한국섬유공학회지, Vol. 52, No. 5, 309-314 http://dx.doi.org/10.12772/tse.2015.52.309 ISSN 1225-1089 (Print) ISSN 2288-6419 (Online) 배드민턴라켓용 Sheath/core 복합구조 String 의제조및특성 최용대 1 박영미 2 1 테크민턴, 2 영남대학교의류패션학과 Preparation and Characteristics of Sheath/Core Complex Structured String for Badminton Yong-Dae Choi 1 and Young-Mi Park 2 1 Techminton Co., Ltd., Daegu 38541, Korea 2 Department of Clothing & Fashion, Yeungnam University, Gyeongsan 38541, Korea Corresponding Author: Young-Mi Park E-mail: ymp9397@yu.ac.kr Received August 4, 2015 Revised August 31, 2015 Accepted September 22, 2015 c 2015 The Korean Fiber Society Abstract: This paper presents a method of preparing a high-strength sheath/core complex badminton string and examines its playability and durability performance. From repeated experiments at the laboratory scale, it was determined that the tensile characteristics of sheath/core complex strings are better than those of widely used general strings. The key process of braiding, in which the string is prepared by twisting sheath multifilament around the core of a 3-ply monofilament, and the time required for applying a thin layer of coating, have decisive effects on the physical properties. The yarn diameter was found to be optimal when the string was coated three times and the structure of the sheath/core was composed of multifilament 1890d/monofilament 100d. SEM identified an increase in the inner thickness of the sheath/core string with braiding and coating. To conclude, Sample D displayed high tenacity, tensile extension, and tensile strength, which can affect durability, while its tensile modulus was the lowest (54.13 g/tex), which is indicative of good playability. Keywords: badminton, String, sheath/core, playability, durability, braiding, coating 1. 서론 배드민턴은현대인들에게건강유지활동으로부각되어내외적으로많은동호인을보유하고있으며, 미디어의발달과함께생활체육활동에대한이해를진척시켜남녀노소누구나흥미를가지는스포츠이다. 배드민턴용구인라켓은프레임 (frame) 과스트링 (string) 으로이루어져있으며, string의자세한구조는 Figure 1에나타내었다. string의선택에따라배드민턴스타일은완전히바뀌게되므로전문가는물론동호인들도 string 선택에경제적으로또는많은시간을투자하여자신에게적합한 string을선택한다. 또한배드민턴선수들은 string의내구성과타구감의선택이경기에도영향을미칠수있기때문에프레임과 string 선택시그비율을 2:8로, 프레임보다는 string 선택에보다높은비중을두고있으므로라켓의구성요소에서 string은매우중요한것임을알수있다. 현재배드민턴용 string은대다수수입에의존하고있고, 그중일본의요넥스 (yonex ), 고센 (gosen ) 을비롯하여프랑스바볼랏 (babolat ), 미국의감마 (gamma ), 아이소스피드 (isospeed ) 등은이미잘알려진제품이다. 해외고급 string 제품들은원사개발에서부터최종후가공공정까지단위공정간의제조조건에대한전체적인기술연계를중요하게생각하고 [1,2] 있는데비해국내연구는거의전무하여관련논문은아직까지보고된것이없는실정이다. 배드민턴 string에요구되는성질은고강도의내구성 (durability), 우수한타구감 (playability), 반발력 (repulsion power), 타구음 (hitting sound), 충격흡수 (shock absorption) 등이있다 [3]. 그중타구성과내구성이 string 선택의중요 309
310 최용대 박영미 Textile Science and Engineering, 2015, 52, 309-314 가지도록표면코팅횟수를달리하여인장강도와신도즉, 타구감과내구성을보완한 string을제조하여그특성을조사하였다. 이는기존의상용되는라켓 string의물성에비해복합구조변화에의한내구성향상과표면코팅횟수변화에의한타구감향상효과를증대하고자한점에서연구의의의가있다. 2. 실험 Figure 1. Third-generation structure (a) and cross section (b) of badminton string. 요소이지만기본적으로는이들은역상관에있어, 양자를만족하는배드민턴용 string을제조하는일은쉽지않다. 예를들면 nylon 합섬으로구성되는 string은타구성은천연거트 (gut) 와비교해손색없지만해외제품과비교하면내구성및타구감이뒤떨어지는것을알수있다. 따라서타구성과내구성이양립할수있고, 다양한소비자의 needs 를만족시킬수있는차별화된기능을갖는배드민턴용 string이필요하다. 한편기존의배드민턴용 string은멀티필라멘트를이용하여표면에수지코팅을한 1세대제품과모노필라멘트를중심사로하여주위를멀티필라멘트로연사 (twist) 한후코팅하여내구성을보완한 2세대제품이있다 [3]. 1세대제품은 nylon 멀티필라멘트를이용하여표면에수지코팅한제품으로타구감은천연거트와유사하지만내구성이약해개선이필요하였다. 또한 2세대의제품은모노필라멘트를 중심사로하여주위를멀티필라멘트로연사한후코팅하는것으로내구성이보완된제품이개발되었으나이제품의경우내구성은보완되었지만 1세대제품에비하여타구감이저하하는현상이있었다 [4]. 이에 3세대는모노필라멘트를세개의심사로하여주변을멀티필라멘트로연사하여타구감과내구성을보완하는방향으로개발되었으나여전히타구성과내구성에서만족하지못하고있다. 이는베드민턴 string에서요구되는 sheath/core 소재구성의기획과소재조합별연사공정기술 [5,6] 및표면코팅기술등의중요한성질을간과하였기때문이라고할수있다. 따라서본연구에서는 nylon 66를이용하여모노필라멘트를 3개의심사로하여중간층인멀티필라멘트소재의조합을달리한복합구조변화와균일한표면두께의접착성을 2.1. 시료및시약실험에사용된 string은현재배드민턴용으로주로사용되는 YONEX BG80 과 nylon 66의모노필라멘트를 3개의심사로하여주변을 nylon 66 멀티필라멘트로감싼후브레이딩 (braiding) 구조로연사하여코팅한것으로연사조건과코팅조건을달리하여제조하였다. 실험에사용된열가소성수지코팅제, 침투제, 접착제, nylon 6, nylon 66, PET/ aramid 고강력사, copolymer인 nylon 12 등은 CJ테크사로부터제공받았으며, 그외사용한시약은모두 덕산으로부터공급받은실험용일급시약을사용하였다. 또한사용한기기인표면코팅기 (metering pump) 및압출기 (extruder) 등은주문제작한 HOT MELT COATING SYSTEM LAY OUT(nino 12, PALBOK, Co. Ltd., Korea) 로시험하였다. 2.2. 연사조건에따른 braiding 및압출표면코팅모노필라멘트인나일론을멀티필라멘트인나일론으로감싸는방식의 braiding은소재구성및섬도, 필라멘트수변화를달리하여최적의장력을가지도록기어에의한각도변화를통해조합하였으며, Table 1에제조된 4종류의 sample을나타내었다. 또한 braiding된 string의코팅은디핑 (dipping) 하는방식과열풍히터를통한열풍경화방식에의해코팅하였다. Figure 2는용액코팅에이용할노즐, 열풍건조로및열풍건조후속도를조절하는와인딩기를각각나타낸사진이다. 2.3. SEM 단면분석및 String 굵기측정 String의단면형태를확인하고 string 단면의직경을측정하기위하여주사전자현미경 (FE-SEM, S-3200N, HITACHI, Japan) 를이용하여분석하였다. Table 1. Condition of strings manufactured with different braiding and coating conditions Sample Sheath Core Number of coating A Multi-filament 1890d Aramid 100d 2 B Multi-filament 1995d Aramid 50d 2 C Multi-filament 1995d Aramid 50d 3 D Multi-filament 1890d Aramid 100d 3
배드민턴라켓용 Sheath/core 복합구조 String 의제조및특성 311 Figure 2. (a) Apparatus of nozzle for solution coating, (b) hot-air drying furnace, and (c) winder for speed control. 2.4. 사절단강신도인장시험은 Instron 3345(Instron Co., USA) 를사용하여 KS K 0409 시험규격에따라 length: 5 cm, total length: 15 cm, 인장속도 : 10 mm/min에서 string의비강도 (tenacity), 인장탄성률 (tensile modulus), 인장강도 (tensile strength) 및인장신도 (tension extention) 등을 10회측정후평균값을구하였다. 3. 결과및고찰 3.1. Braiding 및압출코팅에의해제조된 String의특성배드민턴라켓용 string은제조기술의발달로제품편차가없고내구성이좋은인조섬유를사용하는것이일반적이지만여전히거트 (gut) 라고알려져있다 [1]. 현재생산되는배드민턴 string 재질은일부폴리에스터가사용되기도하지만대부분나일론계열이며, 그중인조섬유멀티필라멘트계열이가장많이사용된다. 모노필라멘트인나일론을멀티필라멘트인나일론으로감싸는방식의 braiding은 string 을더욱강한소재로만들수있으며, 압출코팅방식의표면처리는타구감에매우큰영향을미치게게된다 [7]. 소재조합별연사공정에따른내구성향상 : 연사공정은소재의섬도, 꼬임수, 연사속도등에영향을받으므로, 중심사의가닥수, 중심사 (core) 의데니어, 겉사 (sheath) 의수등여러경우의수로나누어반복실험을하였다. 타제품의 string은 1cm 당 stitch( 겉사가꼬여진간격 ) 가통상 5 15회정도이나내구성을위하여 20회까지늘릴수있도록 braiding기각도조정및원사의 tension 조정, 원사의가닥수조정등을달리하였다. 이를반복강도측정을통해확인할결과중심사의굵기설정값에따른 braid, 각도와장력을결정하는기어 (gear) 설정이 braiding에영향을미치는것을확인할수있었다. 따라서 Table 1에제조된 4 종류의 sample에서와같이최적의강도와신도를가진 braid 를제조하기위해심사와겉사의가닥수조정을하였다. Figure 3은중심사와겉사사이에원사하나를더넣어서 Figure 3. Photos of manufactured string (a) and embossed surface of string (b). braiding할수있는장치, braid한 string 및 string의이미지를나타낸것이다. 본장치를이용하여중심사와겉사사이아라미드원사 (50d와 100d) 를하나더넣어엠보싱효과가나도록 braiding한 string을제작할수있었다. 따라서 string에미세한꺽임 (roll) 현상도없었고, 중심사에먼저코 팅된용액이겉사에코팅된용액과잘결합함으로써코팅접착력과코팅두께를두껍게할수있어가장적절한방법인것을확인할수있었다. 타구감향상을위한균일한두께및접착에의한표면코팅효과 : 베드민턴 string의코팅시국내의경우연사된멀티필라멘트를사코팅하는방식의 2단공정을취하는반면, 국외의경우연사와사코팅을동시에진행하는방법으로제품을생산하고있다. 통상코팅방법에는압출가공, 캘린더가공, 침지, 분무, 전착등이있다 [3]. 이중압출코팅은열가소성수지를압출성형기에의해압출용융된것을종이, 플라스틱필름, 알루미늄박, 천등의기재위에도공하는방법을말한다 [7]. 사용되는열가소성수지로는폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 나일론등이있다 [6]. 균일한표면두께및접착성을갖는표면코팅방법은타구감및내구성이우수한배드민턴 string을위해피복형식의코팅제어기술이확립되어야한다. 즉, string 두께에따
312 최용대 박영미 Textile Science and Engineering, 2015, 52, 309-314 른정밀코팅을위해코팅소재의온도에따른점도측정으로최적의표면코팅과최적의유동성을갖는조건을가질수있도록표면코팅기의 rpm 조절을통한적정두께확립이매우중요하다. 압출코팅기를통한코팅테스트결과 nylon 12 물성의유동성이좋지않아압출기에서밀려나오지않는문제가발생해 nylon 12의융점 (178 o C) 으로온도를상승시켰으나오히려온도를높일수록물성이타는현상이발생하였다. 중심사인 nylon 66에비하여현저히융점이낮은 nylon 12 와의융점차이를이용하는압출코팅기방식은적절하지않은것으로확인되었다. 따라서 copolymer를먼저용액에분산시켜유동성을증가시킨다음, braiding된원사에디핑 (dipping) 하는방식과열풍히터를통한열풍경화에의해코팅하였다코팅물성시험결과를토대로시판 nylon 12 standard 물성과가장탄력성이좋은물성을가진 nylon 12 가운데중심사와겉사를 nylon 66으로 braid한다음, 압출코팅기를통해물성을평가하였다. 그결과코팅의횟수가낮을수록내구성이우수하며 nylon 66로코팅하는것이타구감향상의적절하다고판단하였다. 열풍건조코팅및와인딩 : 열풍건조코팅시 copolymer가휘발성이있는용액에녹였기때문에분산되어있던 copolymer 가아주미세한나노분자상태로녹아 ( 분산 ) 있어코팅시원사와의접착력은탁월하게좋으나휘발성용액이기화 된상태에서는굳어져계속사용하기에취약함이있었다. 따라서중심사를먼저침투력이좋은녹인용액 ( 분해물성 ) 을디핑한후한번건조시키고, 그중심사위에최적의장력을줄수있는각도를찾아 braiding 및코팅하여건조하였다. 또한겉사에디핑후건조시킨결과 string이미세하게꺾이는현상이발생하였으나, 미세한 string의꺾임현상을해결하기위한방안으로는침투력이가장좋은 nylon 12 중최적의물성용액으로먼저중심사를한번코팅하는것으로해결할수있었다. 따라서휘발성용액에분산된휘발성분이기화하여 copolymer의굳어지는응고현상으로인한장시간사용하기어려운조건을보완하기위해또다른고분자 copolymer chip을결빙시킨후물속에서분쇄해휘발성이없는고분자 copolymer 용액을확인하고이용액을겉사에코팅하였다. 3.2. SEM Figure 4는 string의단면내부의구조를알아보기위해 SEM image를확인한결과이다. sample A는멀티필라멘트 1890d의겉사와 100 d 아라미드중심사로 2회열풍코팅하였으며, sample B는멀티필라멘트 1995 d의겉사와 50 d 아라미드중심사로 2회코팅, sample C는멀티필라멘트 1995 d 의겉사와 50 d 아라미드중심사로 3회열풍코팅하였고, sample D는멀티필라멘트 1890 d의겉사와 100 d 아라미드 Figure 4. SEM images of strings; (a) sample A, (b) sample B, (c) sample C, and (d) sample D.
배드민턴라켓용 Sheath/core 복합구조 String 의제조및특성 313 중심사로 3회열풍코팅한시료이다. 시료의코팅횟수와 core의 denier에따라내부섬유의밀도가다른것을눈으로확인할수있다. 중심사의연사조건과최소두께의코팅을위해일본 YONEX BG80 제품을중심사부분과코팅부분을완전히분리하여분리된중심사의연사 ( 꼬임 ) 조건과코팅두께등을면밀히검토하여, BG80 과비교하면서가장적합한중심사에연사 ( 꼬임 ) 값설정과더불어겉사의꼬임수는결국겉사의꼬임각도와연관이있음을확인할수있었다. 3.3. String의굵기배드민턴 string은 0.65 0.73 mm 정도굵기의얇고강한줄로서, 굵기가굵어질수록내구성이증가하지만타구감이떨어지기때문에많은선수들이대부분가는 string을선호한다 [8]. 따라서본연구에서도최대한가늘면서도내구성과타구감을만족할수있도록코팅시최대한얇게하여 string을제조하였다. SEM 촬영한 sample A, B, C 및 D의직경을측정한결과, 전세계적으로인기있는일본, 미국등의제품의직경이 0.68 mm 정도이지만본연구에서는 A, B, C, D sample 각각 0.82 mm, 0.78 mm, 0.75 mm 및 0.72 mm로시중제품에비해굵지만타구감도만족시키면서강한장력을나타내는 string을제조할수있었다. 특히 sample D가가장가는 string으로서만족할만한결과를얻을수있었다. 3.4. 내구성과타구감평가를위한강도향상본연구에서는원사를고강도와고탄성을가진 aramid로선정함으로써 string의평균인장특성이향상된 string을제조할수있었고, 그결과를 Table 2에서와같이비강도, 인장탄성률, 인장강도및인장신도를통해나타내었다. 현재까지배드민턴라켓용 string의내구성이나타구감을평가할수있는국내및국제적기준은마련되어있지않으나, 국제적라켓생산기업들이주로평가기준으로채택하고있는비강도및인장강도결과를통해내구성을평가하였고, 인장탄성률과유연성을나타내는인장신도를통해타구감을평가할수있었다. 즉, 일반적으로 string에요구되는성질로서우수한연신율과적절한강도 (tension) 는 string 의끊어짐을방지하고좋은타구감을낼수있기때문이 다. 따라서비강도와인장강도측정결과로내구성을평가해볼수있는데, sample A는비강도가 4.21 g/d, B는 4.42 g/ d, C는 4.37 g/d, D는 4.61 g/d로 sample D의강도가가장큰것을알수있다. 이러한결과는비강도와마찬가지로인장강도에서도 D string이 17.59 MPa로가장큰것으로보아내구성은 sample D가표준편차에서큰차이는없지만가장큰것으로예상할수있었다. 한편라켓 string의타구감은인장탄성률과인장신도를측정함으로써나타낼수있었는데, 인장탄성률은비강도와마찬가지로 A는 77.3 gf/tex, B는 71.4 gf/tex, C는 64.58 gf/ tex, D는 54.13 gf/tex로 A가가장큰결과를나타내어 A string이가장역학적으로강성재질로서이는연신이힘들고 rigid함을알수있고, 재질의유연성이낮아타구감에도영향을미치는것을예상할수있다. 인장신도는 A가 42.65 mm인반면 56.53 mm로 D string의신장률이가장좋은것으로유연함을알수있다. 4종의 sample string 중에서배드민턴용으로내구성과타구감을고려할때, 강도는강하지만연신율이좋은 D string이가장적절한것으로판단된다. 그러나배드민턴용 string으로서내구성과타구감을평가하기에적절한강도와연신율에서요구되는특성은강도는강하지만연신율이우수한것이배드민턴을칠때너무강직하지않고유연하면서끊어지지않으므로이에인장강도와인장신도가가장우수한 D string이배드민턴용으로적합한것으로생각된다. 즉, D string이인장특성에서강도가강하므로끊어짐을방지하고탄성을위한유연성도가질수있을것으로추측된다. 4. 결론 본연구는연사조건과코팅조건을달리하여제조한 4종의배드민턴 string에대하여배드민턴선수및일반인이주로사용하는일본 YONEX의제품과비교분석하여그성능을조사하였다. 연사공정에서는소재의섬도, 꼬임수, 연사속도등에영향을받으므로, 중심사의가닥수, 중심사의데니어, 겉사의수등여러경우의수로나누어반복실험을하였다. 내구성을증가시키기위하여 20회까지늘릴수있도록 braiding 기각도조정및원사의 tension 조정, 원사의가닥수조정 Table 2. Tension of manufactured string Test item Sample A Sample B Sample C Sample D Average SD* Tenacity (g/d) 4.21 4.42 4.37 4.61 4.40 0.16 Tensile strength (MPa) 16 17 16.5 17.59 16.77 0.68 Tensile modulus (g/tex) 77.3 71.4 64.58 54.13 66.85 9.95 Tensile extension (mm) 42.65 43 43 56.53 46.30 6.83 *SD: Standard deviation.
314 최용대 박영미 Textile Science and Engineering, 2015, 52, 309-314 등을달리하여 string을제조한후, 인장실험을통해연사조건을조정하였다. 또한 copolymer의유동성을증가시켜 braiding된원사에디핑 (dipping) 하는방식과열풍히터를통한열풍경화방법에의해최적의코팅조건을설정할수있었다. 코팅물성시험결과를토대로시판 nylon 12 standard 물성과가장탄력성이좋은물성을가진 nylon 12 가운데중심사와겉사를 nylon 66으로 braid한다음, 압출코팅기를통해물성을평가하였다. 그결과코팅의횟수가낮을수록내구성이우수하며 nylon 66로코팅하는것이타구감향상에적절하다고판단하였다. String에요구되는가장중요한성질인타구감과내구성을보완시켜현재대부분수입에의존하고있는배드민턴용 string의최적의성능을확보하기위하여연사조건및코팅조건을다양하게변화시킨결과, 4종의제조된 string 가운데인장특성에서 sample D string이내구성이가장강하고, 타구감도우수한것을확인할수있었다. 감사의글 : 본연구는중소기업창업성장개발사업 (2013.08.01 2014. 07.31) 지원에의해연구되었으며, 연구 비를제공해주신 테크민턴구명희대표님께감사의뜻을전합니다. References 1. K. Gosen, T. Daihyo, and T. Utaka, Gut, JP Patent, 19850006370(1985). 2. G. L. Skara and J. F. Lacebesk, String for Racket, UK Patent, 19800004294(1980). 3. W. Walter, Coated and Laminated Textiles, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, 2000, pp.4 16. 4. C. H. Jeon, J. S. Han, and J. Y. Lee, Synthesis Tennis String with Playability and Durability, KS Patent, 20100102823(2010). 5. S. H. Youn, Perspectives of Twisting Machine Technologies in Textile Industries, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A., 1995, 35, 63 70. 6. Y. S. Kim, The Effect of 2-for-1 Twist Process Conditions on the Physical Properties of PET Yarn, Master s Thesis, Yeungnam University, Gyeongsan, 2002. 7. K. B. Kang, Extrusion Coating Performances of PP/LDPE Blends, Doctoral Thesis, KAIST, Daejeon, 2009.