7%) 가국내시장에서과점체제를형성하고있으며여과지제조업이초기설비투자비용이크고상당한수준의기술력을요하기때문에향후에도이러한과점체제는유지될전망이다. 액체용필터는 ultrafiltration 등의산업용수요가많고최근에는정수기등의 용도로수요가급증하여많은연구가진행되고있다. 에어필터인경우, 필터소재와필터패키지업체로구분할때필터소재는고효율필터소재는수입해오고있고범용소재로는크린앤드사이언스와핀란드합작회사인한국알스톰사등을비롯한소규모중소기업군이있으며패키지생산업체로는일본합작회사인한국캠브리지필터등이있으나역시연구기능은취약하다. 참고로원자력연구소등에서는화학필터에관해연구중이다. 국내의경우부직포여재 HEPA 필터는개발되지않았으며 ( 주 ) 제텍스와우다섬 유에서정전여재필터를생산하고있다.
표 2-15 필터산업의기업규모별현황 구분 95 96 97 98 99 필터 산업 중소기업 20 20 25 25 25 대기업 소계 20 20 25 25 25 전체제조업 96,202 97,144 92,138 79,544 비중 (%) 0.02 0.02 0.027 0.031 P.S) - 자료 : 1999, 2000 년도통계자료통계청미발행 표 2-16 98 년부직포제조업체현황 구분업체수라인수도입년수 Needle Punching 64 130 8.0 단섬 유 분사법 31 37 9.5 Chemical Bonding 침지법 33 45 10.8 소 계 64 82 10.1 Thermal Bonding 19 24 9.2 Melt Blown 3 3 5.5 Stitch Bonding 2 4 2.0 Spun Lace 1 1 1.0 소계 244 7.9 장섬유 폴리프로필렌 Polyester스펀본드법 (5) 5 7 6 5.5 5.5 소 계 5 13 5.5 합계 158 257 7.9 P.S) - 자료 : 한국부직포공업협동조합
< 탄소섬유시장 > 표 2-17 탄소섬유관련기업규모별현황 구분 96 97 98 99 00 탄소 섬유 산업 중소기업 2 2 2 2 3 대기업 2 2 2 2 2 소계 4 4 4 4 5 전산업 97,144 92,138 79,544 비중 (%) 0.004 0.004 0.005 탄소섬유원사는태광산업에서국내에서유일하게 60 톤 / 년씩생산하고있으며 Carbon prepreg 는 SK Chem, 한국카본, 선우에서생산하고있고벤처기업인나노 테크닉스에서활성탄소섬유를소량생산중이다. < 차세대에너지저장기능나노섬유소재 > 표 2-18 이차전지산업의기업규모현황 구분 96 97 98 99 00 2 차 전지 산업 중소기업 5 5 6 7 7 대기업 2 2 2 2 3 소계 7 7 8 9 10 전산업 97,144 92,138 79,544 비중 (%) 0.0072 0.0076 0.01 대기업으로는 LG화학, 삼성SDI, SKC를중심으로연구가진행되고있으며중소업체로는한일베일런스, 로케트전지, 바이어블코리아, 코캄등이있으며신규벤처업체로는파워셀, 파인셀, 애니셀등의업체가있으며출연연구소로는한국과학기술연구원, 전자통신연구소등의연구소및대학교를포함하여대부분의기업과연구소및대학교에서활발하게사업검토혹은연구를진행하고있는분야이나연구현황은사업특성상정확히알기어렵다.
< 나노섬유 yarn 소재및초극세섬유 > 표 2-19 극세사관련산업의기업규모별현황 구분 95 96 97 98 99 극세사 산업 중소기업 5 5 5 5 5 대기업 1 1 3 4 5 소계 6 6 8 9 10 전산업 96,202 97,144 92,138 79,544 비중 (%) 0.0062 0.0062 0.009 0.011 국내초극세사는코오롱극세사 (ROJEL) 300 t/ 월, 휴비스 (FLOFA) 350 t/ 월, 새 한 350 t/ 월, 효성 300 t/ 월, 경방등에서생산중이다. 4) 국내주요생산업체 초미세나노섬유기술은현재세계적으로개발중이다. 본기술이적용되어기존 제품기술한계성극복, 신분야에적용되어차세대신기술을창출할수있는산업 분야와밀접한관련이있는회사는표 2-20 과같다.
표 2-20(a) 국내시장을선도하는주요생산업체 (1/2) 분야업체명주생산품목과특징비고 초극 세사 이차 전지 효성 코오롱 - 2000 년나일론극세사 (4,800 톤 ) 와풀달 (5,500 톤 ) 제품에서 430 억원의 매출. - 마이크로화이버는집속성이우수해경사로사용시絲의갈라짐으로 인한사이징공정에서의절사문제, 제직가동성저하문제가없음. - ROJEL : 0.05 d 수준인해도형초극세사 (Suede 조직편물, Rose skin, Flock 원단, Interior 용, Wiping cloth, 가구용 ) - UMN : 0.1~0.05 d 해도형나일론초극세사 Su- per Soft 촉감, 초박 지직물제조가능 (Soft Taffeta, Taslan, Natural feeling high soft coating fabric, Nylon 계고밀도직물, Out- shell, Jacket, 안감지등사용 ) 휴비스 - 월 350 t 생산, FLOFA 새한 LG 화학 삼성 SDI SKC 한일 밸런스 바이어 블 코리아 - 월 350 t 생산 - LPB : 각형 (150 만셀 / 월 ), 원통형 (100 만셀 / 월 ), LIPB : 50 만셀 / 월생산 - 2001 년까지 LIB(50 만셀 / 월 ), LIPB(150 만셀 ) 생산예정 - LIB(250 만셀 / 월 ), LIPB(50 만셀 / 월 ) 생산 - 2003 년까지 1 억 6400 만셀 / 년생산예정 - LIB : 각형 (300만셀/ 월 ) 생산 - 2004 년까지 LIB 및 LIPB 800 만셀 / 월생산예정 - Bellcore LIPB 기술및설비를도입하여시제품을생산할계획이었 으나아직출하되지않음. - 1997 년말레이시아슈빌라사와벨코아기술수입계약체결 - 2001 년부터삼성월드폰용 LIPB 납품예정 (20 만셀 / 월 ) - 중국 SZE 사에 500 만불에기술이전계획 300t/ 월 생산 300t/ 월 생산 벤처 파인셀 - LIPB 독자기술획득, 시제품생산중 파워셀 - LIPB 연구중 애니셀 - LIPB 연구중 벤처 벤처 벤처
표 2-20(b) 국내시장을선도하는주요생산업체 (2/2) 분야업체명주생산품목과특징비고 복합 재 한국항공 우주산업 - 항공기용브레이크디스크 - F-16 제품은 100% 국산소재이며미국 ABSC 제품보다우수 전자 파차 폐재 이송 Corp - 전자파차폐재, 도전성테이프 하나전자 - EMI shielding foam gaskets M.R.Tech - 컴퓨터 protector 벤처 벤처 벤처 태광산업 - 국내유일생산업체 (1997 년기준 : 60 톤 / 년 ) - Prepreg : TZ-307, TZ-507, IZ-40(30 만 m 3 / 년 ) - Carbon sheet : TT-200C, TT-300C 88 년 생산 시작 탄소 섬유 SK Chem. - 탄소섬유 Prepreg (300 만 m 3 / 년 ) 한국카본 - 탄소섬유 Prepreg (400 만 m 3 / 년 ) 선우 - 탄소섬유 Prepreg ( 50 만 m 3 / 년 ) 필터 / 부직포의료소재 나노테크 닉스 크린 & science 한국알스 트롬 - 활성탄소섬유소규모 pilot 생산벤처 - 공조필터및자동차용여과지 - 국내자동차용여과지시장의 42.7 % 차지 - 공조필터및자동차용여과지 - 국내자동차용여과지시장의 49.9 % 차지 대정크린 - 정전필터, 에어필터생산 없음 - 중저급제품은국내중소기업에서생산하나, 후발국의가격경쟁에 밀리고, 고부가가치의의료제품은전량수입하고있음. 1.1.2.2 무기나노산업용섬유의국내산업시장점유율분석 1) 국내시장규모 2000 년도의나노무기분말소재의국내시장규모는약 1,000 억원정도로추산되 고있다. 국내사용량의거의대부분을수입에의존하고있는실정이다. 2) 국내주요생산업체 국내의사용전량을거의수입에의존하고있는실정이지만, 국내의나노분말제조업체의해마다증가하고있는추세이다. 국내의나노분말생산업체는카본블랙을생산하는 Degussa, 나노실리카분말을생산하는코프랑 (Kofran) 등이있다. 또 2001년도상반기에나노분말의생산을시작한 ( 주 ) 나노테크에서탄화텅스텐
(WC 혹은 WC-Co) 의나노분말을생산하고있다. 아직까지우리나라는첨단세라 믹분말은물론세라믹나노분말생산자체의저변이넓지못하며, 일부의소량 품목의생산에그치고있는실정이다.( 표 2-21 참조 ) 표 2-21 국내주요나노분말생산업체 업체명 주생산품목과특징 비고 ( 주 ) 나노 - TiO 2 촉매원료 1차입자크기 : 2-3 nm 순도 99% 2차입자크기 : 20-80 nm ( 주 ) 나노신소재 - 나노분말, metal alkoxides, - Sol-Gel Precursors, - Coating solution ( 주 ) 창성 - Co 분말 (1미크론이상 ) 액상반응법 세종소재 - Ti 분말 (1미크론이상 ) 건식분쇄법 Degussa - 카본블랙나노분말 코프랑 (Kofran) - 나노실리카 석경산업 - 나노분말 유리섬유의 1990년도공급량은약 32,500톤이었으며, 공급처는주택용 7,600톤 (23.4%), 산업설비용 7,100톤 (21.8%), 전자회로인쇄기판용 6,700톤 (20.6%), 스포츠 레져용품 6,200톤 (19.1%), 자동차 선박용 4,900톤 (15.1%) 으로돼있다. 현재한국화이버, ( 주 ) KCC, 한국오웬스코닝, 한국베트로텍스등에서생산되는유리섬유의국내생산량은약 12만톤정도이며, 유리섬유의경우대부분이 E-glass fiber에집중되어있다. 탄소섬유는태광산업에서원사를년 60톤규모로생산하고 SK Chemicals, 한국카본, 선우에서각각탄소섬유 prepreg를생산하고있다. 유리단섬유는한동안여러군소업체에서생산하고있었으나, 지금은이들이정리돼대규모공장인한국유리, 금강유리, 벽산산업의 3개사에서생산하고있다. 이단섬유유리는주로단열재로사용되고있는데그시장점유율은 25% 이고, 그외는스티로폼 우레탄이 62%, 암면이 13% 를차지하고있다. 앞으로단섬유유리는불연성, 내구성등의장점때문에시장점유율이증가할것으로기대된다.
무기섬유는금강이 1430 용과 1260 용을생산하여판매하고있으며국내수요의 70% 를차지하고있고연간 3,500 ton 이상을생산하고있다. 그러나고온용의일부와그이상의고온제품및가공품의경우는수입에의존하고있다. Thermal ceramics의태평양지사인가람에서도국내외에세라믹파이버를공급하고있다. 고기능성복합재료의보강재로서탄소섬유는국내전체수요가 2000년현재약 800톤정도로서 Golf shaft, 테니스라켓, 낚싯대등스포츠제품과토목및건축용수요가증가하고있다. 탄소섬유원사는수요의 10% 미만인 60톤정도를국내의태광산업이생산하고있으며, 나머지 90% 정도를 SK Chemicals, 한국카본등이일본의 Toray, 미쯔비시레이온및미국의 Hercules 등으로부터수입하고있다. 국내시장규모 800톤중, 태광산업이 7.15%, SK 케미칼이 35.7%, 한국카본이 41.7%, 선우가 9.5% 를각각점하고있으며, prepreg의경우국내시장규모가총 505만 m 2 정도로한국카본이 48%, SK 케미칼이 40%, 태광산업과선우가각각 6% 씩을점하고있다. 표 2-22(a) 국내광촉매관련업체 (1/2) 업체명소재지연락처 경일기술공사금동조명금호전기나노나노신소재나노케미칼나노팩대림화학대양전기대한화인세라믹마그린마프로미미전자바이오세라 경기도안양시동안구광주시광산구장덕동경기도화성군태안면경상남도진주시사봉면대전시동구삼성2동대전시동구삼성2동경기도수원시팔달구경남진주시상평동부산시사하구구평동강원도원주시문막읍경기도남양주시오남면경남김해시주촌면경기도파주시조리면서울시서초구양재동 031) XXXXXXX 062) XXXXXXX 031) XXXXXXX 055) XXXXXXX 042) XXXXXXX 042) XXXXXXX 031) XXXXXXX 055) XXXXXXX 051) XXXXXXX 033) XXXXXXX 031) XXXXXXX 055) XXXXXXX 031) XXXXXXX 02) 3463-2396 바투환경기술 경기도안양시동안구 02) XXXXXXX 보람이엔티봉신빛과환경산울 광주시북구월출동인천시서구가좌동광주시북구용봉동전라북도전주시완산구 062) XXXXXXX 032) XXXXXXX 062) XXXXXXX 011) XXXXXXX
표 2-22(b) 국내광촉매관련업체 (2/2) 업체명 소 재 지 연락처 삼협자원개발삼화페인트서울세라믹스석경화학세라텍에스큐테크에코크리너져 경상남도김해시상동면경기도안산시성곡동경상남도김해시진영읍경기도안산시몽래동경기도시흥시정앙동충청북도음성군생극면울산시울주군온양면 055) 031) 055) 031) 031) 043) 052) XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX 에콜르넷 서울시서초구방배동 02) XXXXXXX 앤비텍 대전시유성구전민동 042) XXXXXXX 앤피온 서울시서대문구신촌동 02) XXXXXXX 우보자연광선연구회 경북구미시구포동경남김해시내동 054) 055) XXXXXXX XXXXXXX 지투케이 (G2K) 서울시강남구역삼동 02) XXXXXXX 코펙펩콘 경상남도김해시어방동대전시동구삼성2동 055) 042) XXXXXXX XXXXXXX 프렌비한국VS 한국캠브리지필터 서울강서구등촌동서울시관악구봉천동서울시강남구신사동 02) XXXXXXX 02) XXXXXXX 02) XXXXXXX 한국환경시스템21 광주시동구호남동 062) XXXXXXX 한림기연화성기연 서울시구로구고척2동서울시서초구서초1동 02) 2612-6214 02) XXXXXXX 효성전기 경기도파주시월릉면 031) XXXXXXX 표 2-23 무기섬유의국내수 출입현황 (a) 무기섬유수출현황 품 목 1997 1998 1999 2000 주요수출국 세라믹화이바 1,036 974 1,668 1,379 대만, 말레이시아, 일본 록울 3,599 2,360 2,822 1,842 대만, 호주, 뉴질랜드 슬랙울 - - 98 0 인도, 태국 내화피복재 335 1,931 731 987 싱가포르, 태국, 호주 유리섬유 50,199 88,093 104,506 115,471 일본, 중국, 대만
(b) 무기섬유수입현황 품 목 1997 1998 1999 2000 주요수입국 세라믹화이바 4,825 1,093 2,665 2,589 일본, 대만, 미국 록울 1,858 1,027 1,182 1,809 덴마크, 일본, 핀란드 슬랙울 167 116 미국, 일본, 독일 내화피복재 686 2,854 3,242 1,257 미국, 영국, 일본 유리섬유 138,001 78,535 96,968 129,870 P.S) - 근거 : 관세청통계자료 1.2 선진국의현황 1.2.1 선진국나노기술을이용한산업용섬유산업분석 1.2.1.1. 선진국나노기술을이용한산업용유기섬유산업분석 1) 표면활성나노섬유소재관련산업 (1) 고효율, 초기능성분리기능나노섬유소재 < 고효율초기능성필터소재 > 세계적으로부직포산업은생산기술및첨단소재의개발, 새로운유망용도를창출하면서관련산업수요의촉진등으로섬유산업을선도하는방향으로발전하고있다. 또한선진외국의경우첨단화연구를통한장치산업으로발전하였다. 1997년에세계에거래된부직포물질 ( 최종제품과롤제품 ) 이 400억달러로롤제품은 90억달러이다. - 부직포산업은미국의연평균 4-5%, 서유럽과일본 ( 가장발달한시장임 ) 에서는다른지역에서보다더빠르게성장하고있다 (4 ~ 10%). 중량기준으로, 북아메리카에서생산과소비가이루어진총량은약 250만톤으로추정됨. - 부직포제품은국가의경제성장에따라산업전반으로용도가확산되고있으며가격및성능향상에따른기존섬유제품의대체및새로운용도창출
등으로의류용, 의료용, 토목건축용, 산업용 ( 단열재, 방음재, 방수재, 필터, 연마재, 마스크, 인공피혁등 ) 등용도가다양함.( 그림 2-3 참조 ) - 또한향후하이테크섬유의개발과제조공정의다양화로고기능부직포제품을활용하는용도개발이예상됨. 중량기준 기타 7.8% 토목용 6.4% 건축용 7.4% 라미네이트, 코팅용 0.4% 위생용 21.5% 의류용 0.8% 신발, 가죽제품용 1.2% 와이퍼용 13.9% 의료용 8.6% 바닥재용 2.3% Interlinings 용 1.3% 그림 2-3 미국부직포용도및시장현황 (1999 년 : 30.2 억 $) 필터소재는부직포의가장중요한용도중하나이다. - dust collector, air filtration, liquid cartridge, membrane, molie filtration, liquid macrofiltration을포함하여추정되는 2020년세계의필터시장은 750억달러 (1998년:170억달러 ), 전자와바이오산업의성장에따른긍정적시장전망 1조 4000억달러, 부정적시장전망 340억달러의중간을예상됨.( 표 2-24 및 25 참조 ) 표 2-24 산업분야별필터매체의시장규모 산업분야 시장규모 전력산업부문 8.34억 $ 의약 / 바이오산업부문 150억 $ 전자산업부분 420억 $(1998년 : 8.22억 $) 가정용과상업빌딩용 67.5억 $ (by McIlvaine Company market report, World Filter Media Market in 2020, 1999년 10월 )
표 2-25 필터용도별세계시장 ( 단위 : $ MM) 적용용도 1992년 1993년 1994년 1995년 HVAC 20.2 23.0 28.4 33.6 HEPA 1.6 2.2 2.9 3.9 Face Mask 3.2 3.6 4.1 4.7 Liquid Pleadted Cartridge 24.32 28.35 33.39 33.86 Spray-spun Cartridge 18.0 20.0 21.9 24.0 Micron rated Vessel Bag 7.0 8.0 9.1 10.3 Coolant 9.1 9.8 10.9 12.2 기타 10.5 15.0 21.8 30.0 전체 93.92 109.95 132.49 157.56 증가율 % 13.5 14 16 16 - 필터용부직포세계시장 : 1988년 8억1800만달러, 1995년 13억4500만달러임. ( 매일경제 2000. 06. 04) - 공조용여과소재는자동차실내공기유입 cabin filter, 반도체 clean room 등공기청정을위한 filter 제조에사용되며사용재료에따라 non-woven ( 부직포 ) 와 glass fiber 등으로구분됨. - Non-woven의경우제조방법에따라 needle punch, melt blown, spunbond 등으로구분됨. 대부분의공조용여과소재는공기청정을위한 filter제조에사용되기때문에향후세계적으로환경문제의큰사회적이슈, 관련산업의발전, 자동차 cabin filter 적용범위의확대등에따라세계적으로큰성장여력이있다고판단됨. ㆍ 2000년기준으로자동차용여과지시장수요는세계적으로 5억달러로추정됨. ㆍ 2003년에어필터세계시장은 45억 $(1999년 32억 $) 추정. (by McIlvaine Company, World Air Filtration and Purification Market 1999-2004 )
- 산업용여과지는복합화력발전소의 gas-turbine용 air filter, 연마, 절삭등산업용공작기계의 filter류, dry cleaning용 filter류및 compressor용 filter류제품의핵심소재로사용됨. 자동차용과같이기계류의원활한작동에필수적인불순물제거가주요기능임. 자동차산업및환경산업의반전이큰미국과일본에서주생산거점및소비시장임. - 자동차용여과지는 oil filter, air filter, fuel filter등 3 가지주요 filter류제품의핵심소재를의미하며, 자동차에필수적인소모품소재임. 수처리및폐수처리용필터세계시장 1999년 130억달러, 2005년 200억달러로추정된다. (by McIlvaine Company, "Water and Wastewater Treatment Chemicals: World Market 2000-2005". 2000년 7월 ) 향후세계적으로필터산업의큰성정이예측되는바, 미국을비롯한선진국에서 는고효율, 초기능성을지닌고부가가치필터소재를창출하고자나노섬유를매 체로사용하는신소재연구가활발히진행중이다. < 극한환경방호기능소재 > Electro-spun 나노섬유 fabric은미세입자나 bacteria 등은통과시키지못하며, 구조적으로내부의땀등을배출할수있는호흡성 (breathable) 을가지며, 막의외부에서액체가들어오지못하도록제조가가능하며 (liquid barrier) 그리고방풍성 (wind barrier) 을가지고있다. Electro-spun 나노섬유 fabric은 Membrane-like textile 이다. 미국군수사령부는차세대군복대체용 smart fabric 의개발연구로야전에서호흡하는기능이가질뿐만이아니라생물학적, 화학적공격으로부터인명을보호할수있는미래형군복소재에대하여연구를수행하여복합기능 smart fabric 소재를개발하여현재성능시험중이다. - 이소재는현재의직물개념과는전혀달리마이크로이하나노크기직경을갖는극미세섬유로형성된박막의개념이사용됨. - 본복합기능소재는기존기술로는얻을수없는초극세섬유의 3차원적구조로형성된막형태로서매우고성능이며다양한특성을부여할수있고, 그제조가간단하고원료사용량이적어경제적임.
- 보호방어능이탁월한미래형군복소재뿐만이아니라위장복, 고공낙하 (modifying airdrop) 및패러슈트등에도적용검토중. - 경량화및방탄능력이향상된방탄헬멧등섬유강화복합체에적용연구중 미국군사시스템사령부는수년전부터 4 개이상의국가지정연구실을운영하 여많은연구비를투입하며연구를수행중.(Akron 대, Umass Dartmouth 국립 섬유센터, 네브라스카 EPSCoR 프로그램, 코넬대등 ) 미국내연구는도입기에있고, 프랑스를비롯한유럽에서도상기와같은여러 산업분야에서의중요성을인식하여연구를시작하는도입기에있다. < 탄소나노섬유소재 > 탄소나노섬유는현재실험실적으로연구되고있을뿐아직상용화되지는않았 음. 그러나기존탄소나노섬유의나노화는초기능성탄소소재의창출이기대된 다. 복합재용기존탄소섬유는전세계적으로 9,000톤에서 2005년에는 18,000 ~ 20,000톤이될것으로예측된다. - 생산능력과기술에서일본이선도하고있으며, 시장은미국과유럽이중심임.( 그림 2-4 및표 2-26 참조 ) - 소비는스포츠장비부문에서우주항공등산업자재로의비중이증대되어 2005년에는산자재부문이 57.4% 로예측됨. - 탄소섬유의수요는연간 20 ~ 30%, 생산능력은연간 30 ~ 35% 씩증가하는추세이며, 탄소섬유의품질은원료와탄소섬유제조공정에의해점차향상됨. 탄소섬유는미국, 일본, 영국, 프랑스등에서개발되어독점시판되고있으며 생산량및수요는계속급상승. 최근대만, 이스라엘도설비를갖추어이대열 에합류하였다. 탄소섬유는 PAN 계섬유가주축이나선진국에서는 pitch 계탄소섬유를개발 연구를하고있으며, 일부상업화가이루어졌다.( 그림 2-5 및표 2-27 참조 ) - Pitch 계탄소섬유는토목, 건축, 자동차용박판구조물에사용될수있는장
점이있음. USA 14% EU 12% Other-Asia 3% JAPAN 86% JAPAN 41% USA 44% Pitch-based CF PAN-based CF 그림 2-4 1998년탄소섬유의국가별생산비율 표 2-26 세계지역별및용도별탄소섬유의소비전망 ( 단위 : 톤 ) 1996 년 1997 년 1998 년 1999 년 2000 년 2005 년 북미 4,220 4,725 5,220 5,520 6,170 8,670 지 역 별 유럽 1,990 2,030 2,265 2,785 3,225 4,600 일본 2,280 2,500 2,990 2,880 3,030 4,390 아시아 2,170 2,230 2,460 2,660 2,815 3,500 계 10,660 11,485 12,935 13,845 15,240 21,160 용 도 별 항공우주용 1,770 2,025 2,155 2,110 2,285 2,420 스포츠용 4,410 4,465 4,610 4,665 4,785 4,930 공업용 4,480 4,995 6,170 7,070 8,170 13,810 출처 : 97 David Rigby Associates 보고서 활성탄소섬유소재를비롯한기능성탄소섬유재료는고효율흡착재나전극재료 등으로활용, 일본을중심으로연구가활발히진행되고있다.
Pitch-based CF 15% (2,054T/Y) Pitch-based CF 11% (3,460T/Y) PAN-based CF 85% (11,505T/Y) PAN-based CF 89% (28,385T/Y) 1992 년 1997 년 그림 2-5 탄소섬유의전구체종류별생산량 표 2-27 Pitch 계탄소섬유제조업체현황 (1998년단위 : 톤 ) Type Company 생산시기 Capacity Total Kureha 1970 900 GPCF Donac 1985 300 Isotropic 1,450 ACF Ad'all 1987 250 Mesophase Petoca 등 4 개사 2,234 2,234 Total 3,684 < 차세대에너지저장기능나노섬유소재 > 현재리튬이차전지의주시장인리튬이온전지 (LIB) 는일본에서개발되어전세 계시장의 90% 를장악하고있음. 차세대전지인폴리머전지기술 (LIPB) 도 Bellcore 에서원천기술을선점을하고있다. 현재전자제품의디지털화와고성능화등으로소비자의요구가바뀜에따라 이차전지에대한시장요구도박형경량화와고에너지밀도에의한고용량을 지니는전지의개발로흐름이바뀌고있는상황이다. 현재리튬이온폴리머전지 (LIPB) 의개발에참여한업체는전세계적으로 10
개업체가훨씬넘지만현재샘플을공급하고있는업체는 5, 6개업체정도로알려졌으며, 이중에서월 50만셀이상을생산할수있는능력을지닌업체는일본의소니뿐이다. 2000년 4/4분기부터소니에서월 200만개의리튬이온폴리머전지를양산하기시작하였다고보고되고있다.(2000년 12월전지기술심포지움, 삼성SDI발표자료 ) - 일본의소니사는 2000년 9월에중국 Wuxi에리튬폴리머이차전지 (LIPB) 공장을건설함.(2백만cell/ 월 ) 그리고 2001년 3월에자국의후쿠시마에 3백만셀 / 월규모의리튬폴리머이차전지 (LIPB) 공장을건립. 미국의울트라라이프배터리사에이어베일런스테크놀로지, 벨코어등이 97 년경부터 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. - 이제품은 LTC가개인용컴퓨터제조업체중세계 10위권안에드는한업체의첨단노트북컴퓨터에사용하기위해개발한최초의상업용시제품임. - LTC는현재노트북컴퓨터나휴대용통신기기와같은이동전자기기에사용될새로운차원의고체이차전지 (solid state rechargable battery) 개발의마지막단계에있음. 1999년 1월 27일자뉴스에의하면소니, 마쓰시타배터리공업 (MBI), 토마스 & 벳츠 (Thomas & Betts; T&B) 등세업체가리튬이온고분자 (lithium ion polymer) 전지의상업적생산에착수한다고발표하였다.( 연간생산능력은소니, MBI, T&B가각각 1,200만, 360만, 20만개로총 1,580만개 ) - 세업체가생산할 1,600만개의전지는 1999년예측되는리튬이온전지의총수요중 5% 에불과한것이지만이기술의상업화라는측면에서대단히중요한의미를지님.
- K&C 는향후 5 년내로고체또는겔타입의전해질을지닌리튬이온전지 가전체리튬이온전지시장의 20 내지 25% 를차지하게될것이며 10 년후 그시장규모는 30 억내지 40 억달러에달할것으로전망. 1999년 6월 16일자뉴스에의하면 Electrofuel사는에너지밀도가 470 Wh/liter 및 183 Wh/kg인자사의 ' 리튬이온수퍼폴리머배터리 ' (Lithium Ion SuperPolymer Battery) 로기존의배터리가낼수있는최대사용 ( 방전 ) 시간을거의두배로늘리는데성공했다고발표하였다. - 배터리는한번충전하여랩탑컴퓨터를 15시간사용할수있음. 전형적인리튬이온고분자배터리의에너지밀도는 300 Wh/liter 이하이며이들중일부는 200 Wh/liter에도못미침. 최근배터리동향분석에서가장뛰어나다는일본의노무라연구소는, Electrofuel의 SuperPolymer 가현재리튬이온전지중세계최고의에너지밀도를지닌제품이라고확인. - 이러한 Electrofuel의제품은컴퓨터, 휴대폰, 정보통신, 휴대용지구상위치확인시스템 (Global Positioning System ; GPS), 휴대용의료장치분야에서당장사용될수있을뿐아니라장기적으로전기자동차, 전기자전거, 태양 / 풍력에너지분야에사용될수있음. - Electrofuel의배터리는 long-term performance면에서 USABC(GM, 포드, 크라이슬러, 미에너지성이캘리포니아주의무배기가스자동차요구에맞춘기술의개발을위해결성한컨소시엄 ) 가설정한기준치 250 Wh/liter를훨씬초과함. - 또한일본의태양 / 풍력에너지등대체에너지개발프로그램인 ' 선샤인프로그램 ' 의목표치 360 Wh/liter와미국전자제조업협회 (NEMA) 의목표인 400 Wh/liter조차상회함. 2000 년 9 월 20 일자화학공업일보에따르면산요전기는알미늄외장타입으로 서는세계최고박막의 3.5 MM 를실현한휴대전화용각형리튬이온전지의 개발에성공하였다. 제일공업제약은제 2 세대의폴리머전해질엘렉셀 ( 상품명 ) 을개발. 고온작 동형의완전고체형폴리머전해질을캐나다 HQ 사와공동개발, 95 년부터전 기자동차용등으로서전량공급중이다. 히다치막셀은 1997 년 4 월부터샘플출하를개시하였고, 2001 년부터는소형리
튬폴리머전지의양산을시작하였다. 폴리머리튬이온 2 차전지의소형 초소 형타입의양산체제를정비하여, 리튬폴리머전지전체의능력을 2001 년여 름에는월생산 40 만개로끌어올릴예정이다. 현재세계의이차전지들의수요전망을다음의표에나타내었다.( 표 2-28 및 29 참조 ) 표 2-28 세계이차전지시장수요전망 ( 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: 리튬폴리머전지, 자료 : ETRI, 대신경제연구소 ) 표 2-29 용도별세계이차전지시장수요전망 ( 단위 : 백만셀 ) 1999년 2000년 2001년 2002년 2003년 LiB 214 309 461 608 730 증가율 44% 49% 32% 20% LiB of PC 148 176 185 194 204 증가율 19% 5% 5% 5% LiB for Other 51 68 82 90 94 증가율 34% 20% 10% 5% 계 413 553 727 892 1,028 휴대전화용 52% 56% 63% 68% 71% ( 자료 : ETRI, 대신경제연구소 )
- 표에서보는바와같이현재개발중인리튬폴리머전지의예상수요증가율이초기의리튬금속을이용한리튬이차전지와현재가장많이사용되고있는리튬이온전지의예상수요증가율보다매우크게나타나고있음. 이러한수요예측은고에너지밀도를지니는고용량의전지를요구하고있는현재의시장흐름을반영함. - 이러한경향은리튬이온전지는이제시장성숙기의제품이며리튬폴리머전지의경우수요자의요구가증가됨에따라서새로이시장이형성되기시작하는초기단계임을확인할수있으며, 향후많은수요가예측됨. < 나노섬유 yarn 소재및초극세섬유소재 > 초극세섬유선진국개발현황초극세섬유의주요응용제품은모두일본에서 20년간개발된것이다. - 1970년도레이를필두로구라레 (75년), 鐘紡 (77년), 帝人 (77년), 유니티카 (77 년 ), 旭化成 (79년), 三葉 Rayon(79년 ) 등이독자적인기술에따라초극세섬유의개발하여인공피혁, 인공 Suede를상품화. - 1970년대에는초극세섬유의제조기술만이아니라제직, 제편, 개섬, 염색, 마무리가공등의여러가지가공기술이축적되었으며, 인공피혁, 인공 Suede가급성장하였음. - 1981년에발표된자비나DP( 고밀도직물 ) 이개발되어초발수고밀도직물, Peach skin등의상품이상품화됨. - 1985년이후 Wiping cloth 상품화. ( 표 2-30 참조 ) ICI, BASF( 美 ), 듀퐁등구미의대합섬메이커가 0.5 ~ 0.9 d 정도의 [ 굵은마이크로파이버 ] 를직접방사법으로개발해끊임없이마이크로파이버시장으로등장하고있어서일본은심한충격을받고있으며, 구미합섬메이커는스포츠, 케쥬얼의류등에의전략적전개, 즉量産普及品의대공세를꾀하고있다. - 이 [ 굵은마이크로파이버 ] 로는예를들면인공스웨드, 인공피혁, 초고밀도직물, Wiping Cloth 등의분야이며, 고도의제품을얻는데어렵지는않음. - 초극세섬유는이젠모든분야에진출해응용되고있음. 최근진드기방지고밀도이불카버 (Teijin 이외 ), 호수의물오염을제거하는필터 ( 도레이 ), 조개나海藻가부착하지않는布및로프 ( 도레이 ) 등이화제가됨.
극세사는성형공정이매우중요한데현재실용화되고있는인조 Suede 소재의 Sheet 형성법으로는 needle punch법, 직포법, 편포법, 사조법, 그리고 Water punch법등이있다. 초극세섬유와 Sheet 형성법과는상호밀접한관계가있어초극세섬유의타입이결정된다. ( 표 2-31 참조 ) 표 2-30 일본업체별극세사 wiping cloth 판매실적및계획 데이진가네보도레이 상표 마이크로스타 산업용 4 종 자비나미니막스 크라우센 -MCF 도레이 - 씨 판매실적및계획 87 년 - 400 만장 (27 만 yd) - 88년 89년 1,200만장 (80만 yd) 500만장 (33만 yd) 450만장 (30만 yd) 1,600만장 (110만 yd) 660만장 (44만 yd) 650만장 (43만 yd) 표 2-31 극세사소재의인조 Suede 및섬유 Sheet 형성법 Sheet 형성법 구성단위 구성섬유 Needle punch 해도형섬유 Staple fiber 법 fibril 접속체섬유 위사 : 방적사, 경사 : 필라멘트 해도형섬유폴리에스테르가공사 위사 : 해도형섬유 직포법 경사 : 폴리에스테르가공사 필라멘트 위사 : 분할형복합극세섬유경사 : 폴리에스테르가공사 편포법 필라멘트 (tricot) 분할형복합극세섬유 사조법 + water punch 법 보강포 + 필라멘트 폴리에스테르초극세섬유 폴리에스테르필라멘트 ( 보강포 ) - Needle punch 법은 card m/c 에수십 mm 로절단된단섬유 (Staple fiber) 로
수 g/m 2 ~ 수십 g/m 2 의 web을만든뒤이것을수십매합쳐 barb라하는일종의침포를갖는 needle을통과시켜 felt를만드는방법임. ㆍ Needle punch법에적합한섬유의요구특성으로는적당한굵기, 길이, 권축, 강도및신도이며적당한마찰계수도요구됨. ㆍ해도형섬유와 fibril 접속체섬유가사용됨. 분할형극세섬유는 Carding 혹은 needle punch시강력한작용에견딜수있는 2성분간의접합력이부족해분할되어극세화되기때문에통상의 Card m/c에는통과시킬수없다고생각되며접합력을높이는것은기술적으로는가능하겠지만후공정에서분할하기가어려워짐. - 직포법은대부분이경사에가공사 (DTY) 를사용하고위사에초극세섬유 ( 해도형은방적사및필라멘트, 분할형은필라멘트 ) 를사용하여제직하는데종래의직포기술수준과는현격한고도의제직기술이필요함. - 편포법에는분할형극세섬유가주로사용되며가공공정에어려움이있으며, 분할형극세섬유는가공중분할극세화되어단사의강도문제가발생함. - 기타사조법과 Water punch법에의한 Sheet 형성법도실용화되고있음.( 특수방사법에의한초극세사사용 ) - 섬유에는천연피혁이갖는특유한강인성과내구성혹은촉감과 drape성이없기때문에섬유 Sheet를피혁형태로변환하기위해서는수지처리가필요함. ㆍ수지처리는 Dupont에서개발한선형폴리우레탄 (linear polyurethane) 처리방식이주로사용됨. ㆍ피혁상태형성시기본기술로는최적의 Polyethane 합성, Polyurethane의응고조건 ( 응고조절제선택포함 ) 의최적화, 섬유와 Polyurethane사이에적당한공간형성, 구성섬유의극세화 ( 해도형등은용출제거, 분할형은박리분할 ) 등임. ㆍ Polyurethane에필요한특성으로는스폰지형성능이있고저탄성율에온도의존성이낮으며, 내열성, 내후성등이우수해야하며, 응고조건으로는응고욕의조성, 온도, Polyurethane의농도나첨가제의농도등에의해응고구조가크게변화해제품의특성에영향을미침. 고밀도직물은섬유간의공간을보다미세하게하여투습, 방수라는 2 가지의상 반된성질을갖는소재로방수성능을높이기위해서는직물조직으로보다고 밀도화하면가능하다.( 표 2-32 참조 )
초극세섬유고밀도직물은투습성이순면고밀도직물보다는떨어지나방수성이 Coating이나 film laminate등후가공소재에필적한다. 또한극세섬유를사용하므로촉감이부드럽고 drape성이우수하며염색에적합한성능을갖고있어고밀도직물은기능과감성을겸한초극세섬유고밀도직물을뜻한다. 고밀도직물은섬유사이의공간이 7μ정도로치밀하여투습, 방수의상반된성능을갖게된다.( 표 2-33 참조 ) 표 2-32 투습방수성소재의특성타입극세사고밀도면고밀도직물항목직물내수압 (mm) 700~1,500 500~700 투습도 (g/m 3 /24hr) 통기성 (CC/cm 3 /sec) 5,000~6,000 6,500~8,000 Coating filmlaminate 2,000 이상 2,000이상 3,000 이상 3,000이상 0.1~1.0 0.5~2.0 0.5 이하 0.5 이하 발수성 (%) 100 100 100 100 - 고밀도편물도초극세섬유를사용하여투습방수소재로전개됨. 고밀도편물은초극세섬유와특수고수축기술의조합으로가능하며표면에미세한입보가 Nubuck 調의표면감각을나타냄. - 고밀도직물에는분할형초극세섬유를사용하는데분할공정에서수축을크게하여보다고밀도화함. 표 2-33 고밀도직물의규격 사용사밀도 ( 本 /in) fila 수 (/in 2 ) 경사 75/72 140 ~ 160 10,080 ~ 11,520 위사 75 ~ 150d 초극세사 극세사종류에따라 다름 40,000 ~ 70,000 계 50,000 ~ 80,000
NICRO-PS의특징 - 직접방사에의하여제조되는 Nylon Microfiber를단독으로사용하여가연가공등특수사가공을통하여 Micro Power Touch등을발현함으로써, 인간의촉감에어필하는 Peach조를나타냄. 복합방사에의한극세사제품에비하여, 제조원가의저렴하고감량을거치지않는공정특성으로인하여염색가공성이특히우수한장점이있으며, Micro Fiber 특유의유연성을보유하고있다. 또한초발수가공으로 Dewspo-N이라는초발수효과까지얻을수있다.( 용도로 : Down Proop, Jacket, Jumper 등 ) TOP-PS, FINA-PS, POST-PS, TOPRA-PS, TOPRA-CS의특징은분할형극세사또는용해형복합극세사를사용한고밀도직물제품으로, 원단의표면에특수가공으로미세한모우를형성함으로써, 복숭아의표면과같은 (Peach-skin) 외관을갖고, 우수한발수및방수성을가지고있으며, Waxy한촉감을발현한다. 또한천연섬유인면, 또는 Rayon 등을교직, 특수가공처리함으로써천연섬유에한결가까운 Natural감을부여한다.( 용도 : 고급오리털 Jumper(Down, Padding Jacket), Rain Coat, Casual Wear 등 ) TOPRINA ROYAL의특징은 2성분 Polymer로복합방사한 0.1 d 이하의초극세사와특수 Urethane수지를 3차원적복합구조로형성한고급인공피혁용인조 Suede 제품으로, 천연양피와거의유사한외관을가지면서더욱부드러운촉감, 뛰어난탄력성, 우수한통기성과보온성을지닌다. TOPSKIN-Q는분할형초극세사를사용한제품으로천연피혁과유사한외간및촉감을가지도록설계된은면조인공피혁제품으로극세사소재를사용하여부드러운촉감과 PU에의한탄력성이돋보이는제품으로, 천연피혁이가지지못하는물세탁성과다양한색상의발현이가능한제품이다.( 품종및용도를보면의료용으로는 Jacket, Skirt, Coat, Jumper 등으로사용되고산자용으로는 Car-Seat와가구용 ) Wiping Cloth(Fine Star-Ⅰ, -Ⅱ, -P) 는분할형극세사또는 100% 단일소재의용해형복합극세사를사용하여, 고밀도제편직, 수축가공처리하여개발한제품으로서, 기존의일반사제품에비하여, 칼날같은굵기의섬유올로구성되어있고, 직편물조직의요철구조에의하여오염표면의먼지등을완전히제거함으로써 Cleaning 성능이월등한제품이다. 또한 NY과 PET소재를공유하고
있어친유성과친수성을동시에가짐으로써어떠한종류의먼지나오염물질도완전히제거가가능하며, 내구성이월등하여, 세탁한후에도기능의저하가없는특징을가지는첨단의 Wiping Cloth이다.( 품종및조직을보면 Knit Type, Dobby, Stripe, 직물 Type 등다양하며안경, 보석류의 Cleaning, 자동차, 반도체등산업용 Cleaner, 가구용 Cleaner로사용된다.) 속건성 Towel(EDDYOL) 은초극세사소재가가지고있는모세관현상으로수분을흡수하는특성을이용하여, 흡수속도가빠르고건조속도도빠른등기능성이우수하고, 극세사본래의부드러운 Touch를특징으로하여의료용, Pile 조직으로되어세면용, Golf용등의 Sports용, 목욕용및모자등으로사용된다.( 표 2-34 참조 ) 표 2-34 속건성타월의물성 항 목 측정기준 단위 면 Towel 일본속건성 TNC 속건성 Towel Towel 흡수속도 30초후 cm/sec 3.8 7.6 9.6 확산성 20초후 cm 2.1 4.3 4.9 속건성 2HR후 % 36 12 7.8 포수성 10 gr중 ml 57 46 41 (2) 생체활성나노섬유소재 1995~2005 년 Medtech 분야에서 fiber 의 end use 소비는연평균 3.4% 성장이 예상된다.( 표 2-35 참조 ) 전통적인 yarn-based textiles 사용의증가는낮을것이며 ( 년 0.5%), 심지어어떤나라에서는 end use 소비량이쇠퇴할것으로기대된다. 이러한증가율은좀더특화되고 knitted 구조에의한 woven fabrics의대체정도를포함치않고있어, 아마도실제에있어서는의료용 textiles 중전통적인 weaving은전체적으로쇠퇴하고있을것임. 이가정은대개의료용품의생산방법이 woven에서 nonwoven으로의지속적인전환에기초한다. 20 년간 nonwovens 소비의연평균성장률로추정되는 7.5% 는다른응용제품과
비교하여그다지극적이지않을지도모른다. 그러나의료용과위생용품사용량은 1985년이전에이미상당하였으며, 단위면적으로볼때, 두분야는전체 nonwovens 소비량의 70% 를차지하고있었다. 성숙한시장이포화됨으로인해성장률은완화될것으로예상되나, 2005년까지는연평균 5.6%( 중량단위 ) 의성장률을기록할것이며, 이응용분야는 nonwoven의사용에있어무게와가치두가지측면에서 1위의자리를유지할것이다. 의료공학의발달로새로운의료기술및의료소재가개발되어생체활성의료산업은 21세에주요산업으로성장하고있다. - 생물공학에서가장성공적인응용분야는뼈의재생에관한분야임. 인대 (ligament) 와 tendon의치환분야에서의진일보는합성물로부터생물학적으로진보된기술분야로끌어올렸음. - 미래를전망하는제조업자는이제품이기존의의학기술을결국바꿀지도모른다라고하는믿음으로바이오물질에투자하고있음.
표 2-35 Medical Technology Business Growth '98~'01 Market Growth Segment Rate >10% Glucosemonitoring Vascular Stents ICDs Spinal PTA Catheters Nucleic acid probes Breast implants Intravascular Ultrasound Athrectomy Aneurysmal Coils 5~9% Hemodialysis Contacts lenses Peritoneal dialysis Albumin Sunglasses Trauma Immunoglobulins Sports medicine Factor VIII Platelet apheresis Factor IX Autotransfusion Electrophysiology catheters Worldwide Market wide World- '98~'01 Growth Market Segment Market Rate '97($M) '97($M) 1,675 <5% Clinical Chemistry 6,550 1,449 Immunoassay 6,505 997 Pacemakers 2,405 600 B a l l o o n 1,485 451 angioplasty 250 Hematology 1,970 Hip replacement 1,825 180 E n d o s c o p i c 1,600 150 surgery Lens care 1,570 130 100 Knee replacement 1,560 4,485 Sutures 1,100 2,092 Microbiology 900 Transfusion 775 1,815 Medicine 1.710 Heart valves 705 Cardiopulmonary 690 1,651 disposables Inhibitors 530 1,350 (antithrombin) 1,230 Intracular lenses 500 1,175 Vascular graft 500 1,100 Angiography 375 365 Staplers 300 225 Vena cava filters 118 180 160 조직공학분야의연구자들은생흡수되는 scaffold상에서제공되는생세포의이식을통해손상된조직혹은장기기능을회복하고자한다. - 연골, 피부, 뼈, 혈관의재생에서이루어진놀라운발전은신진대사기능을나타내는복합장기의재생분야에대한도전을가능케함.
합성과유기와하이브리드나노구조물을구축하는공정의급격한발달이이루어짐에따라조직공학에있어서의나노엔지니어링물질의역할에관심이모아지고있다. - 5 ~ 10년의가까운미래에복합적인나노구조물을제조하는기술의개발로인해조직공학에서기대되는대부분의이익실현이가능할것임. - 체내에서의세포의응답은나노미터수준의화학적단초에의해유도된다. 인공의 scaffolds는신호를주는 ligand( 즉, growth factor, adhesion peptide) 혹은 DNA fragment와의협력을통한특별한세포응답 ( 불특정응답을배제하고 ) 을유도하게설계됨. 하이브리드유-무기나노복합체는현격하게개선된기계적물성과향상된생체흡수와개조속도를갖는뼈 scaffolds를제공할수있는물질로등장했다. 그같은접근은독특한기계적물성과전달특성을보여주는데이는고유의부피당넓은표면적으로인해나타난다. 하이브리드나노구조물을제공하는제조방법은상업적으로, 임상적으로적절한 접근방식으로촉망되고있다. 표 2-36. 조직공학관련의료산업의세계시장규모 ( 단위 : Million) Ligament and tendon technologies 5 (1997) 37 (2002) Orthopedic biomaterials 850 (2004) Bone graft substitutes 87.8 (1997) 212 (2002) skin substitutes, tissue adhesives and sealants, and adhesion 890 (2004) prevention barriers (US) Dental implants (US) 240 (2000) Reconstructive and internal fixation implant (ASIA) 1300 (2003) 자료 : Millennium Research Group, 2000
그림 2-6 보철물, 의료삽입물등의미국및유럽시장규모 자료 : millenmium research group 2000 생체조직공학과관련된의료산업의시장규모를표 2-36에나타내었으며, 미국및유럽에서의료소별시장규모를그림 2-6에나타내었다. - 미국치아보철시장은 2000년에 $240M으로 16% 의성장률을, 정형외과용생체물질시장규모는 2004년까지 US$ 850M 이상이될것으로추정됨. bone graft substitutes 시장은현재 $148M만달러에서 2004년 $190M만달러로성장. 붕대관련바이오물질시장은신제품소개, 개선된임상결과, 비용편익분석에의해제품의대중과외과의의인식을증가시켜이의수용을강화한결과급격히성장된다. - 다음의 5년에걸쳐서, 붕대관련바이오물질은시장을급격히잠식할것이며특히실런트와 adhesion barriers는다른외과분야로영역을확산할것임. - adhesion barriers 시장은 2000년과 2004년사이에 52% 이상의성장이예상됨. - 피부복합물의발전은조직공학과대체피부관련시장에서주요한역할을기대되며, 바이오물질은 100억달러의세계적인정형외과산업의미래를바꾸고있음. 현재미국을비롯한선진국에서는단백질나노섬유, 생분해성고분자를이용한