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섬유공학
섬유공학(纖維工學, textile engineering) 섬유의 제조에서부터 가공 · 판매 · 서비스 등을 연구하는 학문이다.
섬유 및 섬유제품들은 역사적으로 인간의 의생활(衣生活)에 이용되는 것이 기본이었다. 그러나 20세기 말부터 섬유가 공업, 농·어업, 토목·건축, 의료(醫療), 전기·전자 등 다양한 산업 분야에 이용되기 시작하면서, 근래에는 첨단소재산업(尖端素材産業)의 한 분야로서 자리매김하고 있다.
목차
개념 및 의의[편집]
- 섬유공학의 개념
섬유공학은 섬유산업을 뒷받침하는 학문이라고 할 수 있다. 즉, 원료 섬유(纖維, fiber) 제조에서부터, 이를 이용하여 실(絲, yarn), 천(布, fabric) 등을 거쳐서 의류(衣類, clothing) 등의 섬유 완제품을 제조하는 전 과정에 대해서 연구하는 학문이다.
'섬유공학'이란 다음과 같은 '섬유'와 '공학'이라는 용어가 합쳐진 말이다.
① 섬유(textile): 좁은 의미의 섬유(fiber)뿐만 아니라 이를 이용하여 제조된 실, 천 등의 섬유제품을 모두 포함하는 넓은 의미를 가진다.
한편 좁은 의미의 섬유(fiber)는 원료 섬유를 의미하는데, 그 사전적 의미는 '길이가 직경보다 월등히 큰 형태의 고체 물질로서 전형적으로 10~50㎛의 직경 정도의 섬도(纖度, fineness)와 유연한 특성을 가지는 것'을 말한다.
② 공학(工學, engineering): '기초과학을 공업적인 생산에 응용함을 목적으로 하는 학문'을 의미한다. 즉, 기초과학(science)과 공장(factory)을 연결해주는 학문을 뜻한다.
결국, '섬유공학'이란 물리학(物理學, physics), 화학(化學, chemistry), 수학(數學, mathematics) 등의 기초과학을 토대로 섬유 및 섬유 제품 제조와 관련된 다양한 지식을 탐구하는 학문인 것이다.
섬유산업 및 섬유공학의 역사[편집]
약 5만 년 전 네안데르탈인들이 제4빙하기의 추위를 이겨내기 위하여 동물의 모피를 사용했던 것을 인류가 섬유를 사용한 시초로 보고 있지만, 이것을 '섬유제품'이라고 할 수는 없을 것이다. 여러 가지 주장들을 종합해보면 본격적으로 식물이나 동물로부터 얻어지는 천연섬유(天然纖維, natural fiber)로 실과 천을 만들어 사용하기 시작한 것은, 짧게는 5천 년, 길게는 만 년 전으로 보고 있는데, 이 또한 '섬유산업'으로 취급하기에는 무리가 있다.
섬유산업의 시작과 발전[편집]
- 섬유산업의 시작
본격적인 섬유산업의 시작은 보는 기준에 따라서 다르겠지만, 리처드 아크라이트(Richard Arkwright)가 수차(水車)를 이용하여 면, 양모와 같은 천연섬유들로 실을 공업적으로 생산할 수 있는 방적기(紡績機)를 발명한 1769년으로 보는 것이 타당할 것이다. 이후 천연섬유들로 제품을 만드는 방적 및 제직, 염색가공 등에 대한 기술을 중심으로 섬유산업이 발전해오다, 19세기 후반에 이르러서 인공적으로 섬유를 제조하는 '인조섬유(人造纖維, manmade fiber)'시대가 시작되었다.
- 인조섬유의 개발 및 발전
① 인조섬유(재생섬유) 개발
최초로 인조섬유 제조에 성공한 것은 1884년 프랑스의 일레르 콩트 베르니고 샤르도네(Hilaire Comte Bernigaud de Chardonnet)에 의해서였다. 샤르도네는 목재 펄프와 같은 천연 셀룰로오스(cellulose)를 화학처리하여 얻은 질산셀룰로오스(nitrocellulose) 액체를 작은 구멍을 통하여 밀어내어서 섬유 형태를 만든 후, 질산 성분을 제거하여 고체 상태의 셀룰로오스 섬유를 만드는 데 성공하였다. 뒤이어 1892년에 지금도 사용되는 비스코스 레이온(viscose rayon)이 크로스(C. F. Cross), 베번(E. J. Bevan) 등에 의해서 개발되면서 본격적인 인조섬유 생산이 시작되었다. 이렇게 천연 고분자를 이용하여 제조되는 인조섬유를 '재생섬유(再生纖維, regenerated fiber)'라고 부른다.
이후에 셀룰로오스의 화학구조를 약간 변형시킨 아세테이트 섬유 등이 개발되었지만, 이때까지는 모두 천연물을 원료로 하는 재생섬유에 머물러 있었다. 20세기에 들어서면서 석유화합물로부터 섬유의 원료가 되는 고분자를 인공적으로 합성하는 '합성섬유(合成纖維, synthetic fiber)' 개발이 이루어지게 된다.
② 합성섬유 개발 및 인조섬유의 발전
1928년부터 미국의 듀퐁사(DuPont Company)에서 고분자(高分子, polymer)4) 합성 연구를 시작하여, 1939년 나일론(nylon) 섬유의 시험생산을 시작함으로써 합성섬유 시대가 열렸다. 이후 폴리에스테르(polyester), 아크릴(acrylic), 폴리올레핀(polyolefin), 스판덱스(spandex) 등의 다양한 합성섬유들이 연이어 개발되어 왔다.
그 후 단순한 형태의 인조섬유를 모섬유(母纖維, parent fiber)로 하여, 물리적으로나 화학적으로 다양한 변화를 주어서 가능한 한 천연섬유에 가까운 특성을 나타내게 하고, 나아가 천연섬유에는 없는 새로운 특성을 나타내게 하는 정도로까지 지속적으로 발전하여 왔다.
특히 근래에는 섬유의 용도가 과거의 의류용뿐 아니라, 산업용으로까지 급격히 확대되면서 이를 위하여 고강도·고탄성률(高强度·高彈性率) 섬유, 내열성(耐熱性) 섬유, 나노(nano)섬유 등 다양한 인조섬유들이 개발되고 있다.
한국 섬유산업 및 섬유공학의 역사[편집]
천연섬유의 한국 유입은 주로 중국으로부터 이루어졌는데, 고조선 시대에 양잠(누에 사육)업이 전래되었으며, 고려 말기에 문익점이 목화씨를 가져와 목화 재배를 시작한 것으로 알려져 있다.
- (1) 한국 섬유산업의 시작과 발전
① 섬유산업의 시작
1917년 일제(日帝)가 국내 면직물을 침탈해가기 위해서 부산에 세운 '조선방직(朝鮮紡織)'이 최초이며, 3·1운동 이후 민족의식이 고취되면서 현재 '㈜경방'의 전신(前身)인 '경성방직(京城紡織)'이 1919년에 최초의 민족자본에 의해 세워지면서 본격적인 한국 면직물 공업시대가 열렸다. 모직물 산업은 1937년 일본 자본에 의한 '조선모방(朝鮮毛紡)주식회사' 설립이 시초였다.
인조섬유는 한국전쟁 이후에 생산되기 시작하였는데, 1957년 현재 '코오롱'의 전신인 '한국나이롱주식회사'에서 나일론, 1966년 '한흥비스코우스회사'에서 레이온, 1968년 현재 ‘SK’의 전신인 '선경화섬'에서 아세테이트를 생산하기 시작하였다.
② 섬유산업의 발전 이전까지 내수(內需)산업으로 이어져 오던 섬유산업은, 1960년대에 수출산업으로 전환되면서 1960년대 중반에서 1970년대까지 우리나라 수출 총액의 30~50%를 차지할 정도로 급격하게 성장하였으며, 1987년에는 단일 품목 최초로 100억 달러 수출을 달성하게 되었다.
1980년대부터 가격경쟁력 하락을 극복하기 위하여 품질 고급화, 신기술 개발 등 섬유산업 고도화를 추진하기 시작하였으며, 1990년대 이후에는 기능성 친환경 소재와 더불어 다양한 산업용 섬유 개발 및 생산에 많은 투자를 하고 있다.
③ 섬유산업의 최근 동향 최근의 국내 섬유산업 발전 방향으로 주목받고 있는 점은, 의류용 섬유 소재의 고기능화와 더불어, 공업, 농업, 토목, 의료, 전자산업 등 매우 다양한 산업 분야에 필요한 산업용 특수 섬유들에 대한 개발과 생산에 주력하여 섬유산업을 '첨단소재산업'으로 전환하고 있다는 것이다.
한국 섬유공학 교육 및 연구 기관[편집]
대학[편집]
1947년 서울대학교의 '섬유공학과(纖維工學科, textile engineering)'를 시작으로, 1950년대 이후 여러 대학에 섬유공학 관련 학과들이 본격적으로 설립되기 시작하였다. 오늘날 우리나라 대학에 대략 16개 정도의 섬유공학 관련 학과들이 있다.
이들 학과들은 초기에는 대부분 '섬유공학과'라는 명칭으로 시작되었으나, 산업의 발전방향의 변화와 함께 융·복합 학문의 대두 등에 따라 학과 명칭이 변하였거나 유사 학과들과의 통합이 이루어지기도 해서, 2012년도 기준으로 다음과 같이 다양한 학과 명칭을 나타내고 있다. 이들 대부분은 섬유산업이 '소재산' 개념으로 변화하는데 대응하고, 나아가 융·복합 학문을 실현하는 방향으로 변화되었음을 알 수 있다.
학과명칭 변경 유사전공 통합 섬유시스템공학과경북대 파이버시스템공학과단국대
유기소재파이버공학과전북대
유기소재·파이버공학과숭실대
유기소재·섬유시스템공학과충남대
유기소재시스템공학과부산대
유기재료고분자공학과동아대
유기나노공학과한양대
유기나노시스템공학과건국대 등
고분자·섬유시스템공학과전남대 나노시스템공학부(섬유신소재공학 전공)인하대
섬유패션학부영남대
바이오시스템·소재학부(바이오소재공학 전공)서울대
재료공학부서울대
화학공학부성균관대
정보전산신소재공학과경희대 등
한편, 대학들의 섬유공학 교육이나 연구 내용에 있어서도 시대상이나 산업계의 요구에 따라서 다음과 같이 많은 변화를 나타내게 되었다.
- 1940~1950년대: 천연섬유를 대상으로 하여 방적, 제직 등 섬유제품 제조 공정과 관련된 것이 주축을 이루었다.
- 1960년대: 인조섬유로 그 대상이 확장되었다.
- 1970년대 중반~1980년대: 고기능성 신소재 개념과 섬유 복합재료 등의 산업용 섬유에 대한 관심이 증대되었다.
- 1990년대 이후: 신소재 및 산업용 소재를 실현하기 위하여, 고분자에 대한 교육이나 연구가 강화되면서 융·복합 학문을 실현하기 위한 방향으로 발전되었다.
연구소[편집]
- 공공 연구소: 섬유공학 관련 공공 연구소는 총 12개소가 설립되어 있다.
- －1960년대: 방직시험검사소(현 한국섬유기술연구소, 1961), 한국의류시험연구원(1964), 한국원사직물시험연구원(현 FITI 시험연구원, 1965) 등이 설립되었다.
- －1970년대: 경상북도 섬유기술전문훈련소(현 한국섬유개발연구원, 1977)가 설립되었다.
- －1990년대 이후: 섬유산업의 경쟁력 제고의 필요성이 제기되면서 주로 섬유산업이 집중되어 있는 지역을 중심으로 설립되었다.
- 대구·경북 지역: 한국염색기술연구소(현 DYETEC 연구원, 1994), 한국섬유기계연구소(2000), 한국패션센터(2000)와 한국봉제기술연구소(2004)가 통합된 한국패션산업연구원(2010) 등이 설립되었다.
- 기타: 한국실크연구원(1988, 경남 진주), 한국니트산업연구원(2001, 전북 익산), 한국자카드섬유연구소(2002, 충북 공주), 한국생산기술연구원 섬유소재본부(1990, 충남 천안), 한국섬유소재연구소(2004, 경기도 양주) 등이 설립되었다.
- －1983년 ‘분석 시험소’로 출발하여 변화·발전되어 온 국가연구기관인 ‘기술표준원’에서도 섬유공학 관련 연구가 상당히 이루어지고 있다.
- 민간 연구소: 1970년대부터 인조섬유 제조회사들을 중심으로 부설 연구소들이 설립되기 시작하였다.
- －대기업 연구소: 동양나일론의 기술연구소(현 효성기술연구원, 1971), 코오롱 기술연구소(현 코오롱 FM 연구소, 1978), 제일모직 섬유연구소(현 기술연구소, 1980), 제일합섬(현 도레이케미칼) 기술연구소(1980), 삼양종합연구소(1979)와 SK케미칼 연구소(1984)의 폴리에스테르 부분이 통합된 휴비스 연구소(2000), 충남방적 연구소(1983), 갑을방적 연구소(1988), 태광산업 연구소(1988) 등이 설립되었다.
- －중소기업 연구소: 1990년대부터 일부 연구소들을 설립하기 시작하였으며, 2000년대 이후 그 수가 급격히 늘어나서 지금은 대부분의 업체가 명목상으로라도 연구소를 보유하고 있다.
학술 단체[편집]
- 한국섬유공학회: 1946년에 설립된 '대한섬유공업연구회'가 '대한방직기술협회(1952)', '한국섬유과학기술협회(1963)'를 거쳐서 오늘날의 '한국섬유공학회(1967)'로 발전하게 된다. 이 단체에서는 1949년에 우리말로 된 전공서적을 발간하였으며, 1964년에는 현재의 '한국섬유공학회지'의 전신이라 할 수 있는 '섬유(纖維)'라는 최초의 학술 잡지를 창간하였다. 한국섬유공학회에서는 '한국섬유공학회지' 외에도 2000년부터 영문(英文) 학술지인 'Fibers and Polymers'를 발간하기 시작하였는데 이는 'SCIE(Science Citation Index Expanded)'에 등록되어 있으며, 2007년부터는 출판사 ‘Springer’를 통해서 전 세계에 배포되고 있다. 또한 1997년부터 산업계를 위한 기술지(技術誌) '섬유기술과 산업'도 발간하고 있다.
- 한국염색가공학회: 섬유산업에서 중요한 부분을 차지하는 염색가공과 관련된 학술단체로서, 1989년에 창립되어서 활발하게 활동하고 있다. 이 단체에서는 학술지 '한국염색가공학회지'와 기술지 '염색가공'을 정기적으로 발간하고 있다.
- 기타: 이밖에도 섬유공학 관련 학술 단체로 '한국고분자학회', '한국의류산업학회', '한국의류학회' 등에서도 학술지를 통하여 섬유공학 관련 학술연구 논문들이 다수 발표되고 있다.
주요 분야 및 연구 영역[편집]
섬유공학은 고분자과학을 기반으로 하는 원료에서 섬유, 실, 천을 거쳐서 완제품에 이르기까지의 전 과정을 연구하는 학문으로서 그 취급 범위가 매우 넓다. 이를 중요한 몇 몇 영역으로 나누어보면 다음과 같다. [네이버 지식백과] 섬유공학 [Textile Engineering] (학문명백과 : 공학, 이양헌)
섬유고분자재료학[편집]
섬유는 기본적으로 고분자로 구성되기 때문에, 고분자와 매우 밀접한 관계를 가지므로 '섬유고분자재료학(纖維高分子材料學, fiber polymer materials)'으로 분류한다.
섬유는 그 소재로서의 성능을 발휘하기 위하여 적당한 굵기 및 길이와 함께, 실이나 천을 쉽게 제조할 수 있도록 적절한 응집성을 갖추어야 하며, 충분한 유연성, 강도 및 신도, 탄성률 등의 물성을 지녀야 한다.
섬유는 크게 식물 및 동물로부터 얻어지는 천연섬유와 인공적으로 제조된 인조섬유로 나누어진다. 천연섬유는 다시 그 구성 물질에 따라서, 식물로부터 얻어지는 셀룰로오스 섬유와 동물로부터 얻어지는 단백질 섬유, 그리고 암석에서 얻어지는 석면과 같은 광물성 섬유 등으로 나누어진다. 인조섬유는 천연물로부터 얻어진 원료(천연 고분자)를 이용하여 인공적 방법으로 제조되는 재생섬유와, 원료부터 인공적으로 합성하여 얻어지는 합성 고분자로부터 제조되는 합성섬유로 나누어진다.
섬유고분자재료학은 이들을 대상으로 연구하는 분야다. 천연섬유는 식물이나 동물로부터 얻어지기 때문에 그 제조와 관련된 연구가 제한적이지만, 인조섬유는 그 제조과정에서부터 인공적으로 이루어지므로 섬유공학의 중요한 연구 대상이라고 할 수 있다. 즉, 새로운 원료 고분자의 합성, 기존 고분자의 개량, 섬유의 구조 및 성질의 고도화 등 다양한 연구가 이루어진다.
방사공학[편집]
천연 또는 합성 고분자를 이용하여 섬유를 제조하는 과정을 방사(紡絲, fiber spinning)라고 하며, 이와 관련된 다양한 연구를 하는 분야를 방사공학(紡絲工學, fiber spinning engineering)이라고 한다. 방사는 기본적으로 원료 고분자를 용해나 용융(熔融, melting)에 의해서 액화(液化)시킨 다음, 이 액체를 방사구(紡絲口, spinneret)라는 작은 구멍을 통해서 밀어내는 압출(壓出, extrusion)을 통해 섬유형태를 만들고, 이를 고화(固化)시킴과 동시에 연신(延伸, drawing)이라는 공정에 의해서 신장시켜서 섬유를 만드는 과정이다.
따라서 방사공학은 원료 고분자의 액화(液化) 및 고화(固化) 등과 같은 상(相) 변화와 고분자 액체 및 고체의 점탄성(粘彈性)적 변형 등과 관련된 이론 및 실제, 그리고 원하는 구조의 섬유를 제조하기 위한 방사장치의 개선 및 개발 등에 관한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
방적공학[편집]
섬유는 길이에 따라서 두 가지로 분류되는데, 그 길이가 길어야 수십 ㎝ 이내로 한정되어 있는 짧은 섬유를 단섬유(短纖維, staple fiber), 길이가 무한정 긴 섬유를 장섬유(長纖維, filament fiber)라고 한다. 천연섬유 중 견섬유와 인조섬유는 기본적으로 장섬유로 제조되어서 필요한 가닥수만 모으면 실이 되지만, 나머지 천연섬유들은 방적(紡績, spinning)이라는 특별한 공정을 거쳐야만 실이 된다.
방적은 단섬유들을 빗질하여 서로 나란하게 배열하고, 이를 적당한 굵기가 되도록 모아서 다시 늘여 주고, 마지막으로 적당한 정도로 꼬임을 주어서 실(絲, yarn)을 만드는 과정을 의미한다.
방적 공정은 매우 복잡하고 긴 과정을 거쳐야 하며, 그 각각의 과정에는 아주 다양한 기계적 장치들이 사용된다. 따라서 방적공학(紡績工學, yarn spinning engineering)에서는 각 과정마다 사용되는 기계·기구들의 개선 및 자동화, 공정 해석 및 관리, 공정의 단순화 등에 대한 연구, 더욱 가늘면서도 강하고 유연한 실의 제조 방안과 함께, 섬유 자체의 방적성(紡績性, spinnability)에 관한 연구, 실의 꼬임과 매우 밀접한 관계에 있는 구성 섬유들의 비틀림 특성(torsional property)에 대한 연구도 수행된다.
제직/제편공학[편집]
2차원적인 평편한 형태의 섬유제품인 천(布, fabric)은, 실을 이용하여 제조되는 직물(織物, woven fabric), 편성물(編成物, knit, knitted fabric), 레이스(lace) 등과 실을 거치지 않고 섬유에서 바로 천으로 제조되는 부직포(不織布, non－woven fabric)가 있는데, 사용되고 있는 천의 대부분은 직물과 편성물이다.
천을 만드는 과정을 흔히 제포(製布)라고 부르기도 하는데, 이 말은 학술적으로 사용되지는 않는다. 따라서 '제포공학'이라는 말을 사용할 수가 없으므로 대표적인 천인 직물을 만드는 제직(製織, weaving)과 편성물을 만드는 제편(製編, knitting)을 붙여서 ‘제직/제편공학(製織/製編工學, weaving/knitting engineering)’으로 분류하였다.
결국 제직/제편공학은, 직기(織機, loom)를 이용하여 경사(經絲, warp)와 위사(緯絲, weft)를 일정한 규칙에 따라 서로 교차시켜서 직물을 만드는 제직, 편성기(編成機, knitting machine)를 이용하여 한 올 또는 여러 올의 실로 고리(loop)를 만들어 이들을 서로 연결하여 편성물을 제조하는 제편을 비롯하여, 레이스, 부직포 등의 천 제조를 모두 아우르는 분야로 보아야 한다.
이 분야도 주로 기계에 의해서 이루어지는 공정이므로, 제품의 품질과 생산성 향상, 낮은 소음(騷音), 에너지 절약을 위한 새로운 기계·기구의 개발 및 개선과 함께, 광폭(廣幅) 천 제조, 다양한 조직 및 무늬 형성, 고기능성 천 제조 등의 방안을 연구하고 있으며, 근래에는 산업용 천의 필요성이 점차 커지면서 입체 제품 개발에 대한 연구도 많이 이루어지고 있다.
염색가공학[편집]
천 제조의 마지막 단계이며 천의 부가가치를 향상시키기 위한 과정으로서 필히 거치게 되는 공정이 염색(染色, dyeing) 및 가공(加工, finishing)이다. 염색은 천에 염료(染料, dye)를 이용하여 원하는 색을 입히는 공정이며, 가공은 천에 물리적, 화학적 처리를 하여 그 외관이나 성능을 향상시키는 과정이다.
염색가공학(染色加工學, dyeing and textile finishing) 분야에서는 다양한 색상과 내구성 향상을 위한 새로운 염료 및 염색방법의 개발 및 개선, 특수한 성능을 발휘할 수 있는 가공제(加工劑) 및 기법, 기계·기구의 개발 및 개선, 섬유제품에 부여할 새로운 요구 성능에 대한 아이디어 창출 등에 대한 연구가 수행되고 있으며, 특히 화학처리 과정에서 제기되는 환경 공해 문제를 해결하기 위한 방안도 중요한 연구과제로 다루어지고 있다.
섬유계측공학[편집]
섬유제품은 그것을 구성하는 섬유, 실, 천 등의 구조와 물성을 소비자의 요구에 적합하면서도 균일하게 제조하여야 한다. 이를 효과적으로 달성하기 위해서는 이들 원료, 중간 제품, 완제품 등에 대한 각종 물리적, 화학적 특성들을 정확하게 계측하여야 하는 것이 선결 문제이다.
섬유계측(纖維計測)은 그 목적에 따라서 나누어 보면, 연구 개발을 위한 계측, 제품 품질 평가 및 품질 검사를 위한 계측, 나아가 불량 원인 규명을 위한 계측 등 다양하지만, 그 원리나 절차에는 큰 차이가 없다. 섬유 제조업의 입장에서는 어느 경우이든 그 계측 결과를 적절한 통계적 처리를 거쳐서 합리적으로 해석하고, 이를 새로운 제품 개발, 품질 향상 및 관리에 적극적으로 활용할 수 있어야 한다.
섬유계측 대상 항목은 무수히 많은데, 크게 물리적 계측과 화학적 계측으로 나누어진다. 물리적 계측에는 구조 및 형태, 흡습성, 역학적, 열적, 전기적 성질 등에 대한 계측이 있으며, 화학적 계측에는 섬유감별 및 혼용율, 염료 함량 및 염색견뢰도(染色堅牢度), 가공제 함량 등에 대한 계측이 있다.
섬유계측공학(纖維計測工學, textile measurement engineering)에서는, 많은 계측 항목들 하나하나를 쉽고 정확하게 달성할 수 있는 기법 및 장치의 개발 및 개선, 계측 결과에 대한 통계적 처리를 통한 합리적 해석법, 나아가 이를 품질 향상이나 관리에 적용할 수 있는 기법 개발 등에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
참고자료[편집]
- 〈섬유공학〉, 《학문명백과 : 공학》
- 〈섬유공학(纖維工學)〉, 《한국민족문화대백과사전》
- 〈섬유공학〉, 《나무위키》
같이 보기[편집]
