섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 2 -

목 차

1. 서론 ·················································································································· 1

2. 본론 ···················································································································· 2

2-1. 셀룰로오스 ································································································· 2

2-2. 열가소성 셀룰로오스 유도체 ········································································ 3

2-3. 용융 셀룰로오스 섬유 ················································································· 7

2-4. 용융 셀룰로오스 섬유소재의 개발동향 ························································· 9

2-4-1. 일본의 소재개발 동향 ········································································ 9

2-4-2. 독일의 소재개발 동향 ······································································· 12

2-4-3. 미국의 소재개발 동향 ······································································· 14

2-5. 제품의 용도전개 ························································································· 14

3. 결론 ·················································································································· 15

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 1 -

1. 서론

세계의 인구가 지속적으로 증가함에 따라 소비되는 섬유의 양도 해마다 증가하고 있으며,

현재 평균적으로 연간 약 6,000만 톤 이상의 섬유가 생산되어 소비되고 있는 것으로 알려지고

있다. 이러한 생산량 중에는 3대 합성섬유로 불리는 폴리에스터, 나일론, 아크릴 섬유가 우수

한 물성과 취급의 용이성, 상대적으로 저가에 공급이 가능한 장점 때문에 대부분을 차지하고

있다.

그러나 최근 지구온난화 등 지구오염 및 환경의 중요성에 대한 인식이 높아짐에 따라 석유

를 기반으로 해서 생산되고 있는 합성섬유 소재의 향후 원료 고갈에 따른 공급의 어려움뿐만

아니라, 소각을 실시할 경우에 다량의 오염물질과 이산화탄소가 배출된다는 문제점으로 인해

세계 섬유산업에서도 이에 대한 대책을 마련하고 있다.

또한 산림자원이나 식량계 바이오매스 자원을 활용한 에너지 자원 등으로의 광범위한 전개

에 따른 석유계 합성섬유나 재생섬유 생산용 원료공급에 있어서도 점차 한계점에 도달할 것으

로 판단되고 있기 때문에 이들 자원의 고갈에 따른 섬유소재의 원료수급이나 가격상승의 문제

점을 해결할 대안들이 꾸준하게 요구되고 있다[1].

그림 1. 연간 세게 섬유생산량 변화추이

이러한 대책의 하나로 셀룰로오스 섬유와 친환경 제조공법이 부각되고 있다. 식물이 이산화

탄소와 물을 원료로 광합성(photosynthesis) 작용을 통해서 만들어내는 셀룰로오스는 지구상에

서 가장 풍부하게 존재하는 유기물 소재 중의 하나이며, 매년 약 1,000억 톤 이상의 막대한 양

이 새롭게 생산되고 있다. 이들 셀룰로오스 소재는 적정한 수준으로 이용할 수만 있다면, 거의

반영구적으로 사용할 수 있는 유용한 바이오매스 자원 중의 하나이다. 특히, 면이나 마섬유는

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 2 -

예로부터 널리 이용되고 있는 셀룰로오스 소재 중의 하나이지만, 천연섬유이기 때문에 단섬유

로 밖에 얻을 수가 없으며, 이들 소재를 가공하기 위해서는 방적공정이 필수적으로 필요하게

된다. 또한 섬유의 단면 형상과 굵기를 자유롭게 선택할 수도 없다는 제약이 있다.

또한 셀룰로오스계 섬유의 장섬유 형태로는 레이온이나 아세테이트 섬유가 잘 알려져 있다.

이들 섬유들은 셀룰로오스 소재가 가지는 우수한 흡습성이나 발색성을 가지고 있으며, 고급의

섬유소재로서 사용하기에 적합한 우수한 질감을 보유하고 있지만, 불행하게도 이들 섬유는 용

액방사법(solution spinning)에 의해서만 생산될 수가 있으며, 섬유의 제조과정에서는 환경부하

가 큰 약제나 유기용매를 반드시 사용해야만 하는 문제점을 가지고 있다. 따라서 이들 셀룰로

오스 장섬유 소재는 반드시 친환경적으로 제조되어야만 한다는 지적이 지속적으로 제기되어

왔으며, 환경 의식이 높은 유럽 등지에서는 생산 활동을 지속하는 것이 점차적으로 어려워지

고 있다. 따라서 이들 소재의 제조에 있어서 약제나 유기용매를 사용하지 않는 용융방사법

(melt spinning)으로 셀룰로오스계 섬유의 제조가 가능해진다면, 재료의 수급 측면에서나 친환

경적인 공정의 측면에서 진정한 친환경 섬유재료가 될 수 있을 것으로 기대된다[2].

그림 2. 각종 섬유의 제조방법과 문제점(Toray, 일본)

2. 본론

2-1. 셀룰로오스

셀룰로오스는 광합성 작용에 의해서 생산되는 지구상에서 가장 풍부한 유기 고분자 소재 중

의 하나이며, 우수한 섬유형성 능력과 물성은 천연섬유나 혹은 인조섬유의 형태로써 널리 이

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 3 -

용되고 있다. 또한 셀룰로오스 합성섬유는 약 100여 년 전부터 개발이 이루어져 왔으며, 오늘

날에도 여전히 전 세계 섬유시장에서 매우 중요한 역할을 수행하고 있다.

셀룰로오스는 단량체마다 3개의 수산기(hydroxyl group)를 가지고 있으며, 같은 사슬 내의

다른 단량체나 인접한 다른 사슬 단량체와 서로 3차원적인 강한 수소결합을 형성하여 높은 결

정화도를 가지게 된다. 셀룰로오스가 이러한 특징을 가지고 있기 때문에, 일반적인 용제를 사

용해서는 용해시킬 수가 없고 이온과 같이 강한 극성을 가지는 용제를 사용할 경우에만 3차원

적인 수소결합을 해체하여 셀룰로오스를 녹일 수가 있다. 일반적인 셀룰로오스 직접 용매로써

는 N-methylmorpholine-N-oxide(NMMO)나 N,N-dimethylacetamide/lithium chloride,

Dimethylsulphoxide/p-formaldehyde와 같은 것들이 다양하게 개발되었지만, 현재는 NMMO가

가장 실용적인 용매로 알려져 있다. 환경친화적인 셀룰로오스 섬유로 알려진 라이오셀 섬유

역시 NMMO를 용매로 해서 만들어진 것이며, 현재에도 이온성 액체와 같은 다양한 용매 시

스템을 통한 새로운 셀룰로오스 섬유소재의 개발이 이루어지고 있다. 또한 셀룰로오스 섬유는

화학적인 개질이 쉬울 뿐만 아니라 원하는 특성을 쉽게 부여할 수 있기 때문에 향후에도 혁신

적인 소재로써 그 생산은 계속해서 이루어질 것으로 기대된다[1-3].

그림 3. 셀룰로오스 소재의 분자구조

2-2. 열가소성 셀룰로오스 유도체

기존의 셀룰로오스계 장섬유로서는 비스코스 레이온이나 아세테이트 섬유 등이 제조되어 왔

으며, 이들 섬유들은 우수한 흡습성이나 발색성, 광택 등 다른 섬유에서는 나타나지 않는 독특

한 물성을 가지고 있기 때문에 고급 섬유소재로 널리 사용되어져 왔다.

그러나 기존의 셀룰로오스계 섬유는 용액방사로만 제조되며, 이 때 사용되는 용매 등의 약

제가 환경부하가 크다는 단점이 있었다. 용액방사가 아니라 용융방사에 의해서 섬유화를 수행

하기 위해서는, 가열에 의해서 열 유동을 나타내기에 충분한 열가소성을 가지는 조성물로 반

드시 이루어져 있어야 한다. 하지만 앞서 설명한 바와 같이 셀룰로오스는 분자구조 중에 여러

개의 수산기를 가지고 있으며, 이들 분자 사슬간에 형성된 강한 수소결합 때문에 열 에너지를

가해도 분자사슬이 자유롭게 운동하는 것은 불가능하다. 따라서 셀룰로오스에 열가소성을 부

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 4 -

여하기 위해서는, 수산기의 일부에 대해서 화학적인 개질처리를 수행하고, 그 수소결합을 억제

시키는 것이 좋은 해결책이 될 수가 있다. 일반적으로 수산기는 반응이 용이한 관능기이며, 이

들 수산기를 이용하여 다양한 에스터화나 에테르화, 카바메이트화와 같은 화학적인 개질처리

를 수행할 수가 있는 것으로 알려져 있다[4].

그림 4에 보이는 바와 같이, PET병의 원료이기도 한 폴리에틸렌테레프탈레이트는 열가소성

고분자이기 때문에, 융점 이상의 온도를 부여할 경우에는 쉽게 열 유동성을 나타내게 된다. 반

면에 셀룰로오스는 열가소성을 나타내지 않는 재료이기 때문에, 가열할 경우에 열 유동 현상

은 발생하지 않고, 열분해에 의해서 탄화가 일어나게 된다.

일반적으로 제조과정에서 환경부하가 높은 약제나 유기용매를 사용해야만 하는 용액방사 공

정에서 제조되는 기존의 셀룰로오스계 섬유들과는 달리, 폴리에스터와 나일론 등의 합성섬유

는 용융방사로 제조하는 것이 가능하다. 이것은 고분자 수지가 양호한 열가소성을 가지고 있

기 때문이며, 예를 들면 폴리에스터 섬유의 원료인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 융점 이

상에서 쉽게 열 유동성을 보일 수 있는 소재이다. 하지만, 셀룰로오스는 그 자체에 열에너지를

가하더라도 용융 가능한 온도 이전에 열분해가 발생하게 되어 탄화가 진행된다. 따라서 폴리

머의 열가소성이 필요한 용융방사법으로 셀룰로오스를 섬유화하는 것은 현재로서는 불가능하

다[4-5].

그림 4. PET와 셀룰로오스 소재의 열적 거동 차이 : 용융 및 열분해

용융방사가 가능한 셀룰로오스 섬유를 개발하기 위해서는 셀룰로오스가 가지고 있는 수산기

를 수소결합이 불가능한 다른 새로운 관능기로 치환시켜야 하며 이에 대한 다양한 방안들이

오래 전부터 연구되어 왔다. 측쇄의 탄소수가 작은 경우에는, 예를 들어 셀룰로오스 아세테이

트나 메틸셀룰로오스는 열가소성이 충분하지 않고 용융되지 않는 부분이 보이는 반면에,

bulky한 측쇄를 도입한 셀룰로오스 유도체의 경우에는 열가소성이 발현되어 균일하고 투명한

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 5 -

필름상으로 만들어지는 것을 확인할 수가 있다. 하지만, 트리아세틸 셀룰로오스(Triacetyl

cellulose)의 경우에도 모든 단량체의 수산기를 완벽하게 다른 기(group)로 치환할 수 있는 것

이 아니며, 일반적으로 약 92%의 수산기가 아세테이트기로 치환되어 있는 것으로 알려지고 있

다. 이렇게 높은 치환율을 보이는 셀룰로오스 소재라도 용융방사가 용이하지 않아

dichloromethane과 methanol의 혼합용제에 녹여서 용액방사를 실시하기 때문에, 이런 근본적

인 문제점을 해결하기 위해서는 높은 치환율의 반응과 더불어 효과적인 치환기의 설정이 반드

시 필요하다[5].

(a) 셀룰로오스 유도체의 기본 메커니즘

(b) 셀룰로오스 유도체의 주요 치환기

그림 4. 셀룰로오스 유도체 제조의 (a)기본 메커니즘과 (b)주요 치환기

하지만 상기에서 제시된 다양한 셀룰로오스 유도체들은 열가소성이 충분하지 않고, 또한 그

대로 가열 용융시키면 연화되기 전에 분해 또는 착색을 일으키는 문제점을 가지기 때문에 셀

룰로오스 유도체의 열성형성을 높이기 위한 목적으로 다양한 가소제를 적용하거나 셀룰로오스

유도체에 잔류하는 수산기에 지방족 폴리에스터를 그래프트 반응을 시키는 기술이 제안되어

왔다. 예를 들면, 용융방사가 가능한 열가소성 셀룰로오스 조성물과 이들 조성물로 이루어진

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 6 -

용융 셀룰로오스 섬유는 셀룰로오스 아세테이트에 글리세린이나 폴리에틸렌글리콜 등의 저분

자량 수용성 가소제를 대량으로 첨가한 셀룰로오스 섬유가 널리 알려져 있으나, 저분자량의

가소제를 조성물 중에 50w%로 극히 높은 비율로 투입하기 때문에, 높은 온도에서 가공을 실

시할 경우에는 가열 감량율이 높고, 가소제의 휘산이 급격하게 일어날 수 있다. 또한, ɛ-카프로락톤 유도체 등을 가소제로 첨가함으로써 가소화한 셀룰로오스 아세테이트 조성물과 이를 용

융방사해서 얻어지는 섬유가 일본의 특허에서 나타나고 있으나, 이들 특허공보에 기재된 용융

셀룰로오스 조성물은 셀룰로오스 아세테이트에 대해서 가소제를 첨가하여 가소화하는 기술로

써, 저분자량의 가소제를 다량으로 함유시켜야 하며 용융방사 시 외부가소제의 휘산이 크다는

문제점을 그대로 가지고 있다.

한편 가소제를 첨가하는 것이 아니라 셀룰로오스 유도체에 직접 그래프트 반응을 수행함으

로써 가소화를 행하는 방법으로, 셀룰로오스 아세테이트의 주쇄에 ɛ-카프로락톤을 주체로 개환그래프트한 고분자 소재의 제조방법이 알려져 있으며, 이들 폴리머는 가소제가 빠져 나올 염

려는 없지만, 측쇄가 주로 폴리카프로락톤으로 이루어져 있기 때문에, 60℃정도의 낮은 온도에

서 측쇄의 유동이 생겨 섬유로서 필요한 내열성을 만족시킬 수 없는 문제점을 가지게 된다.

또한 그래프트 모노머로서 유산의 이량체인 락티드를 사용하는 셀룰로오스 유도체의 제조방법

이 일본 특허공개에서 개시되어 있으나, 이 방식은 열가소성 셀룰로오스 유도체 제조방법들의

경우에는 셀룰로오스 아세테이트를 기본으로 그래프트 반응을 행하였으며, 최종 용융방사용

셀룰로오스 혼합 에스터를 얻기 위해서는 전구체에 해당하는 셀룰로오스 아세테이트의 제조가

반드시 선행되어야 할 것으로 판단된다[6].

그러나 이러한 셀룰로오스 아세테이트의 합성기술을 살펴보면, 셀룰로오스와 과량의 무수초

산을 황산 촉매 하에서 아세틸화 반응을 통하여 수행하고 있으며, 또한 이 반응은 불균일계

반응으로 진행되기 때문에 아세틸기의 치환도를 제어하기가 어려운 문제점이 있다. 이러한 문

제점을 제어하기 위해서는 완전히 아세틸화 반응을 진행시킨 후, 가수분해를 통해 치환도를

조절하게 되지만, 이럴 경우에는 환경 부담이 크고 복잡한 공정을 거치게 되기에 지방족 에스

터의 직접 그래프트 중합 방법을 통한 친환경 천연고분자의 용융화 공법이 요구되며, 셀룰로

오스의 분자구조를 제어하기 위해서는 반응이 균질계에서 진행되도록 하여 각 히드록시기에

대한 치환반응이 정밀하게 제어되도록 해야 한다[5-7].

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 7 -

그림 5. 일본 도레이사의 셀룰로오스 아세테이트 반응 메커니즘

2-3. 용융 셀룰로오스 섬유

수산기에 대한 화학개질을 수행하고 수소결합을 억제함으로써, 어느 정도의 열가소성을 나

타내는 셀룰로오스의 유도체를 얻을 수 있다는 것은 널리 알려져 있지만, 용융방사 공정에 적

합한 유도체를 제조하기 위해서는 다양한 측쇄의 설계가 필요하다. 특히, 용융방사에서 사용하

는 셀룰로오스 유도체의 용융점도와 신장점도는 충분히 낮은 값을 가질 필요가 있지만, 강도

나 탄성률 등의 기계적인 물성뿐만 아니라, 다림질 등을 위한 내열성 등에서도 양호한 값을

가질 필요가 있다. 이와 관련된 각종 보고서에 따르면, 셀룰로오스에 대한 열가소성을 부여할

목적으로 화학적인 개질에 대한 다양한 검토를 실시한 결과, 여러 종류의 측쇄를 가진 셀룰로

오스 혼합 에스터에 대해서 특정한 비율의 측쇄 조성물에서 양호한 열 유동성과 섬유의 기계

적 특성을 양립시킬 수 있다는 것이 확인되었다[5].

먼저 용융 셀룰로오스 섬유를 제조하기 위한 공정 개략도를 그림 6에서 나타내었다. 용융방

사의 안정성을 높이기 위해서는 셀룰로오스 혼합 에스터와 분자차원에서 상호간 상용성을 부

여하는 것과 생분해성을 가지고 환경부하가 적도록 하기 위한 목적으로 다양한 가소제에 대한

평가를 수행할 필요가 있다.

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 8 -

그림 6. 셀룰로오스 유도체 방사용 개략도

또한 소량의 가소제는 정련(염색 전 수세공정)에 의해서 완전히 제거되기 때문에 최종적인

제품은 완전한 셀룰로오스 성분으로 구성된 소재가 되는 것으로 알려지고 있다. 이러한 조성

물을 이용할 경우에는 용융방사 프로세스가 안정하고 연속운전도 가능해서 열가소성 셀룰로오

스 섬유의 생산을 공업적으로 실시할 수가 있게 되는 것으로 보고되고 있다. 열가소화된 셀룰

로오스 조성물의 용융방사 공정에서는 기존의 용융방사 장치를 사용하는 것이 가능하다. 그림

6에서 보이는 바와 같이, 열가소성 셀룰로오스 조성물의 pellet을 용융방사 장치에 공급하고,

용융부에 설치된 가열판이나 extruder를 이용해서 용융시키게 된다. 그 다음에 기어펌프에서

정량으로 계량시킨 폴리머 용융물을 filter pack으로 보내어 노즐을 통해서 방출시킨다. 방출된

실은 냉각풍으로 균일하게 냉각시키고, 고속으로 회전하는 롤러에서 인취시킨 후, drum으로

권취한다[7].

그림 7에서 보이는 바와 같이, 셀룰로오스계 조성물은 폴리에스터나 나일론과는 달리 신장

점도의 온도의존성이 높기 때문에 방사 노즐로부터 방출되어진 필라멘트는 바로 고체로 되는

경향이 있다. 이는 섬유의 균일성을 유지하기 위해서는 노즐 하부의 분위기 제어가 매우 중요

하다는 것을 의미하며, 구체적으로는 온도 및 기류의 제어와 냉각풍이 핵심이 된다. 또한 용융

방사로 제조할 경우에는 기존의 셀룰로오스계 섬유의 용액방사에 비해서 방사 속도를 2배 이

상으로 고속화하는 것이 가능하며, 다양한 단면형상을 가지는 섬유소재를 제조할 수가 있다.

예를 들어 2,000m/min의 속도에서 안정적인 방사를 수행한다면, 이 속도는 약 120km/hour

수준이 되며 권취 roller는 자동차의 고속주행에 필적하는 속도가 된다. 방사속도의 고속화에

따라서 단위시간당 생산성이 향상되는 효과가 있다는 점 외에도, 분자배향이 커지게 되어 섬

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 9 -

유의 강도가 향상시키는 효과도 줄 수 있게 된다[3-7].

그림 7. 용융 셀룰로오스의 신장점도 및 사속도 변화(도레이, 일본)

개질된 셀룰로오스 소재는 좁은 processing window를 가질 것으로 예상되며, 이에 가급적

낮은 온도에서도 적정한 수준의 점도를 확보할 수 있는 가공보조제(processing agent)의 개발

이 필요하다. 이러한 가공보조제는 개발된 셀룰로오스의 유변 물성(rheological properties)을

가공온도나 변형률 속도(shear rate, strain rate) 뿐만 아니라 제 3의 방법으로 조정함으로써 용

융방사 공정의 scale-up을 가능하게 해줄 것으로 판단된다. 또한, 섬유는 방사공정만으로는 용

도에 맞는 물성을 달성할 수가 없기 때문에, 이를 해결할 수 있는 일반적인 방법으로 연신공

정(drawing process)을 채택하고 있으며, 다양한 가소화 작업을 통해서 개질을 하여도 셀룰로

오스가 가지는 분자주쇄(backbone)의 구조 자체가 매우 강직한 구조를 가지고 있으므로 유리

전이온도가 낮은 PET난 Nylon에 적용하던 전형적인 연신기법을 적용할 수 없을 것으로 예상

되기에, 개질된 셀룰로오스에 대한 최적의 연신조건을 찾는 연구는 용융방사 가능한 셀룰로오

스의 상업적 가치를 확보하는 데 있어 반드시 필요할 것으로 판단된다.

2-4. 용융 셀룰로오스 섬유소재의 개발동향

2-4-1. 일본의 소재개발 동향

일반적으로 셀룰로오스 디아세테이트의 성형은 아세톤 등을 용매로 하여 주로 용액가공법에

의하여 성형될 수가 있으나, 용액가공법을 이용하려면 용매의 재회수 등의 어려움과 추가공정

이 있어야 하기 때문에 생산성 저하나 제품의 단가상승이 불가피하며, 환경 부담이 큰 약제의

사용으로 인한 환경적인 문제로 생산의 제한을 받게 된다. 일본 도레이사에서 용융방사로 제

조한 셀룰로오스계 섬유소재를 처음으로 개발하여 포레세(Foresse™)라는 제품명으로 시장전개

를 활발하게 추진 중에 있다. 이들 섬유에 대한 기술개발 동향을 간단하게 살펴보면, 초기에는

대부분 셀룰로오스 에스터 유도체와 저분자량 가소제를 혼입하여 용융방사를 실시하였으나,

저분자량 가소제의 대량 혼입에 따른 촉감의 불량, 가소제의 휘산이나 방사성능의 저하 등의

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 10 -

문제점으로 인해서 점차 면이나 린터를 원료로 하는 셀룰로오스 유도체에 지방족 에스터 화합

물을 직접 그래프트하는 방법으로 개발이 진행되고 있는 것으로 파악되고 있다.

그림 8. 열가소성 용융 셀룰로오스 섬유의 제조공정도(Toray, 일본)

이들 섬유의 제조공정도를 그림 8에 간단하게 나타내었으며, 개념도에서 보이는 바와 같이

기존의 셀룰로오스계 섬유와는 달리 방사 시에 유해한 약제나 유기용매를 사용할 필요가 없다

는 점에서 환경면에서 장점을 가지고 있으며, 소재 측면에서도 용융방사에 의해 제조할 수 있

다는 점에서 다양한 이형단면 섬유, 복합섬유의 제조가 가능하다.

그림 9에서 보이는 바와 같이, 용융방사 기술을 적용해서 제조할 경우에는 용액방사에서 구

현하지 못했던 임의의 단면형상을 가지는 이형단면 섬유들에 대한 제조가 용이하고, 복합방사

기술을 적용할 경우에는 자연에 존재하는 해도면(sea island cotton)보다도 훨씬 섬세한 초극세

셀룰로오스 섬유의 제조가 가능하게 되어, 종전에는 셀룰로오스계 섬유로는 제조할 수 없었던

새로운 상품의 전개가 가능해져 보다 폭 넓게 사용될 것으로 예상된다.

이러한 이형단면 구조의 채택이 가능해짐으로써, 모세관 현상에 의한 흡수성능의 향상, 반사

광의 제어에 의한 풍부한 광택감과 발색성의 향상, 중공부의 도입에 따른 경량화 등의 새로운

기능부여가 가능하다는 장점을 가지게 된다. 또한, 기존의 셀룰로오스 섬유인 레이온은 비중이

1.5 수준으로 다소 무거운 것이 단점이지만, 용융 셀룰로오스 섬유는 비중이 1.3 정도에 불과

해 레이온에 비해서 경량이며, 특히 중공섬유로 제조할 경우에는 겉보기 비중을 0.9 수준으로

낮추는 것이 가능하다. 따라서 이 소재를 이용할 경우에는 물에 가라앉지 않는 초경량의 신규

소재로 제조할 수 있음을 알 수 있다.

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 11 -

그림 9. 다양한 이형단면사와 해도사 단면사진

또한 용융방사의 대표적인 기술인 해도형 복합방사 공정을 통하여 제조할 경우에는 셀룰로

오스계 조성물을 도(island) 성분으로, 쉽게 가수 분해되는 폴리머를 해(sea) 성분으로 하여 방

사하면 그림 10에서 보이는 바와 같이 해도형 복합섬유를 얻을 수가 있다. 얻어진 복합섬유에

대해서 해성분을 용출시켜 섬유 직경이 약 3㎛ 수준인 셀룰로오스 섬유를 제조할 수 있게 됨

으로써, 현재까지 지구상에서 존재한 적이 없었던 새로운 셀룰로오스 섬유를 제조하는 것이

가능하다. 그림 11에서는 이들 포레세 섬유의 강신도 곡선을 나타낸 것이며, 강도가 1.7

cN/dtex로써 기존의 소재에 비해서 강도가 약 50% 증가되어 양호한 기계적 물성을 가진다는

것을 알 수 있다[5-7].

그림 10. 용융방사기술의 채용에 의한 신규소재의 창출

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 12 -

그림 11. 섬유의 강신도 특성

2-4-2. 독일의 소재개발 동향

독일 ITCF(Institute for Textile Chemistry and Chemical Fibers, Denkendorf)에서는

TMSC(Trimethyl silycellulose) 소재를 활용한 용융 셀룰로오스 섬유소재를 개발하였다.

그림 12. TMSC(Trimethylsilylcellulose)를 이용한 용융방사 공정도

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 13 -

이들 소재는 타이어코드나 산업용 자재 등에 적용할 수 있을 만큼의 높은 강도와 탄성률을

가질 뿐만 아니라, 낮은 신도도 가지고 있어 다양한 분야에서 이용되고 있다. 이들 공정은 그

림 12에서 보이는 바와 같이, 셀룰로오스의 실릴화(silylation) 반응을 이용하여 TMSC 소재를

제조하여 용융방사 공정에 이용하는 것이다[4,8].

먼저 Bis(trimethylsily)carbamate(BSC)는 셀룰로오스 소재가 가지는 우수한 swelling 능력 때

문에 실릴화 반응에 적합하며, 이들 반응의 대부분은 별다른 촉매나 염이 추가되지 않아도 수

행될 수가 있는 것이 큰 장점으로 알려지고 있다. 또한, 제조된 실릴 셀룰로오스는 열 유동성

이 우수하며, 방사온도 250℃ 이하의 범위에서는 별다른 첨가제 없이도 용융방사가 가능한 것

으로 보고되고 있다. 순수한 셀룰로오스 섬유는 최종적으로 실릴 셀룰로오스의 가수분해

(Hydrolysis)에 의해서 얻어지게 되며(재생단계), 이들 제품의 생산과정에서 사용되는

Hexamethyldisiloxaene(HMDS)은 Urea의 열 분해에 의해서 얻어진 Isocyanuric acid의 촉매작

용에 의해서 재사용됨으로써 전체적으로 이들 제품의 생산 공정은 순환과정이 이루어지게 된

다. 이들 소재들에 대한 내부구조 변화와 물성 값을 그림 13과 표 1에 나타내었다[8].

그림 13. 실릴 셀룰로오스 섬유소재의 가수분해에 의한 구조 변화

표 1. 실릴 셀룰로오스 용융방사 섬유의 물성

As-spun fiber Hydrolyzed fiber방사속도(m/min) 250 1000 250 1000섬도(dtex, 12f) 110 145 70 92

건조강도(건조,ex) 14.2 16.3 32.5 34.2신도(%) 4 4 5.5 4.5초기 탄성률(cN/tex) 581 620 1350 1580

습윤강도(cN/tex) - - 31.2 34.5신도(%) - - 6.5 5.2초기 탄성률(cN/tex) - - 660 720

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 14 -

2-4-3. 미국의 소재개발 동향

미국 North Carolina 주립대에서는 trimethyl siliy cellulose(TMSC)와 pheyl acetoxy

cellulose를 Sieglaff-Mckevey carillary rheometer로 용융방사를 실시하여 섬유를 제조하였으며,

물성 분석 결과 viscose rayon과 lyocell cellulose에 비해 우수한 강도와 탄성률을 가지는 것을

보고하였다. 하지만 이들 소재들은 용융방사공정을 이용하여 셀룰로오스 섬유를 제조하였지만,

기존 기술에 비해서 속도나 공정 측면에서의 기술 차별화와는 다소 거리가 먼 것으로 판단되

고 있다[9].

2-5. 제품의 용도전개

현재까지 용융 셀룰로오스 섬유소재에 대한 상업적인 제품을 출시한 곳은 일본 Toray사 단

독으로 알려지고 있으며, 이들 제품은 적당한 흡·방습성과 여름철 후덥지근한 느낌이나 겨울철

의 정전기 발생의 감소, 양호한 발색성과 독특한 광택감, 특유의 소프트한 촉감을 부여할 수

있는 것으로 알려지고 있다. Toray에서는 이들 용융방사된 셀룰로오스 섬유에 대한 원사 및

텍스타일의 기본 핵심기술을 확립하고, 관련 제품의 상표 등록을 완료한 후 본격적인 시장전

개를 진행하고 있는 것으로 알려지고 있다. 제품 개발과 관련된 내역을 살펴보면, 지난 2007년

도에 Toray 재료전시회에서 용융 셀룰로오스 제품과 관련한 첫 전시회를 열었으며, 최근에는

프랑스 Premiere Vision 등에서도 관련된 제품을 전시하여 홍보를 지속하고 있는 것으로 알려

지고 있다.

그림 14. 포레세를 이용한 제품 전시회 모습(도레이, 일본)

그림 14에서 보이는 바와 같이, 마네킹이 착용하고 있는 오렌지색의 제품은 포레세의 열가

소성을 활용한 주름가공이 부여된 원단이며, 선명한 색상의 제품이 얻어지는 것을 확인할 수

있다. 또한 파란색의 제품은 니트 제품으로써, 다양한 형태로의 제품전개가 가능한 것으로 알

수 있다. 이들 제품은 현재 대부분 여성용 의류 제품으로 사업전개가 추진되고 있으며, 그 중

섬유정보팀

텍스토피아 유료컨텐츠 2012/11/13 - 15 -

에서도 셀룰로오스 특유의 유연성을 표현할 수 있고 유기용매를 전혀 사용하지 않는 친환경

에코섬유로 평가되고 있다. 특히, 이들 제품은 환경 대응형 소재인데다, 폴리에스터나 종래의

셀룰로오스에서는 볼 수 없는 새로운 감촉이 있는 것으로 평가받고 있기 때문에, 향후에는 다

음 세대를 책임질 진정한 대형 소재군으로 전개하고 있는 것으로 알려지고 있다[5-7].

3. 결론

여기에서는 셀룰로오스 섬유의 다양한 활용을 위한 목적으로 셀룰로오스 소재의 열가소화와

용융방사 공정으로의 적용에 관한 관련 핵심기술과 제품의 개발현황에 대해서 간단하게 살펴

보았다. 현재 일본이나 독일 등의 섬유기술 선진국에서만 제품화가 진행 중에 있으나, 아직까

지 본 기술의 핵심은 완벽하게 정립된 것으로는 보이지 않고 있으며, 단지 핵심기술 몇 가지

만 구축된 상태에 불과한 것으로 판단된다. 이들 용융 셀룰로오스 섬유소재의 개발에 있어서,

향후 국내에서도 제조공정의 환경적인 리스크나 에너지 절감뿐만 아니라 보다 고도화 기술을

적용한 제품의 설계와 생산을 위한 기반기술의 개발이 반드시 이루어져야 할 것으로 판단된

다.

참고문헌

1. セルロ―ス 利用技術の 最先端, A. Isogai, シ―エムシ― 出版 (2008).

2. K. Bredereck and F. Hermanutz, Rev. Prog. Color., 35, 59 (2005)

3. A. Turbak, Regenerated Cellulose Fibers, Ed. C. Woodings, Woodhead Publishing. 174

(2000).

4. F. Hermanutz et al., Chem. Fibers Int., 51, 271 (2005)

5. 荒西義高, 山田博之, 鹿野秀和, 폴리머프런티어21 講演要旨集, 7 (2009).

6. 荒西義高, 機能紙硏究會志, 47, 37 (2008).

7. 荒西義高, 西尾嘉之: Cellulose Communications, 13(2), 70 (2006).

8. F. Hermanutz, T. Karstens, A. Stein, Lenzinger Berichte, 84, 86 (2005).

9. R. D. Gilbert et al., Journal of Applied Polymer Science, 77, 418 (2000).