섬유화학(섬유화학) Textile Chemistry Textilchemie(독일어), Chimie Textile(프랑스어) 1. 개념과 정의섬유 화학(textile chemistry)는 섬유와 고분자 물질을 다루는 학문으로, 분자 구조의 설계를 통해서 새로운 섬유 및 고분자 물질을 만들거나 기존의 물성을 개선하는 연구를 실시한다.섬유에 관한 연구는 재료 화학적인 측면에서 그 물리적 화학적 성질을 연구하고 이를 가공하여 제품화할 분야로 세분화되고 있다.섬유(섬유, Fiber)는 길이가 굵기의 100배 이상 되는 선형 상태의 물질로 정의하고 있지만 굽히기 쉽고 어느 정도의 강도를 지니고 있어 직물로 만들고 옷 이외에도 다양한 재료 분야에 응용되는 물질이다.섬유를 만든 고분자의 특징은 분자 간 상호 작용이 강하고 분자가 서로 규칙적 배열을 하는 특징이 있다.오래 전부터 인류는 천연 섬유상 물질을 채취하고 피복 재료로 사용했지만 최근 100년간 화학 공업의 발달로 다양한 화학 섬유가 개발되어 다양한 질감과 특성을 가진 소재가 사용되게 되었다.섬유는 천연 섬유와 인공 섬유로 분류하지만 천연 섬유의 원료는 솜(솜, cotton), 명주(비단, silk), 양모(양모 wool)등이지만 목화의 주성분은 섬유소 또는 셀룰로오스(cellulose)이다.이 섬유소는 화학적으로 매우 안정된 물질이어서 의류 등 다양한 분야에서 활용되어 왔다.명주실은 누에의 고치가 원료이지만, 누에 고치는 피브로인(fibroin)과 세리신(sericin)라는 두가지 물질로 되어 있지만, 고치를 열 처리하고 실을 감기면 중심에는 피브로인이 있고 그 주변을 세리신이 에워싸게 된다.이를 비누 수용액에 처리하고 외부 세리신을 제거하면 질감과 광택이 생기게 된다.명주 직물은 동물성이라, 목화와 달리 그 주성분이 단백질이며, 이 단백질을 가수 분해(캐나다, hydrolysis) 시키고 보면 주로 글리신(glycine), 알라닌(alanine), 티로신(tyrosine)이라는 아미노산(amino acid)으로 구성되어 있다.양모도 일종의 단백질이지만 그 주성분은 케라틴(Keratin)에서 개의 주성분인 피브로인보다 복잡하고 이 복잡한 구조 때문에 양모는 탄성이 있다.이것도 다양한 아미노산의 결합으로 구성되어 있다.이런 3개 대표적인 자연 섬유는 각각 그 물리 화학적 특성이 다른 지금까지 주요 의류의 재료로서 사용되고 있다.나일론 인공 섬유는 합성 섬유로 불리는데, 인공적으로 합성해서 얻은 화학 섬유와 반합성 섬유, 그리고 재생 섬유(재, regenerated fiber)및 무기 섬유(무기 섬유, inorganic fiber)등으로 나뉜다.화학 섬유탄소(탄소, Carbon)수소(수소, hydrogen)질소(nitrogen, 질소)등이 규칙적으로 결합되며, 긴 직선의 쇄상 고분자가 되고, 이것이 다시 모여서 가는 실을 형성하고 있다.재생 섬유목재를 약품 처리하고 분리된 셀룰로오스를 원료로 만든 레이온(rayon)과 목화씨에서 분리된 솜털 린터(linter)과 목재 펄프에서 분리된 셀룰로오스를 원료로 만든 아세테이트 등이 있지만, 광택, 보온성 및 촉감이 좋은 특성에서 비단 섬유 대신 쓰인다.합성 섬유의 기원석탄이나 석유를 원료로 만든 폴리아미드 섬유인 나일론(nylon)으로 당시 ‘거미줄보다 가늘고 실크보다 아름답고 강철보다 강한 섬유’라고 발표됐을 정도로 20세기 섬유산업에서 가장 큰 발명 중 하나였다. 이후 폴리에스테르와 아크릴 섬유의 개발로 나일론은 의료용으로 사용량이 줄어드는 추세이며 산업용 자재로는 사용량이 늘고 있다.폴리에스테르(polyester)와 아크릴(acrylic)도 석유화학산업의 발달과 함께 발달한 섬유로 면사와 혼방(혼방, mixed spinning)으로 직조하여 의복의 재료로 많이 사용되고 있다. 제2차 세계대전 후 개발된 폴리우레탄(polyurethane)은 고무처럼 신축성이 있고 마찰 및 굴곡강도 등이 고무보다 우수하며 노화되지 않고 염색성이 우수해 청바지, 수영복, 란제리 기타 스판 소재의 옷에 다양하게 활용되고 있다. 무기 섬유무기물을 인공적으로 섬유화된 것으로, 금속 섬유(금속 섬유, metal fiber), 유리 섬유(류리 섬유, glass fiber), 암석 섬유(암석 섬유, rock wool), 슬랙 섬유 등이 있다.스테인레스 강 섬유처럼 순수 금속으로 된 것도 있고 플라스틱 필름에 금속을 얇게 코팅하고 복합 소재로 사용하기도 한다.주로 우주 과학(우주 과학, space science)와 공업용 등의 특수 용도로 사용되고 직물에는 0.2~0.5%정도 혼방하고 정전기 방지 작업복이나 카펫 등을 만드는데 사용된다.이처럼 다양한 방식으로 섬유가 쓰임에 있어서 다양한 화학 약품 및 가공 공정이 필요하지만 그 중에서도 계면 활성제는 복사 및 방적에서 직물 및 염색 공정에 이르기까지 다양한 전처리용 화학 약품으로 사용되고 있다.한국이 처음으로 경제 개발에 나선 1960년대의 섬유 산업은 우수한 노동력과 저임금을 바탕으로 한국 수출 산업의 선두 주자 역할을 했지만 오늘 이런 전통적인 섬유 산업은 한국보다 훨씬 낮은 임금을 무기로 세계 시장에 뛰어든 인도네시아, 중국 등의 국가와 경쟁이 아니기 때문에 첨단 기술과 산업의 발전과 함께 더욱 더 고부가 가치의 섬유 및 소재 개발에서 학문 영역이 확대 발전하고 있다.최근 천연 고분자 물질을 이용한 고분자 소재 및 친환경 고분자 재료에 관한 연구가 많은 연구자에 의해서 진행되고 있으며, 국가적으로도 전략 분야인 BT(Bio Technology), ET(Electro Technology), NT(Nano Technology)분야와 융합하는 신개념의 소재로 거듭나고 있다.2. 역사와 발전 단계옷감의 당류의 연구는 셀룰로오스에서 비롯됐다.17세기 전반에서 당의 발견과 분리에 관한 연구가 시작됐지만 이런 천연의 당류에 대해서 탄수화물(또는 함수 탄소, 탄수화물, Carbohydrate)로 이름 붙여진 것은 1844년 칼·슈미트(Carl Schmidt)이다.그는 설탕과 녹말을 원소 분석한 결과 수소와 산소가 물을 형성하는 비율로 포함될 것을 알고 탄수화물이라고 말했다.반죽으로서의 당류의 연구는 셀룰로오스로부터 시작되었다. 17세기 전반부터 당의 발견과 분리에 대한 연구가 시작되었는데, 이러한 천연 당류에 대해 탄수화물(또는 함수탄소, 탄수화물, Carbohydrate)이라고 이름 붙여진 것은 1844년 칼 슈미트(Carl Schmidt)이다. 그는 설탕과 전분을 원소 분석한 결과 수소와 산소가 물을 형성하는 비율로 포함된다는 것을 알고 탄수화물이라고 했다.알칼리 셀룰로오스와 재생 셀룰로오스의 합성 반응 제일차 세계 대전 후 독일의 과학자들 사이에서 고분자 화학 구조 규명을 통한 섬유의 근본적인 연구가 진행됐다.1911년 독일에서는 염화 비닐을 중합시켜서 폴리 염화 비닐(PVC:Polyvinyl Chloride)를 만든 뒤 필름이나 섬유를 만드는 특허가 나왔다.1931년 폴리 염화 비닐을 염소로 처리한 뒤 이를 아세톤에 타서 실을 만드는 데 성공했으며 페치에 섬유(Pe Cefiber)라는 이름으로 세계 시장에 등장했다.1938년 독일 이ー가ー·파 벤(IG Farben) 사는 이를 대량 생산했다.이는 레이온과 비슷한 강도를 갖고 있으며 흡수성 및 내수성도 좋았다.그러나 100도 이하에서도 크게 수축되는 단점이 있었다.1924년에 독일의 윌리, 헤르만(Willy O).Herrmann)는 석탄과 석회로 만든 카바이드(carbide)에 물을 작용시켜서 아세틸렌을 만드는 초산과 결합시키고 초산 비닐을 합성한 뒤 이를 가성 소다와 반응시켜서 폴리비닐 알코올(PVA:Polyvinyl Alcohol)을 만드는 데 성공했다.이것은 물에 대한 친화력이 강하므로 주로 접착제에 사용했다.그 뒤 이를 포름 알데히드(Formal dehyde)로 작용하고 비날론 모노머를 합성한 1939년에 이 비날론 모노머를 중합시키고 비날론 섬유를 만들게 됐다.1948년 드디어 공업적으로 대량 생산되어 비날론라는 상품명으로 세계의 시작에 등장했다.1939년 미국의 다우 사는 염화 비닐(CH2=CHCl)과 염화 비닐 리덴(CH2=CCl2)을 공중합 시키고 실을 만드는 데 성공했으며 이를 사랑(Saran)이라는 이름으로 판매했다.알칼리 셀룰로오스와 재생 셀룰로오스의 합성 반응 제1차 세계대전 이후 독일 과학자들 사이에서 고분자의 화학구조 규명을 통한 섬유의 근본적인 연구가 진행됐다. 1911년 독일에서는 염화비닐을 중합시켜 폴리염화비닐(PVC: Polyvinyl Chloride)을 만든 뒤 필름이나 섬유를 만드는 특허가 나왔다. 1931년 폴리염화비닐을 염소로 처리한 뒤 이를 아세톤에 녹여 실을 만드는 데 성공해 페체섬유(Pe Cefiber)라는 이름으로 세계 시장에 등장했다. 1938년 독일의 이거 파벤(IG Farben)사는 이를 대량 생산했다. 이는 레이온과 비슷한 강도를 가지고 있으며 흡수성 및 내수성도 좋았다. 하지만 100도 이하에서도 크게 수축하는 단점이 있었다.1924년 독일의 윌리 헤르만(Willy O). Herrmann)은 석탄과 석회로 만든 카바이드(carbide)에 물을 작용시켜 아세틸렌을 만들고, 아세트산과 결합시켜 아세트산비닐을 합성한 후 이를 가성소다와 반응시켜 폴리비닐알코올(PVA: Polyvinyl Alcohol)을 만드는 데 성공했다. 이는 물에 대한 친화력이 강하기 때문에 주로 접착제에 사용했다. 그 후 이를 포름알데히드(Formal dehyde)와 작용시켜 비닐론 단량체를 합성하였고, 1939년에 이 비닐론 단량체를 중합시켜 비닐론 섬유를 만들게 되었다. 1948년에 드디어 공업적으로 대량 생산되어 비닐론이라는 상품명으로 세계의 시작에 등장했다. 1939년 미국 다우사는 염화비닐(CH2=CHCl)과 염화비닐리덴(CH2=CCl2)을 공중합시켜 실을 만드는 데 성공했고, 이를 사랑(Saran)이라는 이름으로 판매했다.섬유 제조 과정 자체가 고분자 물리 화학적 지식에 기초하여 이루어지기 때문에 물리(physics), 화학(화학 chemistry), 수학( 세학, mathematics) 같은 기초 과학적 지식이 기반이 되어야 한다.섬유와 관련한 학문 분야로서 섬유 화학 섬유 물리(섬유 물리 textile physics)및 섬유 공학(섬유 공학, textile engineering)등이 있다.섬유 화학은 석유에서 추출한 모노머로서 합성 섬유의 원료가 되는 고분자를 합성하는 분야, 이미 제조된 합성 섬유와 천연 섬유의 성질을 개선시키기 위한 화학적 처리를 하는 분야, 섬유 제품에 대한 염색 과정의 화학적 문제 등을 연구한다.섬유 물리는 섬유 물리적이고 역학적인 면을 다루는 분야에서 섬유 구조와 물리적 성질과의 관계 시간 효과를 포함한 인장 강도 탄성 회복, 흡수성, 마찰에 관한 이론을 다룬다.섬유 공학은 섬유에서 직물에 이르는 모든 섬유 공업 공정의 해석과 설계를 다루는 분야에서 새로운 공정을 통해서 가볍고 강한 복합 재료의 제조를 다루는 분야 등을 연구한다.금속 재료와 세라믹 재료에 비해서 섬유 및 고분자 재료는 훨씬 가볍고 다양한 형태로 가공하기 쉽고, 역학적 성질도 우수하다는 장점이 있다.최근 개발된 탄소 섬유 등은 금속이나 세라믹보다 강한, 열에도 잘 견딜 우수한 소재로 각광 받고 있다.산업의 고도화에 따른 산업용 신소재 및 특수 용도의 고분자 등 각종 섬유 고분자 유기 재료의 연구 개발에 따르고 강력하고 고탄력 섬유·고성능 항공기 재료·통신용 재료·외과 의학용 재료 등 그 연구 분야가 다양해지고 있다.2)섬유 화학의 연구 영역섬유 화학은 고분자 합성 및 물성 연구 분야, 섬유·직물 제조 공정 분야, 섬유 가공 및 염색 분야, 기능성 재료 분야, 섬유 복합 재료 분야와 함께 의류, 패션 사업을 포괄한 섬유 기술 정보화 분야 등에 세분화할 수 있다.고분자 합성 분야는 고분자 단수체(단순히 합체, monomer)의 제조, 고분자 및 고분자 물리 화학적 특성을 연구하는 분야에서 기본적인 유기 화학적 합성 지식과 함께 고분자의 물성을 좌우하는 모노머 개발과 고분자 개질을 연구한다.또 제조된 섬유 제품의 물리 화학적 성질과 거동을 규명하는 기초 과학(과학, science)지식 활용도가 높은 분야이다.최근의 연구 경향은 고분자 모노머에 특수 기능을 가진 작용기를 도입하고 압전성 고분자, 전도성 고분자, 지능형 폴리머 센서, 의료용 고분자 등의 고부가 가치 고분자를 합성하는 방향으로 확대 발전하고 있다.섬유·직물 제조 공정 분야에서는 공정 최적화 및 생산 비용을 최소화하려는 노력을 기울이고 있다.개를 제외한 대부분의 천연 섬유는 그 길이가 짧아 짧은 섬유( 짧은 섬유, short staple)을 평행으로 배열하고 갈등을 주고 실을 만든다.이후 이 실을 편 직기까지 직물 또는 편물을 만들게 된다.이들 기본 공정은 거의 5000년 이상 큰 변화가 없지만, 방적 및 짜넣다 공정의 속도와 품질을 높이는 노력에서 초고속 생산 공정의 개발과 생산 공정의 자동화, 효율적인 생산 시스템의 구축을 통해서 생산성을 극대화하려는 방향으로 연구가 진행되고 있다.섬유에 기능성을 부여하기 때문에 다양한 화학 약품을 처리하고 무기 성분을 혼합하는 연구가 활발히 행해지고 있지만, 불연 섬유 및 항균성 섬유 등이 그 예다.또 최근 아웃도어 의류 시장이 커지고 습기를 흡수하고 보온 발수성이 뛰어난 섬유에 대한 연구가 급물살을 타고 발전하고 있다.온도, 빛 등의 환경 변화에 따르고 색깔이 바뀌거나 보온 기능을 덧붙일 스마트 섬유도 개발되고 있다.또, 플라스마 염색 가공 등의 첨단 기술을 통한 염색 공정 개발 및 특수 염료 합성의 연구가 진행되고 있다.섬유 표면에 확산 반사 굴절 등 물리적 특성을 부여하고 시각적으로 달라진 느낌을 주는 섬유에서 좋은 향기를 내는 방향성 섬유까지 고 감성 섬유 재료가 속속 개발되고 있다.고강도-탄성 물성을 얻기 위해서 섬유 및 섬유 직물을 보강재로 복합 재료를 제조하는 연구도 진행됐으며 최근 컴퓨터 및 계산 과학(계산 과학, computational science)의 발달에 의한 시뮬레이션 기법을 이용하여 재료와 환경의 역학적 거동을 해석할 수 있어 복합 재료에 나타나는 물리 화학적 특성을 예측하는 모델화하고 최적의 신소재 연구가 활발히 이루어지고 있다.4. 주요 용어 및 관련 직업 군 1)주요 용어·셀룰로오스수많은 포도당으로 이루어진 다당류(polysaccharide)의 하나.식물 세포막의 주요 성분인 식물과 극소수의 해산물에 있다.화약의 원료인 니트로 셀룰로오스 초산 셀룰로오스나 종이 의류의 원료로 널리 쓰인다.·피브로인(fibroin)거미 같은 곤충의 실샘에서 분비되는 섬유상 단백질 중 하나. 명주실의 주성분을 이루다.• 케라틴(Keratin)짐승의 발톱, 모서리, 머리카락, 발굽, 피부 등을 형성하고 있는 단백질을 뜻한다.물에 녹기 어렵고, 화학 시약에도 저항력이 크다.·전도성 고분자(conducting polymer)고분자의 본래 특성인 가볍고 가공이 용이한 장점을 유지한 채 금속 전도체와 비슷한 수준의 전기전도율을 갖고 전기가 통하는 폴리머다.• 방적(방적)고치, 털 등에서 섬유질을 뽑아 실을 만드는 일이다.• 생사(生死)누에 고치에서 나온 삶지 않은 명주실을 말한다.2)관련 직업 군·국가·공립 및 기업 연구소 한국 화학 연구원, 생산 기술 연구원 한국 섬유 기술 연구원·과학자 대학 교수, 연구원 등·특허청, 국립 과학 수사 연구소, 상공부 과학 기술처 등·섬유 생산 기사 및 생사 기사·방직 기술자·염색 가공 기사·섬유 제품 생산 관리 업무 한국 직물 의류 검사소, 한국 니트 검사소 화학 섬유화학적 공정에 의해서 섬유 형태를 인공적으로 만들어 낸 방직 섬유의 총칭이다.목화·양모·명주 등의 천연 섬유와 달리 목재·석유·석탄·천연 가스 등에서 얻는다.화섬(화서 팀)으로 약칭한다.미국·영국에서는 일반적으로 인공 섬유(arificial fiber)라는 일본·독일·프랑스에서는 화학 섬유라고 부른다.화학 섬유는 명주실을 인공적으로 만들겠다는 의도에서 연구가 시작됐지만 1884년 프랑스의 C.H. 샤르가 면에서 질산화 법에 의해서 인조 견사의 제조에 성공한 것이 처음이다.화학적 공정에 의해 섬유 형태를 인공적으로 만들어 낸 방직 섬유의 총칭이다. 면·양모·비단 등 천연섬유와 달리 목재·석유·석탄·천연가스 등에서 얻는다.화섬(化繊)이라 약칭한다. 미국·영국에서는 일반적으로 인공섬유(arificial fiber)라고 하고, 일본·독일·프랑스에서는 화학섬유라고 부른다. 화학섬유는 명주실을 인공적으로 만들려는 의도로 연구가 시작되었는데, 1884년 프랑스의 C.H. 샤르동이 목화에서 질산화법에 의해 인조 명주실 제조에 성공한 것이 최초이다.화학 섬유 중에서 가장 종류가 많으나, 나일론·폴리에스테르·아크릴을 3대 합성 섬유.무기질 섬유의 대표적인 것은 유리 섬유와 탄소 섬유다.고온에도 잘 견디며 뛰어난 기계적 성질 때문에 점차 생산량이 증가하는 경향에 있다.최근에는 우주 개발 로켓 발사와 관련하고 무기질 섬유에 대한 관심이 높아지고 있다.산업 면에서 보면 천연 섬유는 재배·사육하는 토지·노동력·기후 조건 등에 제약을 받고 산출량이 고르지 않은 가격 변동을 받기 쉬운 반면 화학 섬유는 자연 조건의 제약을 받지 않고 요구되는 성질·양을 연중 자유롭게 조절하면서 생산할 수 있다.천연 섬유는 농업적이지만, 합성 섬유는 화학 공업 분야에 들어간다.
