스포츠용품용 세라믹섬유

김 병 익_ 한국세라믹기술원 선임본부장

임 태 영_ 한국세라믹기술원 광디스플레이소재팀 수석연구원

박 선 민_ 한국세라믹기술원 에너지효율소재팀 수석연구원

조 광 연_ 한국세라믹기술원 나노융합지능소재팀 책임연구원

신 동 근_ 한국세라믹기술원 에너지효율소재팀 선임연구원

윤 지 선_ 한국세라믹기술원 지능형전자부품팀 선임연구원

1. 서 론

현대의 삶은 양보다 질이 강조되고 있다. 예전과 달리 좀 더 편리하고 좀더 유익하고 좀더 친화적인 것을 선호하고 있다. 지향하는 바가 궁극적으로 웰빙으로 귀결되고 있어 이와 관련된 산업이 동시에 발달하고 있다.
특히, 스포츠산업은 현대인들이 보고 즐기는 것에서 참여하고 실행하는 방향으로 변해가고 있음에 따라 스포츠산업의 성장세가 폭발적으로 증가하고 있다. 자전거, 테니스, 배드민턴 등 최근 10년 사이에 폭발적으로 참여인구가 증가하고 있다. 골프는 예전엔 귀족스포츠로 소수가 참여했으나 최근엔 대중적인 스포츠로 인식되고 있다. 스포츠관련 시장이 폭발적으로 증가함에 따라 스포츠용품도 질적으로 발전하고 있다. 최근까지는 대부분 가볍고 강한 것을 선호하여 고분자섬유와 고분자바인더를 사용한 복합재가 스포츠용품의 소재로 주로 사용되었으나 최근엔 좀더 가볍고 내구성이 향상된 탄소섬유와 고분자바인더를 사용한 스포츠용품이 대세를 이루고 있다. 그리고 최근엔 좀더 우수한 성능과 좀더 기능화된 스포츠용품을 선호하게 되었다. 특히, IT/ICT산업이 발달됨에 따라 스포츠용품에 융합하려는 시도가 있었고 시장이 이를 선호하고 있다.
기존의 고분자섬유와 탄소섬유와 달리 우수한 성능과 기능성 부여는 2010년 이후 세라믹섬유가 소개되면서 현실의 시장에 나타나기 시작되었다. 스포츠카, 오토바이, 경비행기 등 고속조건에서 제동이 필요한 부분에 최고 1,000℃ 이상에서도 견디는 SiC섬유, 현무암섬유 등이 가능성을 제시하였고 실제로 StarFire사에서 SiC섬유를 적용한 스포츠카 및 오토바이용 브레이크디스크 등이 제시되었다. 또한 탄성이 중요한 골프채의 경우 현무암섬유를 적용하여 타구시 그립감 향상과 비거리 증가를 보였다.
그리고 압전기능을 보이는 세라믹섬유의 경우 IC/ICT기술과 융합하여 각종 종목의 라켓에 응용하여 타구의 세기, 정확도, Sweet Spot 등을 보여주어 운동자의 실력향상 등에 도움을 주고 있다. 최근엔 운동자의 건강상태를 실시간으로 점검하면서 스포츠에 참여하도록 유도하여 질적으로 향상된 현대인 삶을 누리도록 하고 있다.
대부분의 스포츠용품은 섬유복합으로 제조되어 섬유상을 갖는 모든 세라믹섬유가 적용될 수 있으나 기본적으로 인장응력이 2.0GPa이상은 되어야 복합재로서 기능을 할 수 있어 스포츠용품으로 사용되는 세라믹섬유는 유리섬유, 현무암섬유, SiC섬유, 압전섬유가 대표적이라 할 수 있다. 세라믹섬유는 복합재 소재로 사용되어 세라믹섬유가 갖는 높은 기능성이 필요로 한 분야에 대부분 사용되어 왔다. 지난 20년간 고강도화 고인성화의 기반 기술이 착실히 이루어졌고 최근 나노복합화 및 나노세라믹 섬유의 개발에 따라서 세라믹 가스터어빈 엔진, 자동차용 구조재료 등에 산업적으로 우선 적용되어왔다. 이와 더불어 세라믹섬유 복합화에 대한 기술이 완성됨에 따라 첨단산업분야 이외에 가전, 스포츠 등에 선순환적으로 사용이 촉발되고 있다. 즉, 산업적으로 가능성이 충분한 분야에 그간 축적된 세라믹섬유 복합화 기술 역량을 적용하여 제품화하려는 시도가 진행되고 있는 것이다.
세라믹섬유 세계시장은 ’10년 865억불(95.2조원) 규모에 ’15년 1,145억불(126조원)로 매년 6% 성장하고 있으며 이중 유럽(24%), 미국(37%) 등 선진국 주도의 고품질・고가 시장과 중국 중심의 저가 시장으로 양분화 되고 있다. 국민총생산(GDP)에 비례하여 사용량 증가하는 경향을 보이며, GDP 45,000불의 미국은 9kg/인으로 세라믹섬유 최다 사용국이다. 특히, 중국시장은 2007년 이후 폭발적 경제발전으로 매년 15%씩 고속 성장 중이다.
이중 스포츠용 세라믹섬유의 시장은 2007년 5조원, 2010년 5.9조원규모를 형성하고 있으며 매년 대략 17%의 높은 성장을 이어오고 있다. 올해 2015년은 6.8조원의 스포츠용 세라믹섬유 복합재시장을 형성할 것으로 예측되고 있다. 세라믹섬유를 포함한 섬유복합재는 전체 소재중 15%를 차지, ’15년엔 철(Steel)과 알루미늄을 대체하여 20%까지 대체할 것으로 예상된다. 세라믹섬유는 원천기술을 보유한 러·미·일 일부기업들이 독과점체계를 형성하고 있다. 대표적인 세라믹섬유의 기술개발현황을 살펴보면 고기능 유리섬유는 NPO(러) 및 OCF(미) 등 소수업체만이 원천기술을 독점하고 있고 현무암섬유는 KV(러), SG(미)가 독점공급하고 있다. 최근엔 중국의 GBF사가 기술개발을 시도중에 있다. SiC섬유는 NP, UBE(일), DC(미)만이 원천기술을 가지고 국방용으로 독점공급하나 EL품목으로 지정되어 수출은 제한된 상태이다. 압전섬유는 미국의 Advanced cerametrics사와 독일의 Smart material사만이 원천기술을 가지고 국방용을 시작으로 활용범위를 확대하고 있다.
따라서 본장에서는 스포츠용품용으로 사용되는 대표적인 세라믹섬유(유리섬유, 현무암섬유, SiC섬유, 압전섬유)에 대한 개요(정의)와 시장현황, 기술현황, 특성, 스포츠용품 적용사례 및 가능성에 대해서 서술하여 그 가능성을 소개하고자 한다.

2. 본 론

2.1 압전섬유

2.1.1 압전섬유의 개요(정의)

압전 효과는 특정 결정구조를 가진 물질 내에서 기계적-전기적 상태 사이의 상호작용을 통해 나타나는 효과로, 해당 재질에 압축 혹은 인장등의 기계적 변화를 주면 전기적인 신호가 발생하고, 역으로 전기적인 신호를 가하면 기계적인 변화가 발생하는 현상이다.
이러한 특징을 가지는 대표적인 압전 재료는 PZT(Pb(Zr0.53Ti0.47)O3)로서, 강유전성, 초전성, 압전성 등 다양한 성질을 가지고 있으며, 강유전성을 이용한 비휘발성 기억소자, 유전특성을 이용한 이동 통신기기의 핵심 소자 부품, 압전성을 이용한 마이크로 액튜에이터와 가속도 센서, 그리고 초전성을 이용한 적외선센서, 적외선 감지소자 등에 널리 이용되고 있다. 이러한 압전 세라믹은 우수한 압전 및 유전 특성을 가지고 있어 여러 분야에 널리 사용되고 있지만, 세라믹의 약한 강도와 곡선형상의 어려움, 벌크 형태로 인한 디바이스 내의 일정 공간을 차지한다는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 압전 나노 섬유 재료에 관한 많은 연구가 진행되었다.
압전 나노 섬유는 뛰어난 압전 성능과 휘거나 구부렸을 때 박막에 비해 구조적 손상이 훨씬 덜 하고, 압전 섬유를 연신이 가능한 substrate에 부착하여 소자를 만들 경우 stretchable 소자 제작도 가능하다는 장점이 있다.

2.1.2 압전섬유의 기술 및 시장동향

압전 섬유의 가장 대표적인 예가 미국의 NASA에서 개발한 MFC(Macrofiber composite)이다. MFC이전의 개발되었던 AFC(Active fiber composite)는 둥근 fiber를 사용하기 때문에 전극에 접촉 면적이 감소하여 전계를 PZT fiber에 충분히 전달하지 못하는 단점과 brittle한 fiber를 수작업으로 정렬하고 에폭시 주입 시 발생하는 bubble 발생 때문에 전기적 결함이 빈발하는 단점을 가졌다. 이러한 AFC 단점을 보완하기위하여 NASA에서 2000년에 MFC를 개발하였다. MFC는 아래 그림과 같이 평판형 액츄에이터로 polymer matrix에 단방향 piezoceramic fibers(PZT 5A)를 가공하여 삽입한 것으로 에칭된 IDT pattern을 갖는 copper-clad Kapton 필림을 샌드위치 형태로 부착한 구조를 가진다.
MFC는 layer를 접을 수 있는 flexibility, 진공에서 고온 성형 가능, DC 고전압을 전극에 인가 가능한 특징 및 장점을 가지며, In plane 분극을 통하여 두께 방향의 폴링을 통한 d31을 사용하는 전통적인 actuator 보다 d33 압전효과 사용하여 더 강한 actuation을 얻을 수 있는 장점을 가진다. NASA 연구팀에서는 이러한 MFC를 적용하여 아래 그림과 같이 항공기 날개에 부착하였다. 이렇게 부착한 압전 나노 섬유 엑츄에이터를 이용하여 비행기 비행기 꼬리날개의 진동제어에 적용하였다.
미국 프린스턴대학교에서는 2010년 반도체 나노선 기반의 발전 소자의 단점을 극복하기 위해 PZT 압전 섬유를 기반으로 한 고출력 나노 발전소자 개발에 대한 연구 결과를 보고하였다(Xi Chen et al., Nano lett., 10 (2010) 2133-2137). 전기방사법으로 제조된 PZT 압전성유는 높은 굽힘성과 기계적 강도를 가지며, 같은 압력이 인가될 경우 산화아연 나노선 발전 소자보다 훨씬 더 큰 전압과 전력을 얻을 수 있다는 것을 보였다.
미국 버클리캘리포니아주립대학교의 Liwei Lin 그룹은 압전폴리머(PVDF, poly(vinlyidene fluoride)) 압전섬유를 기반으로 한 고효율 나노 발전소자를 처음으로 선보였다 (C. Chang et al., Nano lett., 10 (2010) 726-731). 폴리머 압전 섬유는 유기 물질로부터 제작이 가능하므로 낮은 단가로 제작이 가능하여 경제적일 뿐만아니라 의류 형태로 제작되어 휴대 가능한 전기 장치를 충전할 수 있는 옷과 무선 감지기의 동력원을 만들 수 있을 것으로 예견되지만, 낮은 압전 특성의 단점을 가지고 있다.
전기방사법으로 압전 섬유를 제조할 때 노즐과 집적 전극 사이에 고전압을 걸어주어야 하므로 전기방사 과정에서 전기 쌍극자 배열이 동시에 일어나기 때문에 압전 섬유를 제조한 후 부가적인 분극 공정이 필요하지 않는 diret-writing이라는 새로운 방법을 제시함.

자세한 내용은 세라믹 코리아 6월호에서 보실 수 있습니다