금속섬유

금속사

금속섬유(metal fibers)는 금속으로 의류와 같은 옷감을 간단히 만들 수 있을 만큼 가늘고 부드러운 섬유 상태의 극세선(極細線)을 말한다.

금속섬유는 새로운 섬유 강화형 복합재료의 출현으로 생겨난 말이다. 즉 강화용 섬유로서의 유기 섬유, 무기 섬유, 금속 섬유를 종합한 표현이다. 종전부터 금속 재료는 직물로 짤 수 있을 만큼 가느다란 선재(線材), 즉 섬유의 개념에 들어갈 만한 것이 만들어졌으며, Al, Ag, Au, Cu, W 등 IC용 리드와 전구처럼 도전(導電) 특성이 주로 이용되어 극세선(極細線) 또는 와이어로 호칭하여 왔다. 때문에 강화용 또는 복합용으로 사용하는 세선을 특히 금속 섬유라 부르는 경우가 많다.

강화용 섬유로는 기계적 특성이 우수한 것이 요망되며, 보통 W, Mo, 강철, 스테인리스 같은 섬유를 들 수 있다.

복합재료가 주목을 받게 되면서 집속 심선법(集束芯線法), 용융 방사법(溶融紡糸法), 멜트인스트럭션법, 펜던트드롭법 등, 섬유상의 금속을 만드는 새로운 기술이 개발되어 현재는 5μ 정도의 가느다란 섬유도 만들 수 있게 되었다.

개요

금이나 은, 철, 알루미늄 등 금속을 특수 가공하여 만든 섬유가 금속섬유다. 직경에 따라 극세사(極細絲, 25μm~100μm)와 초극세사(超極細絲, 1μm~25μm)로 구분할 수 있는데 보통 사람의 머리카락 굵기가 100μm 내외이므로 그보다 가는 금속섬유를 제조하려면 용융방사법, 다이스 압출법, 선상 결정 성장법 등 다양한 나노기술이 동원되어야 한다.

인류가 금속을 의류에 사용한 것은 의외로 꽤 오래 전부터다. 우리나라는 신라시대 이전부터 귀족의 장신구로 금속섬유를 사용했으며, 고대 중동지방의 페르시아와 아시리아에서도 금속사(金屬絲)를 이용했다는 기록이 있다. 하지만 이 때의 금속사는 주로 천연섬유 위에 금이나 은을 입힌 것이 대부분이었다. 유럽 중세에는 강철고리를 연결해 사슬 갑옷을 만들기도 했다.

그러나 실질적인 금속사는 1960년대 우주복에 사용할 새로운 소재를 개발하면서 부터 탄생했다. 지구와는 달리 높은 온도와 강한 빛에 노출된 우주공간에서 인체를 보호해 줄 우주복이 필요해졌고, 이것이 금속섬유에 대한 연구에 불을 당긴 것이다.

물론 아직도 금속섬유는 일반적인 의류용으로는 적합하지 않다. 유기 화합물로 만들어진 일반 섬유에 비해 무겁고 열전도율 역시 매우 높기 때문이다. 하지만 금속섬유에는 다른 섬유 소재에서는 찾을 수 없는 장점이 있다. 전기 도전성이 탄소 섬유의 20배나 될 정도로 크고, 750~1250℃에서도 견딜 만큼 내열성이 강하다. 강도가 높을 뿐 아니라 세라믹 섬유보다 강도 값도 균일하다. 악취 제거와 인체 유해 균을 없애 주는 특성도 있다.

이런 특성 때문에 금속섬유는 직물에 섞어서 정전기를 영구적으로 방지하는 정전기 방지 소재를 만드는 데 쓰이고, 단열재와 고순도 필터, 소음 차단재, 전자파 차폐재 등으로도 활용된다. 2001년에는 일본에서 금속섬유를 사용한 임부복이 개발되었고 이라크전에서 미군이 착용했던 군복과 방독면 소재에도 금속섬유가 사용되었다.

금속섬유의 재료는 목적에 따라 강, 알루미늄, 베릴륨, 텅스텐, 몰리브덴 및 스테인리스 스틸 등이 사용되지만, 금속섬유 수요의 90% 이상은 스테인리스 스틸이다. 다른 금속보다 성형이 쉽고 부식하지 않는 특성 때문이다.

제조방법

다발인발법(bundle drawing process)

다발인발법은 금속섬유 제조공법 중 가장 대표적인 방법으로 1940년대에 미국의 Everelt에 의해 알려진 후에 계속적인 연구개발을 거쳐 현재 Bekaert, 일본정선 등이 stainless steel fiber 제조에 활용중인 공법이다. 다발인발법은 금속 선재를 집속관에 모아 인발후 재 집속하는 방식으로 연속적인 인발을 거쳐 선경 10 µm의 금속섬유도 제조할 수 있는 특징을 가진 공정이다.

절삭법(rotary cutting, shaving)

절삭법은 일본에서 발달한 금속섬유 제조공법으로, 회전하는 봉 형상(round bar type) 금속 소재의 옆면을 진동하는 바이트로 뜯어내는 진동 절삭공법과 회전하는 coil의 옆면을 선반으로 깍아내는 선반법 등으로 나뉜다. 진동 절삭법은 길이 3 cm 미만의 금속 단섬유를 제조할 수 있는 가장 경제적인 공법으로 알려져 있으며, 선반법은 금속섬유 기계 가공법으로는 가장 최근에 개발 된 공법으로 알려져 있다.

급냉응고법

급냉 응고 기술은 1967년 Dewez가 실험실 바닥에 떨어진 용융 금속의 응고조직을 검사하면서 우연히 발견된 기술로, 1970년대부터 분말, 박판, 섬유 제조기술 등으 로 발전해 왔다. 급냉 응고 기술을 활용하여 금속섬유를 제조하는 기술로는 1974년 R.E. Maringer와 C.E. Mobley 등이 mild steel fiber 제조에 이용한 ME(crucible meltextraction) 공법과 Fe-Ni fiber 제조에 이용한 PDME(pendant drop melt extraction) 공법이 있다.

분말압출법

분말 압출법은 분리재와 혼합한 금속 분말을 환봉 형태로 만든 후 이를 압출하여 분말이 연신되면서 섬유 형상으로 변형되는 원리를 응용한 공법이다. 분말압출법에 의해 제조되는 섬유의 직경은 원재료로 사용되는 분말의 직경과 압출 시 압출비율에 의해 결정되는 것으로 알려져 있다.

Taylor공법(Talyor process)

테일러법은 용융 금속을 pylex 유리 같은 점도가 높은 보호재로 감싸고, 반 용융 상태에서 보호재와 함께 연신시킨 후 보호재를 화학적으로 제거하여 금속섬유 제조하는 공법이다.

Taylor공법은 Taylor에 의해 최초로 개발되어 1957년 Ulitovskiy에 의해 개선되었으며, melt spinning 공정으로는 유일하게 1 µm 이하의 직경을 가지는 금속섬유 까지 제조할 수 있는 공정으로 평가 받고 있다.

회전수중방사법 (In - Rotating - Water - Spinning법)

회전 수중 방사법은 일본 Unitika사에서 개발해 낸 방법으로, 냉각수가 흐르는 회전하는 드럼 속에 용융된 액상금속을 방사시켜 금속섬유를 얻는 방법이다.

응용분야

금속 섬유는 Al, Mg합금, 초내열 합금 등의 강화용으로서 뿐만 아니라 시멘트 콘크리트와 세라믹의 보강용으로도 시용(試用)되고, 이미 실용화된 것도 있다. 또 강화용 이외에도 단체(單體) 혹은 직물로서 전지, 대전방지(帶電防止), 전자(電磁) 실드, 액체ㆍ가스의 필터, 촉매담체(触媒擔體), 극세(極細) 케이블 등, 기능성 분야에 응용이 신장되고 있다.

참고자료

• 금속섬유 제조 기술 개발 현황 - http://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201205061577210.pdf
• 〈금속 섬유〉, 《첨단산업기술사전》
• 〈금속섬유〉, 《사이언스올》
• 이종민, 〈금속으로 만든 섬유〉, 《포스코경영연구원》, 2011-07-22

같이 보기

• 금속
• 무기섬유
• 합성섬유
• 스테인리스 스틸

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