물에 뜨는 강철섬유, 초고분자량폴리에틸렌
한국염색기술연구소 김 상 욱 본부장
1. 초고분자량 폴리에틸렌섬유 개요
가. 개발 역사 및 특징
초고분자량 폴리에틸렌 (Ultra High Molecular Weight Polyethylene /UHMWPE)
섬유는 고강력 폴리에틸렌 섬유(High Strength Polyethylene / HSPE) 등으로 부르기도
하며, 그림에서와 같이 고도로 배향된 폴리에틸렌 섬유이다.
네덜란드의 DSM사는 1979년 세계 최초로 특허를 등록한 후 상당 기간의 실용화
연구를 계속하여 겔 방사법을 개발하고 상품명을 Dyneema로 하여 시험생산 단계를
거친 후 1990년에서야 상업생산에 들어갔다. Dyneema라는 이름은 라틴어로 “강한
실”을 의미한다.
한편, 일본의 Toyobo사는 DSM사의 특허를 기반으로 하는 기술제휴 협약을 체결하여
공동 개발에 참여한 결과 DSM사보다 빠른 1988년에 소규모의 생산능력을 확보하여
같은 상품명인 Dyneema로 출시했다.
미국의 Allied Signal사도 DSM사로부터 특허라이센스를 받아 비슷한 시기에 Spectra
라는 상품명으로 출시했다. (Allied Signal은 1999년 Honeywell Performance Fibers에
합병) 따라서 현재 고강력 폴리에틸렌섬유 메이커는 원조 개발자인 네덜란드 DSM사
(Dyneema), DSM 특허를 상용화한 일본의 Toyobo사 (Dyneema) 및 미국의 HoneywellPerformance
Fibers사(Spectra) 등 3개 회사이다.
UHMWPE섬유의 개발 역사를 요약하면 아래와 같다.
1976년 : 네덜란드 Pennings 교수 (Groningen 대학)의 고강도 폴리에틸렌 연구 발표.
1980년대 : 네덜란드의 DSM → Gel 방사 기술 완성. (일본 Toyobo와 기술제휴)
1988년 : 일본 Toyobo “Dyneema" 출시(500Ton/yr) - DSM社의 특허를 기반으로
하는 기술제휴 협약 체결.
: 미국 Allied-Signal “Spectra" 출시 - DSM社로부터 특허 라이센스 받음.
1990년대 : 네덜란드의 DSM → "Dyneema" 상업 생산 개시. (500Ton/yr)
폴리에틸렌은 탄소와 수소로 구성되어 있고, 주쇄가 탄소와 탄소의 단일결합으로
이루어진 고분자이므로, 체인(쇄(鎖))과 같이 유연하지만 100만 단위 이상의 분자량이
되면 "분자 엉킴"이 매우 많아지기 때문에 딱딱하게 굳어지며, 이 재료로는 섬유화
하기가 매우 어려워 섬유화가 포기되었으나 지속적인 연구 끝에 초고분자량 폴리
에틸렌을 몇 퍼센트의 희박용액으로 만들어 노즐의 작은 구멍으로부터 수중에 압출
하면, 냉각효과에 의해 젤상의 섬유가 얻어지고, 이것에 열을 가하여 인장하면, 탄성율
(단단한 정도)이 90 Gpa(강철의 3배) 이라는 경이적인 값에 이르는 것을 발견한 이후로,
본격적인 개발이 이루어졌다.
폴리에틸렌은 결정부분과 무정형부분이 혼재되어 있는 결정성 고분자로 이를 연신
시키면 분자들이 연신방향으로 방향성을 가지게 되면서 연신방향의 기계적 물성이
향상된다. 연신의 정도가 낮을 경우에는 결정부분의 분자쇄들이 서로 접혀있는 미세
구조 자체는 변하지 않지만 연신의 정도가 커지면 접혀있던 분자 쇄들이 펼쳐지면서
분자구조가 이론적으로 가장 높은 강도를 구현할 수 있는, 완전히 펼쳐진 평면 지그
재그(zig-zag)형태를 이루게 된다. 화학 구조적으로 볼 때 펼쳐진 분자 쇄의 단면적이 다른 고분자에 비하여 상대적으로
작기 때문에 다시 말하면 단위 면적당 분자쇄의 밀도가 커서 현존하는 고분자 중에서
가장 높은 강도를 가지게 된다. 그 위에 폴리에틸렌은 밀도가 작아 밀도와 연관되어
있는 비강도(강도/밀도) 혹은 비탄성률(탄성률/밀도)이 기존의 금속이나 케블라와 같은
고강도 섬유에 비해 월등히 높다.
나. 제조 방법 및 주요 물성
일반적으로 분자구조를 재편성하여 고강도 섬유를 제조하는 방법으로는
(1)열에
의한 연신법(hot drawing),
(2)부분 연신 및 어닐링(zone drawing and zone annealing),
(3)고상압출법(solid-state extrusion),
(4)유동 결정화법(flow induced crystallization),
(5)단결정 매트연신(single crystal mat drawing),
(6)젤 방사법(gel spinning) 등이
알려져 있으며 UHMWPE섬유는 젤 방사법에 의해 제조된다.
일반적인 Gel-processing 공정은 다음과 같다.
① Extrusion : 초고분자량 polyethylene (UHMWPE) 용액의 연속적인 압출 공정.
② Spinning : UHMWPE용액의 방사, gel화, 그리고 결정화 공정. 이공정은 사용
용매의 냉각 및 추출 공정을 수반하거나 기화 (evaporation)공정을 수반한다.
③ 초연신(Superdrawing) : 이 초연신단계에서 연신배율 및 잔존 용매가 섬유의 최종
물성을 결정해 준다.
UHMWPE는 단위 밀도 당 강철의 10배에 달하는 강도를 가지고 있으며 비중이 물
보다 작아 지구상에 나와 있는 합성수지 가운데에서 가장 가벼운 물에 뜨는 초경량
합성수지라 할 수 있으며 강도 및 내충격성도 뛰어나다. 게다가 조성이 폴리에틸렌
이므로 내후성, 내약품성, 굴곡피로가 뛰어나고, 흡수성이 거의 없으며, 거기에 따르는
열화도 적은 특징이 있다. 반면, 융점이 낮기 때문에 내열성이 낮고, 크리프성, 접착성
약한 약점도 있다. 특히 상시 사용온도는 100℃ 정도가 한도이며, 내열성이 요구되는
분야에는 사용할 수 없다.
UHMWPE가 가지는 강점(고강도, 고탄성, 경량)과 약점(내열성, 크리프성)이 명확하기
때문에 그 용도도 뚜렷하다. 각종 로프 용도, 어망, 낚싯줄 등 물주위의 용도나 고강도,
내충격성이 뛰어난 성능의 각종 방호의료나 내절창성의 장갑, 헬멧 등의 보호용구,
고탄성율의 각종 스포츠 용구로 그 특징이 발휘되고 있다. 또한 내알칼리성이 뛰어난
점으로부터 콘크리트 보강용 섬유나 건축자재 관계의 용도도 주목받고 있다.
최근 중국의 몇몇 회사에서 고강력 폴리에틸렌섬유를 소규모로 생산하고 있는데,
이들 중국산 고강력 폴리에틸렌은 원재료의 순도와 기술력 면에서 부족한 면이 있어
강도와 탄성률 부분은 Dyneema 와 Spectra에 비하여 떨어지는 것으로 평가된다.
UHMWPE의 특징은 우선 비중이 1.0 이하로서 물에 뜬다는 것이며, 더구나 고성능의
강도와 탄성율을 가지며 4% 전후의 절단 신도를 가지고 있어 제직이나 제편 등의
후공정에서 작업 통과성이 우수하다는 점이다. 또한 원료인 폴리에틸렌이 화학적으로
안정하여, 넓은 범위의 pH에서 내약품성이 우수하고 물을 흡수하지 않으므로 물에
의한 열화도 없으므로 일광에의 노출이나 물을 접하는 환경에서 사용이 적합하다.
그리고 범용 폴리에틸렌에 비교하여 원료 폴리머가 분자량 100만을 넘는 고중합체
이므로, 내열성이나 치수안정성이 매우 향상되어 있다. 하지만 융점이 낮고 (섭씨
150℃), 크리프 혹은 응력완화 되기 쉬운 약점도 있어, 용도에 따라서는 사용상 검토가
필요한 부분도 있다. 한편, 매우 가볍고, 고강도이므로 로프류 등에 많이 사용되며,
선박을 계류하는 로프, 항구내의 큰 선박을 예인하머 적당한 장소로 이동시키는 태그
로프(tag rope) 등은 물에 뜨고, 물을 흡수하지 않으므로 효과적으로 사용되고 있다.
무거운 와이어 로프를 4명의 사람이 작업 하던 것을 UHMWPE로 대체하여 2명의 사람
으로 작업할 수 있게 되어 인건비를 줄일수 있는 장점도 있는 것이다.
UHMWPE의 특성과 중요 물성을 요약정리하면 다음과 같다.
우수한 내화학성
- 대부분의 화학약품에 대한 뛰어난 저항성
- 가수분해에 대한 저항력
- HDPE, PU, 철, POM Nylon보다 내화학성이 우수
UHMWPE의 열적 성질
- 결정융점 : 135 ~ 138℃
- Softening point : 75℃
- 유리전이온도 : -110℃ (탁월한 저온 특성)
- 사용가능 온도 범위 : 치수안정성 200℃ 까지
- 연속 사용성 : -110 ~ 90℃
뛰어난 전기절연성
탁월한 내마모성
방수성
자기윤활성
충격, 소음흡수
다.
주요 용도
UHMWPE는 내충격성이 가장 강한 플라스틱이며 내마모성과 내화학성도 뛰어난
것으로 알려져 섬유공업을 비롯해 기계, 석탄공업과 광업, 식품포장, 전기도금, 저온
기술 등 아래에 보이는 다양한 산업 분야에 널리 적용 되고 있다. 내충격 구조재는
공사현장에서 다이나마이트 발파작업의 파편을 방지하는 시트와 방호의류 경주용
헬멧과 각종 보호소재 및 자동차의 충격 흡수재용 복합재료의 보강재, 스포츠용 복합
소재 스피커의 진동판 등으로 내충격성, 진동 감쇠성 등의 특성이 요구된다.
다공성 제품 : 정수기 Filter, Aeration, Fluidization
고강도 섬유 제품 : 방탄복, 헬멧, 장갑, 낚시줄
첨가제 : 플라스틱, 고무, 도료, 잉크, 화장품
Thin Film, 내마모/ Slip tape
리튬 2차전지 격리판
필터 : 물, 오일, 화학약품, 중금속
식품포장제품 : 휠, 가이드 및 편향로울러, 베어링부싱,
마모스트립, 활강로테이블, 나사콘베이어
전기도금 : 고부식성 매질에 강함. 내약품성 피팅, 주름통, 도금 드럼, 기어휠,
베어링동체, 안내로울러, 슬라이드레일
전기제품 : 낮은 유전율 & 낮은 유전손실( 광범위한 온도), 고주파용 소자
UHMWPE계 슈퍼섬유가 응용되고 있는 분야로는 주로 내충격성을 활용한 헬멧
이나 방탄복과 같은 방탄재와 내부식성을 이용한 어망, 레저용 요트의 2차구조재 등의
해양용 및 항공기의 내장재용, 스포츠용품 등에 사용되고 있다. 그러나 높은 가격과
낮은 용융점(147℃) 및 -(CH2-CH2)n-로만 이루어진 섬유표면의 비활성으로 인하여
아직까지 사용이 극대화되지 않고 있다.
선진국에서 현재 응용된 것은 주로 군용 헬맷과 방탄복 같은 방탄재와 전자파
투과성을 이용한 레이저돔과 안전장갑과 어망, 로프 및 요트의 돛, 스키 등의 스포츠용
으로 사용되고 있으며, 초전도 코일의 피복재, 광케이블의 피복재 등으로 점차 그 응용
분야가 확대되어 가는 추세이다. 구미에서는 방탄복용이 50～60%로 대부분을 점유하고
있으며, 그 다음이 로프로 약 20%, 네트(어망 등)가 10%, 보호장갑 10%, Yarn(낚싯줄,
연줄, 코드 등) 10% 정도를 점하고 있다. 방탄복 분야에서는 경량성을 장점으로
아라미드 섬유의 강력한 경합 소재로 부상하고 있다. 한편, 일본에서는 방탄용도는
거의 zero에 가까우며 로프, 네트, 안전 및 보호용 장갑 등이 거의 대부분을 차지하고
있다.
또 다른 부가가치가 높은 용도는 낚시줄로써, 낚시에서 고기가 낚시 바늘에 걸렸을
때의 촉감이 직접 손에 와 닿는 듯 전해지는데, 그 미묘한 촉감을 느끼고 낚아 올리는
타이밍을 쉽게 인지할 수 있다. 이것은 UHMWPE의 음파 탄성율이 높기 때문인데,
고기의 신호는 음파 같은 것이므로, 음파탄성율이 높은 소재는 신호(시그널)를 실시간으
로 멀리까지 전달할 수 있다.
최근에는 어군탐지기를 보면서 고기잡이를 하는데, 몇 미터 깊이의 장소에 고기가
있는지 알면, 그곳까지의 거리를 정하여 미끼를 단 낚시를 내려뜨려 고기를 잡는 기술이
사용되고 있다. 고기가 있는 거리를 결정한 대로의 낚시줄을 내렸을 때 그것이 수축
한다든지 하면 곤란하므로, 이러한 용도에서 변형이 발생하지 않는 특성은 매우 중요하다.
다음 표에 UHMWPE섬유의 주요용도를 나타내었다.
<고성능 U H M W PE 섬유의 분야별 용도>
분 야 용 도
방호용 소재
- 방탄 의류, 헬멧 장갑차용 방탄재 : Shield 소재,
파편방호 소재
- 항공기/헬기의 방탄재
수송기기
항공기의 Wing tip, 2차구조재 및 내장재
헬리콥터의 내장재
자동차의 구조재(Dashboard connection, 충격 완충재)
선박 platform, 잠수정구조재, Sonar dome, Boat hull
정보통신
광케이블의 피복재
- 레이더 돔 구조재
전기전자
초전도 코일의 보빈, 피복재
극저온 절연 소재
스포츠
용품
스키보드, Bow string
- 테니스 라켓, 요트 구조재
경기용 자전거, 낙하산, 패러글라이더
보호용
안전장갑, 보호용 신발, 보호용 그물
Assault Shield
- 내마찰/내마모 소재
항공ㆍ우주
인공위성의 절연재/구조재
해양용 - 어망, 로프, sail cloth, 호스
해중 구조물, Tow hawsers, Tug headline
토목ㆍ건축용 - 교량용 복합소재 바닥판
교량용 구조재, 교량 보강 철근 대체
의료용 인공관절
내약품성 필터
UHMWPE는 고배향, 고결정성이므로, 온도가 올라가면 실이 가역적으로 수축한다
는 성질을 가지고 있으며 이는 선팽창계수가 마이너스가 된다는 의미이다. 이러한
특징을 이용하여, 온도와 함께 팽창하는 보통 수지와 함께, 예를 들어 파이프 등으로
성형하면 필라멘트 권취(winding)의 각도를 조정해 주면, 축 방향, 반경 방향으로
신축도의 온도변화(또는 의존성)을 자유롭게 조절한 복합재료를 설계할 수 있다.
이것을 응용하여 만든 것이 초전도 코일(coil)용의 보빈인데, 고강도 폴리에틸렌과
에폭시의 복합재 보빈에 초전도재가 감겨져 있다가 액체 헬륨온도에서 보빈이 약간
팽창하도록 설계하여 두면, 초전도가 발생할 때에는 선상(線上) 재료가 로렌츠력에
의해 늘어나게 되며, 이는 코일의 느슨함을 상쇄하여 결국 성능 열화를 억제하는 것이
가능하게 된다.
<교류 초전동 코일용 보빈>
2차 전지 분리막, 인쇄회로기판 등의 전기전자재료용 소재 및 인공관절, 수술용 봉합사
등의 바이오소재와 같은 새로운 용도가 개발됨에 따라 연평균 약 33.8%의 꾸준한 수요
증가를 나타내고 있다.
융합제품으로서 철강 산업분야에서 많이 사용하고 있는 용광로 작업복, 장갑, 압열
펠트 그리고 내절단성糸 및 직물에 UHMWPE 와 metal 섬유 혼합제품이 생산 보급
되고 있다.
조선 산업분야의 용접․배관 pipe용 직물 및 일반 기계부품 산업의 각종 컨베이어
벨트용 직물에 융합 제품제조 기술을 적용하는 중소기업들이 있다.
UHMWPE섬유의 응용제품은 다음에 보이는 다양한 산업 분야에 2차 제품으로
용도가 급격히 확대되고 있다.
2. 국내외 시장 현황
가. 생산 현황
최근 미국의 911테러 및 이라크 전쟁들이 발발하면서 안전에 대한 인식이 급격히
고조되면서 초고분자량 PE섬유의 수요도 급격하게 늘어나고 있는 중 이다. 국내에서는
방탄모, 방탄복, 유조선용 rope, 안전장갑 등 수요가 꾸준히 늘어나고 있으나 원료
수급이 원활치 않아 수급 balace가 맞지 않는 상태이다. 비록 전세계의 생산량이
급격히 늘고 있지만 수량으로 볼때 2005년 말 기준 약 6,500ton/년 생산에 불과하여
수요를 만족시키지 못하는 것으로 알려져 있다.
초고분자량 PE섬유의 경우 각 지역별로 20%~30% 정도가 로프/케이블용으로 소비가
되고 있다. 특히 일본의 경우 약 37%정도가 2007년에 로프/케이블로 소비되었다.
또한 1,600d 섬유 가격이 2007년 기준으로 kg당 4,000엔(34달러), 2008년초에는 5,000엔
수준으로 형성되고 있다.
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UHMWPE 섬유는 Toyobo (일본 Dyneema)가 연생산 1,500톤, DSM 네델란드가
3,500톤, 미국 DSM가 3,100톤, 미국 Performance Fibers가 1,500톤으로 합계 9,600톤
정도가 세계에서 가동되고 있으며 중국을 포함할 경우 2008년 현재 UHMWPE의
전세계 생산능력은 12,000톤 정도로 추산되고 있다.
세계적으로 UHMWPE 관련 제품에 대한 수요는 연간 약 8%의 성장세에 있는 것
으로 파악되며, 특히 섬유관련 UHMWPE 시장의 경우 연간 18%의 고성장을 보일 것
으로 예상되고 있다.
국내의 경우 UHMWPE 섬유의 수요 중 90% 정도가 방탄재, rope, 어망 및 안전장갑
등으로 사용되고 있으나 전반적인 기술수준은 선진국의 20% 전후인 초기 개발 단계로
평가되고 있다. 국내 작업용 안전장갑의 경우 수요가 급격히 증가하여 년 200톤을
넘어섰으며 대부분 수출되고 있다. 여기에 방탄모와 주로 수입에 의존하고 있는 유조선용
rope 및 아직 상용화되지는 않았지만 잠재시장이 큰 cable 보강재와 어망 등을 고려
할 때 조만간 수요가 최소 1,000톤/년에 달할 것으로 판단되고 있다.
2003년 시장규모는 원료 수지, 완제품 포함 총 1,000톤 수준이었으나, 최근 원료로만
1,000톤 수준의 수요가 있는 것으로 파악되고 있으며 2차전지 분리막, 인쇄회로기판
등의 전기전자재료용 소재 및 인공관절, 수술용 봉합사등의 바이오소재와 같은 새로운
용도가 개발됨에 따라 년평균 약 33.8%의 꾸준한 수요증가를 나타내고 있다.
원료 수지의 경우, 전량 수입에 의존하고 있으나, 국내 기술이 개발되어 생산된다면,
그 수입대체효과는 향후 약 천억원 규모에 이를 것으로 추산된다.
국내 고밀도폴리에틸렌을 생산하는 석유화학업체에서 UHMWPE 원료수지의 상용화
개발이 이루어지지 않은 이유는 기존의 대용량의 폴리에틸렌 제조공정을 이용할 경우
수요량이 범용제품에 비하여 상대적으로 미미함에 따라 생산관리의 어려움과 기술적
/경제적 문제가 있기 때문인 것으로 파악되고 있다.
나. 기업 현황
네델란드 DSM은 500톤/年 규모로 시작했으나 그 후 꾸준히 증설하여 1997년에는
1,500톤/年, 2001년에는 2,600톤/年로 증가되었으며, 2003년에는 생산능력을 3,200톤/年로
증설하였다.
DSM사는 단방향성 방탄시트용으로 특화한 “Dyneema UD”를 미국 노스캐롤라이나
그린빌 공장에서 생산하고 있다. 이것은 Life Protection Materials 전용의 공장으로서
주목받고 있으며 향후, 민수용도로의 전개가 기대되고 있다.
한편, 일본의 Toyobo는 DSM의 특허를 기반으로 하는 기술제휴 협약을 체결하여
공동개발에 참여한 결과, DSM보다 빠른 1988년에 500톤/年의 생산능력을 확보하여
같은 상품명인 Dyneema로 출시했으며, 2003년에는 생산설비의 2배 증설을 추진하였다.
초강력 폴리에틸렌 섬유는 중국에서도 상해 동화대학 화학섬유연구소에서 독자적인
겔 방사 기술로 개발이 진행되어 1,000톤/年 규모로 시험 생산에 들어가 있다고 한다.
최근 중국의 링보사의 경우 2005년 10월 설비증설을 통하여 기존의 500톤/年에서 2,000톤/年
규모로 생산량이 늘어난 것으로 알려져 있으나, 품질의 불균일성으로 인해 고부가
가치의 용도에는 사용하기 어려운 것으로 알려져 있다.
실질적인 고기능성 용도에서는 DSM, Honeywell, 및 Toyobo 3개사가 메이저 생산
회사이며 이들의 생산 능력 추이는 다음과 같다.
'06년 현재 5계열
‘08년 5계열로 증설
‘08년 1계열 추가
국내에서는 대한유화와 동양제강 등에서 UHMWPE계 슈퍼섬유에 대한 연구를 계속
하고 있는 상태이며 동양제강은 2003년 초고분자량 폴리에틸렌섬유 개발을 시작하여
2010년 7월에 원사공장을 신축하였다. 현재 500~1500denier 제품을 생산하고 있으며,
Dyneema SK65를 타겟 제품으로 제품개발 및 양산을 추진하고 있다. 주요 용도는
해양용으로 많이 사용 되고 있는 로프, 산업용 안전 장갑, 보호장구, 레저용 등 크게
네 부분을 고려하고 있으며 향후 개발 계획은 2011년에 200-300denier 제품을 생산하고,
최종적으로 50denier 제품 생산을 목표로 하고 있다. 2011년 400톤 규모 생산예정이
며, 2015년까지 1,000톤을 생산할 계획으로 있다.
고성능 UHMWPE계 슈퍼섬유의 주용도인 보호자재용도의 경우는 현재 오리엔탈,
이글코리아 등 7~8개 업체에서 2008년도 기준으로 직물이 연간 600천m
2(약 500억원)
정도 수입되고 있다.
보호용 장갑 분야에서 선진국은 고강도 보호용 장갑, 고기능성 보호용 장갑을 생산
하고 있는 실정이다. 국내에서 주로 시판되고 있는 장갑재는 저가의 단순코팅 장갑으로
절단강도가 기준미달 수준이며, 안전기준 규격미비로 아직까지 슈퍼섬유를 활용한
고성능의 보호용 장갑이 별로 사용되지 않고 있다. 국내는 네덜란드 DSM사와 일본
Toyobo에서 생산하고 있는 UHMWPE (Dyneema)가 보호용 장갑소재로 사용되고
있으며, 제작된 물량은 거의 대부분 유럽과 구미 쪽으로 수출되고 있다.
보호용 장갑의 국내 생산업체로는 마이다스, 형제 인터내셔널, 동화인더스트리, 신성
메이져, 한일USG, 공의산업 등이 있으며, 해외 업체로는, MIDAS SAFETY, Qiang
Sheng safety gloves, XinZue, SHOWA가 있으며 매출규모는 Qiang Sheng, MIDAS
SAFETY, 마이다스 순이다.
최근 우리나라에서도 복합재료에 관해서 지대한 관심과 활발한 생산에 힘입어 여러
가지 섬유강화 복합재료가 외국 기술의 접목으로 생산되면서 수요가 늘고 연구가
활발히 진행되어 가고 있다.
<국내의 제품용도 개발 현황>
기술명 개발 단계 개발 내용 개발주체
고인성 경량
섬유소재를
활용한
완제품 개발
상용화
보호장구(헬멧, 장갑, 의복)
오리엔탈
마이다스
형제 인터내셔널
이글 Korea
홍진크라운
스포츠용구(스키, 판보드, 라켓) KBC
삼우
낚시대, 골프 KBC
은성사
항공소재 (파라슈트로프, 포대) JH산업
등산로프 라지산업
선박용 rope 및 어구
DSR제강
동양제강
삼우
대성어망
Fabric 제품/건설용
한울화이버
라지산업
CFM
티포엘
다. 개발 현황
네덜란드의 DSM이 개발한 Dyneema는 Spectra보다 필라멘트가 다양하게 개발되
었으며, Spectra의 저강도 급으로서 Celanese사는 Certran이라는 브랜드로 개발하였다.
이 섬유는 Spectra와 마찬가지로 크리프가 일어나지만, Spectra에 비해 신장에 의한
물성피로와 자외선 차단성능이 우수하다고 한다.
DSM사는 Dyneema의 뛰어난 물성을 의료용 자재에 전개하고 있다. 2008년 World
Biomaterial Congress에서 소개된 “ Dyneema Purity UG”와 “Dyeema Purity TG”는
정형외과 등 의료용의 고순도 그레이드이다. 이 UG 그레이드는 강력이 25% 향상되어
내크리프가 개량된 것으로 110, 220, 440 dtex가 선보이고 있다. TG 그레이드는 외과용
25 dtex 세데니어 타입이 있다. UHMWPE의 의료용도는 「Spectra」에서도 개발이
진행되고 있다.
최근, Toyobo는 강도는 종래품의 반이지만, 가격적으로 저렴한 타입의 UHMWPE
섬유 “쯔가누”라고 하는 신제품을 선보이고 있다. 강력은 “Dyneema”에 비해 낮지만,
통상 나일론사나 폴리에스테르사에 비해 75%나 높고, 경량성은 “Dyneema”와 같은
수준으로 있어, 칼날 등에 대항하는 저항성이나 방호장갑의 성능도 만족시키고 있다.
내절창계수도 “Dyneema”의 7.9, 아라미드의 6.4에 비해서 8.4로서 높다. Toyobo 쭈루가
(敦賀) 기능재 공장에서 200톤/年 생산규모로 양산되고 있다. 용융방사식 섬유이며,
다양한 색으로 착색도 가능해서 산업용으로 넓은 용도 전개가 기대된다.
UHMWPE를 사용한 고냉감소재「ICEMAX」- Toyobo가 Dyneema와 특수섬유와의
조합에 의해 개발한 고냉감소재로서 Dyneema는 일반 범용소재에 비해 4배의 열전도율을
나타내는데, 특수 섬유사와의 조합에 의한 신소재 ICEMAX는, 실험결과 타 범용소재에
비해 2배 이상의 열전도율을 보이는 것으로 나타나고 있다. 착용시 열전도율이 빨라
열을 빨리 확산함으로서 청량감을 얻을 수 있는 제품이다.
독일의 TENCATE社는 Dyneema HB50을 사용 편안한 착용감을 갖는 군복용 糸를
방적사로 제조하는 기술을 보유하고 있다.
국내 특수 작업에 사용되는 장갑용 방적사 및 특수 필라멘트사 제조업체로서
(주)마이다스는 Dyneema 방적사, Dyneema 2합사에 금속 섬유방적사를 합사하는 기술,
그리고 Dyneema 400d 혹은 케블라 29를 사용하여 30Nm 방적사를 제조하여 특수
장갑용 방적사를 사용하고 있다.
조선 산업분야의 용접․배관 pipe용 직물 및 일반 기계부품 산업의 각종 컨베이어
벨트용 직물에 융합 제품제조 기술을 적용하는 중소기업들이 있다.
UHMWPE 섬유 융합부품에 관해 국내에 공개/등록된 특허를 중심으로 하여 주요
개발내용을 정리하면 다음과 같다(2000년 이후).
그라프트에 의한 UHMWPE 섬유 개질(출원번호: 10-2003-0080277)
: UHMWPE의 단점인 접착성 불량을 개선하기 위한 목적으로 그라프트 처리에
의해 표면 개질하는 기술
자외선 조사에 의한 UHMWPE 섬유 가교(출원번호: 10-1999-0037852)
: 정형외과에서 시술되는 인공관절에서 연골 대체재료로 사용되는 UHMWPE의
내마모성을 향상시키기 위해 화학적인 방법을 이용하여 UHMWPE의 표면 또는
벌크를 가교시킴으로써 UHMWPE의 기계적 성질과 내마모성을 개선시키기 위한
방법에 관한 것이다.
전지분리막용 UHMWPE 미세다공막(출원번호: 10-2005-0081018)
안전 장갑 (출원번호: 10-2006-0014155)
: 내절단성이 요구되는 작업에 사용하는 산업용 안전 장갑에 관한 것으로, 특히
스판덱스사, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)사 및 아라미드絲를 편직하여 장갑을
제작함으로써 장갑의 신축성과 착용감을 살리면서 내절단성을 크게 강화시키도록
한 산업용 안전 장갑에 관한 것이다.
내마모성 UHMWPE 인공관절(출원번호: 10-2003-0051822)
: 인공관절에 사용되는 UHMWPE에 무독성 무기입자를 중합충전 또는 기계적
혼련을 통한 고함량 충전 방법을 통하여 충전시킴으로써 내마모성을 향상시키는
방법에 관한 것이다.
인쇄 회로판 및 안테나 기재로서 사용하기 위한 초고분자량 폴리에틸렌 복합체
(출원번호: 10-2000-7005978) Ÿ UHMWPE 봉합사 등 외과용 복원제품 (출원번호: 10-2008-7000138, 10-2007-7001827)
방사선 및 용융처리된 초고분자량 폴리에틸렌 보철장치 (출원번호: 10-1998-0706252)
3. 향후 추진방향
UHMWPE 슈퍼섬유 분야에서 우리나라는 중국보다도 늦은 후발 주자이므로 DSM
이나 Toyobo와 같은 선진업체의 수준을 조기에 달성하여 기술적으로 격차를 줄이는데
주력하여야 하며 국내 기업들의 양산 시점에 맞게 다양한 용도 개발이 병행되어
원활한 생산과 공급이 되도록 추진하여야 할 것이다.
현재 지역의 국책사업으로 추진되고 있는 슈퍼소재융합제품 산업화사업에서
UHMWPE 세섬화 기술 개발에 대한 연구가 진행되고 있으며 향후 소재 측면에서
다양한 섬도와 강도 등 물성 개선에 대한 기술개발이 병행되어야 하며 후가공이나
용도 측면에서 선진사들의 개발 방향과 시장 동향에 부응하는 신제품들이 지속적으로
개발되어야 할 것이다.
향후 추진되어야 할 주요 개발 방향을 선진사 개발 동향에 맞추어 정리해 보면
다음과 같다. Ÿ UHMWPE를 사용한 고냉감소재
Ÿ 용융방사법에 의한 원가 절감 소재 개발
그라프트나 UV조사 등 다양한 표면개질 기술에 의한 물성 개선 연구
Ÿ 전지분리막용 UHMWPE 미세다공막
Ÿ 착용성이 양호한 산업용 안전장갑
Ÿ 내마모성 의료용 소재(인공관절, 외과용 보철재 등)
수술용 봉합사
Ÿ 인쇄 회로판 및 안테나 기재
4. 관련 기업 현황
UHMWPE와 관련된 국내 기업 중, 원료 제조면에서는 부산에 위치한 동양제강이
유일하지만 양산으로 보기는 어렵고 아직 pilot단계에 머물고 있어 지속적인 개발이
필요한 상태로서 대부분의 원사는 일본, 유럽, 중국 등에서 수입되고 있는 실정이다.
최종 제품 측면에서 안전장갑은 수입 원사를 사용하여 국내에서 최종 제품이 생산
되며 수출도 되고 있다. 방탄재나 로프는 일부 수입원사를 사용하여 완제품이 제조
되기도 하지만 완제품 형태로도 상당한 양이 수입되고 있는 실정이다. 고급 낚시줄이나
복합재료, 의료용 재료는 전량 완제품으로 수입되고 있어 자체 개발이 시급한 실정이다.
지역의 대표적 기업으로는 UHMWPE 안전장갑을 생산하는 형제 인터내셔널, 동화
인더스트리, 낚시줄을 수입 공급하고 있는 코러낚시, 원사를 수입하여 자체적으로
방탄복을 만들고 있는 디바인아머 등이 있다.
다음 표에 지역의 주요 생산업체들을 정리하였다.
<대구경북지역 주요 생산업체>
동화인더스트리 내절창성 산업용
안정장갑
대구시 동구 방촌동 1084-390 Dyneema
수입
형제인터내셔널 내절창성 산업용
안정장갑
대구시 중구 남산동 735-18 공장 : 경북 칠곡군 가산면
송학리 547 Dyneema
수입
디바인아머 방탄복, 자켓, 헬멧 대구시 남구 대명동 2275 5F Dyneema
수입
코러낚시 Dyneema 낚시줄 대구시 동구 둔산동 676 완제품 수입
출처 : 섬유인
메모 : 물에뜨는 강철