울/나일론 tra-biz 의류용 직물 소재의 열적 쾌적성과 착용특성

HDB(High Density Blowing)혼타면 기계에서 방모유 4%, 대전방지제 1% 및 물 20%와 섬유원료를 샌드위치형으로 믹싱하였다. 방모 카딩기계(Kyowa社, 일본)를 사용하여 카딩(carding) 후 링방모 방적기(링직경 80mm)에서 울섬유 100%와 울/나일론 50:50 1/18Nm 방모사를 혼방사로 각각 제조하였다. 사용한 원료 특성과 제조된 사 특성을 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Characteristics of fibers and yarns specimens

레피어 직기(피카놀社, 벨기에)에서 울 100%, 울 50%/나일론 50% 방적사로 68inch 평직 직물을 2종을 제조하였다. 직물설계 조건을 Table 2에 나타내었다. 직물설계 시 tra-biz 의류 마케팅 담당자와 협의를 통해 생산비용과 가격경쟁력 및 방적성 등을 고려하여 나일론의 혼합비를 50%로 설계하였다. 원단의 가공은 유연제 처리 없이, 표면발수 가공(발수제)을 하였으며, 축융 공정 없이 로프식 정련기에서 정련하였다. 건식 공정에서의 원단 요철을 최소화하고, 탄력성을 가진 원단 개발을 위해 스팀 세팅(setting) 후 세미 데카타이징(semi-decatizing)을 실시하였다. 가공처리 원단에 Gravure roller 표면온도를 95도로 세팅하여 PTFE 필름을 라미네이팅 하였다. 접착제 열처리 조건은 95도, 라미네이팅 gap은 −0.1mm, 가공속도는 7m/min이었다.

Table 2.

Characteristics of fabrics specimens

본 연구에서는 나일론을 혼합시켜 가격 경쟁력을 확보하면서 보온성과 투습성이 우수한 tra-biz 의류용으로 사용가능한 소재를 개발하고자 하였다. 따라서 Table 2에 나타낸 소재 2종을 사용하여 쾌적 특성을 평가할 수 있는 보온성과 투습성을 측정하기 위해 의류시료를 제조하였다. 써멀마네킨에 착용할 의류 완제품의 디자인을 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.

Illustration design of jumper for thermal manikin measurement.

인공기후실에서 온도 20^oC 내외, 50%의 상대습도 실험 환경 내에서 써멀마네킨 장치를 사용하여 KSK ISO 15831:2005법으로 실험하였다. 20부위의 온도가 독립적으로 설정되는 멀마네킨(Newton, Measurement Technology NORTHWEST, USA, 체표면적 1.68m²)으로 측정하였다. 20부위의 피부온도를 4^oC로 동일하게 유지하였다. 발한온열마네킨을 이용한 보온력 및 의복의 투습저항력 측정 환경온도는 20^oC, 환경습도는 50%였으며, 인체 착용 실험의 환경온도 15±1^oC, 환경습도 45±5%이었다.

실험의복은 기본 속옷과 셔츠 위에 실험용 재킷을 착용시켰으며, Fig. 2에 써멀마네킨 실험사진을 나타내었다. Fig. 3에 나타낸 마네킨의 20개 부위에 각각 온도제어 센서를 부착하여 신체 각 부위의 온도를 측정하고 이들 값의 평균값을 실험치(T_skin)로 사용하였다. 의복 내 미세 온도와 포화증기압은 가슴과 허벅지에서 인체와 의복 사이의 데이터를 1분 간격으로 측정하여 T_amb와 P_amb로 사용하였다.

Fig. 2.

Images of thermal manikin experiment.

Fig. 3.

Body positions of temperature sensor on the thermal manikin.

(a) 보온성(Clo값)

바람이 없고, 기온이 섭씨 21^oC, 시간당 1평방미터의 발열량이 50kcal일 때, 마네킨에 착용시킨 의복의 보온력(I_clo)을 측정하였으며 그 값이 높을수록 보온 효과가 높음을 의미한다.

의복의 보온력은 마네킨에 의복 착용 시 온도제어에 의한 평가를 통해 건열저항(R_ct) 값을 측정한 후, 상수 6.45를 곱한 값이며 아래에 열저항과 보온력 수식을 (1)과 (2)식에 나타내었다. 의복의 보온력은 전체 I_clo,total에서 마네킨에 의류를 입히지 않은 상태에서 의복 내 공기만의 순수 I_clo,air를 뺀 값을 의복의 보온력으로 산출하였다.

Where, R_ct : total thermal resistance of clothing ensemble(^oC·m²/W)

　T_skin : average temperature on the 20 zones(manikin)(^oC)

　T_amb : average ambient temperature(^oC)

　Q/A : heat flux(W/m²)

(b) 투습특성

마네킨의 의복 착용 시 땀과 온도제어에 의한 투습성을 평가하여 습열저항(R_et) 값을 (3)식에 의해 계산하여 이 값을 투습저항으로 산출하였다.

Where, R_et : total evaporative resistance of the clothing ensemble (Pa·m²/W)

　P_sat : saturated vapor pressure at the surface temperature of manekin(Pa)

　P_amb: saturated vapor pressure at the ambient temperature (Pa)

　Q/A : heat flux(W/m²)

I_clo : heat keeping capacity of clothing(m^2oC/W)

인공기후실의 실험환경을 15^oC 온도에서 50%의 상대습도에서 기본 속옷과 셔츠 위에 시료로 사용한 울 100%와 울/나일론 혼방의류를 착용시켰다. 이 때 착용한 속옷과 셔츠 그리고 재킷 등의 무게를 Table 3에 나타내었다. 피험자는 성인남성 2인이며, 피부온 7부위(이마, 가슴, 아래팔, 손등, 허벅지, 종아리, 발등)와 직장온을 1분 간격으로 측정하였다. 인공기후실 입실 후 20분 안정, 40분 운동, 20분 휴식으로 등받이 없는 의자에 앉아서 실험하였으며, 운동 속도는 5.5km/h로 빠르게 걷는 속도와 유사하였다. 한편, 피부온과 직장온 외에 의복 내 미세온도는 가슴과 허벅지에서 인체와 의복사이의 온도를 1분 간격으로 측정하였다. 의복 내 미세습도는 가슴과 허벅지에서 인체와 의복사이의 습도를 1분 간격으로 측정하였다. Fig. 4에 인공기후실에서 인체착용실험 사진을 나타내었다.

Table 3.

Mass of the all the underwear and jacket specimens worn in the wearing experiment

Fig. 4.

Images of wear comfort experiment by human body.

Fig. 5.

Schematic diagram of the hygral expansion measuring method.

직물의 역학 특성치는 FAST system을 사용하여 인장, 압축, 굽힘, 전단 특성을 측정하였다. 인장특성은 13cm×5cm 시료를 준비하여 100gf/cm의 하중(E100)에서 늘어나는 길이를 원래 시료 길이 비율(%)로서 extensibility로 측정하였다. 압축특성은 2gf/cm²와 100gf/cm² 압축력에서의 직물두께 차이를 직물의 표면두께(saturated thickness, mm)로 정의하고 이 값을 compressibility로 하였다. 굽힘특성은 Cantilever법 굽힘실험으로 13cm×5cm 시료의 bending length(c, mm)를 측정하고 직물무게(W, g/m²)를 사용하여 B=W×c³×9.81×10⁶ 식에서 굽힘강성(B, bending rigidity)을 계산하였다. 그리고 전단특성은 경사와 위사에 대해 45^o 방향으로 13cm×5cm 시료를 준비한 후 20gf/cm에서의 bias방향으로의 늘어난 길이를 원 시료 길이에 대한 비(%)를 EB20으로 하여 (4)식에서 전단강성(G, shear modulus)을 계산하였다.

울 섬유는 표면 스케일 구조 때문에 응력완화수축(relaxation shrinkage)과 하이그랠익스팬션(hygral expansion)이 의류의 착용과정에서 민감한 형태안정성 평가항목이 된다. FAST-4 시험기를 이용하여 직물의 응력완화수축과 하이그랠익스팬션을 측정하였다. 10분 동안 시료를 건조기에서 건조시키고 길이 L₁을 측정하고 미온의 물속에서 30분 동안 담근 후 길이 L₂를 측정 후 다시 15분 동안 건조 후 길이 L₃를 측정한 후 (5)식과 (6)식에서 각각 응력완화수축과 하이그랠익스팬션을 계산하였다.

직물의 필링특성은 Martindale abrasion and pilling 시험기(NU. Martindale, James H. Heal Co., UK)를 사용하여 KSK ISO 12945-2, 2014 방법에 의거하여 실시하였다.

직물의 단면과 표면형상을 관찰하기 위해서 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, S-4300, Hitachi Co., Japan) 분석을 가속전압 하에서 직물 단면과 표면을 측정하였다.

울/나일론 혼방직물과 비교하기 위해 울 100% 직물의 써멀마네킨 실험을 실시하여 I_do값을 측정하였다.

Fig. 6에 보온력 결과를 나타내었다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이 써멀마네킨 실험에서 울/나일론 혼방직물의 Clo값은 1.43으로 울 100% 직물의 1.36보다 높은 값을 나타내어 보온력이 우수한 결과를 보였다. 이는 나일론 섬유가 울과 혼합이 되면서 혼합 방모사의 벌키성을 높임으로써 벌키한 섬유내의 공기층이 열의 이동을 막아서 울 100%보다 높은 보온성을 가지는 것으로 사료되며 이 결과에서 tra-biz용 의류로서 울/나일론 혼방직물의 보온쾌적성 소재로서의 적용가능성을 확인해 볼 수 있었다. Fig. 7은 두 가지 직물의 단면과 표면 SEM을 나타낸 것으로 울 100%보다 울/나일론 혼방직물의 벌키성이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 벌키한 직물과 실내의 공기층이 열 이동을 막아서 높은 Clo값을 보였다고 사료된다. 이는 복합소재 사직물의 경우 복합사 섬유 표면의 공기부착량이 많아 이들 공기층이 열 이동을 방해하여 보온력이 우수하다는 연구(Lee et al., 1998)와 유사한 결과였다.

Fig. 6.

Heat keeping capacity of the specimens.

Fig. 7.

Images of SEM.

Fig. 8에 써멀마네킨 착용 의류의 투습저항을 나타내었다. Fig. 8에서 볼 수 있듯이 투습저항은 울 100% 직물이 48.81로써 울/나일론 혼방직물의 56.36보다 낮아서 울 100% 직물의 투습성이 더 우수하였다. 이는 울/나일론 방모사의 구조가 울 100%사보다 더 벌키하여 벌키 구조사 내의 공기입자들이 땀 증기 입자의 이동을 방해하기 때문에 투습저항이 더 커서 투습 특성이 나쁜 결과를 보였다고 사료된다. 이는 Kim and Barker(1993)의 연구에서 흡수성이 우수한 소재의 투습도가 흡수성이 낮은 소재보다 더 우수하다는 연구결과와 같이 울 100% 소재가 울/나일론 혼방소재보다 흡수성이 우수하여 투습성이 더 우수한 결과를 보였다고 설명될 수 있다. 따라서 이들 두 연구결과를 종합해보면 울 100% 소재와 울/나일론 혼방직물의 투습도 차이는 울과 나일론 소재의 수분흡수율과 울/나일론 혼방사의 벌키성에 상관성이 있을 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Breathability of the specimens.

인체착용실험을 통한 7개 부위 피부온 변화 중에서 Fig. 9는 20분 안정, 40분 운동, 그리고 20분 휴식의 사이클로 총 80분 동안 측정한 아래팔 피부온도 변화 결과를 도시한 것이다. 측정시간 20분간 안정 상태에서 아래팔부위의 피부온 변화는 감소하였으며, 울 100% 직물은 33.5^oC에서 32.5^oC 정도로 1^oC 정도 감소, 울/나일론 혼방직물은 온도의 변화 없이 34^oC로 유지되었다. 이는 울/나일론 혼방직물이 피부에서 대기로 빠져나가는 열량이 울 100% 직물보다 적다는 것을 의미하며 즉, 보온성이 우수함을 의미한다. 울 100% 직물의 온도 감소는 20분 안정시간 이후 40분간 운동하는 시간동안에도 계속 발생하였으며 이는 운동 중 인체에서 발생하는 땀이 증발하면서 피부의 열을 빼앗기 때문에 피부온이 감소되는 것으로 판단된다. 그러나 운동 후 20분의 휴식시간에는 울 100% 직물의 피부온이 29.3^oC에서 30.3^oC로 증가하였으며 울/나일론 혼방직물은 31^oC, 30.5^oC, 31^oC 순으로 변화되었다. 이는 Fig. 10에 보인 손등부위의 피부온 변화와 유사한 형태를 나타내었다. 한편, 시간변화에 따른 아래팔과 손등 피부온 변화와 달리 초기 20분 안정화 시간동안 온도가 감소하다가 40분 운동 시간동안 온도가 증가, 마지막 휴식 20분간 약간 감소하는 피부온 변화는 Fig. 11과 12의 발등과 직장부위였다. 초기 20분에서 울은 1.5^oC, 울/나일론 혼방직물은 0.5^oC 정도의 감소를 보였고, 그 다음 운동 40분간은 울 100% 직물은 3.5^oC 증가한 반면 울/나일론 혼방직물은 1.7^oC 정도 증가를 보였다. 이후 20분 휴식기간에는 울 100% 직물은 0.8^oC, 울/나일론 혼방직물은 0.3^oC 정도 감소를 보였다. 이는 시험용 의복에서 가까운 위치인 팔과 손등피부와 의복과 거리가 먼 위치인 발등과 직장에서의 피부온 변화와는 다른 거동을 보임을 알 수 있었다. 또한 직물 종류에 따라서 피부온도 변화를 크게 보이지 않는 부위는 Fig. 13, 14 그리고 15에서 보인 가슴, 허벅지, 종아리였으며 이들 부위는 주위의 공기이동 등의 영향이 다른 부위와 비교해 볼 때 작은 영역으로 열의 이동이 상대적으로 적어서 직물소재에 따른 피부온의 변화가 적게 발생하는 것으로 사료된다. 이마 피부온은 다른 신체부위와 다소 다른 피부온도 변화를 보였는데, Fig. 16에 이마부위의 시간 변화에 따른 울/나일론 혼방직물과 control 시료인 울 100% 직물 시료의 피부온 변화그래프를 나타내었다. 초기 20분, 즉 안정화 상태에서는 보온성 결과와 유사하게 열전도성이 낮아 보온성이 더 우수한 울/나일론 혼방직물이 울 100% 시료보다 이마 피부온이 1^oC~1.5^oC 더 높은 값을 보였으며 그 이후 40분 동안 운동과 함께 피부온은 비슷한 값을 보였다가 마지막 휴식 20분 동안 이마 피부온은 1^oC 정도 감소하면서 두 직물이 같은 피부온 변화를 보였다. 이마 피부온 변화는 신체 다른 부위와는 다른 결과를 보였으며 직물이 신체를 덮지 않은 부위로서 직물의 열 이동에 따른 보온성에 영향을 받는 신체 다른 부위의 피부온과는 다른 결과를 보인 것으로 해석된다. 신체부위 별 시간 변화에 따른 피부온 변화 그래프의 형태는 크게 3가지 형태로 구분되며 시간 변화에 따라 피부온이 감소하는 부위가 가슴, 아래팔, 손등이며, 시간에 따라 피부온이 안정 시 20분 동안 감소하다가 운동과 함께 증가하는 변화 형태는 허벅지, 발등, 직장, 종아리부위이며, 시작과 운동 시 피부온 변화가 크게 발생치 않다가 운동 후 휴식 20분 동안 피부온이 감소하는 형태가 이마부위의 피부온이었다.

Fig. 9.

Change of skin temperature of lower arm.

Fig. 10.

Change of skin temperature of the back.

Fig. 11.

Change of skin temperature of the top of the the foot.

Fig. 12.

Change of skin temperature of the rectum.

Fig. 13.

Change of skin temperature of the breast.

Fig. 14.

Change of skin temperature of the fleshy inside of the thigh.

Fig. 15.

Change of skin temperature of the calf of the leg.

Fig. 16.

Change of skin temperature of the forehead.

의복 착용 시 가슴과 허벅지부위의 의복 내 온도와 습도를 각각 측정하였다. Fig. 17~20에 시간에 따른 의복 내 온도와 습도를 각각 나타내었다. Fig. 17에서 볼 수 있듯이 측정시간 80분 동안 가슴부위의 의복 내 온도변화는 울/나일론 혼방직물 의류가 울 100% 직물 의류보다 높은 온도를 보임으로써 보온성이 더 높은 값을 보였으며 이는 써멀마네킨 실험에 의한 보온성 결과와 일치하였다. 처음 20분 안정 기간에 울/나일론 혼방직물은 의복 내 온도가 조금씩 상승하다가 운동 40분의 중간 지점에서는 온도가 감소하기 시작하여 휴식 20분 내내 온도가 하강하였다. 이는 운중 땀이 발생하여 증발과정에 인체에서 열을 빼앗아 인체온도가 내려가면서 의복 내 온도도 감소하는 것으로 판단된다. 그러나 울 100% 소재는 안정기와 휴식시간동안 의복 내 기후가 각각 감소 및 증가를 보여 울/나일론 혼방소재와는 다른 형상의 온도변화 곡선을 보여주었다. Fig. 18에 보인 허벅지 부위의 의복 내 온도는 Fig. 14에 보인 허벅지 피부온과 비슷한 변화를 보여주었으며 두 가지 소재에 따른 차이는 보이지 않았다. 이는 착용실험에서 하의는 실험복이 아닌 같은 소재의 바지를 착용하였기 때문으로 사료된다. Fig. 19에 가슴부위의 의복 내 습도변화를 보였으며 울/나일론 혼방직물의 의복 내 습도는 측정시간 80분 동안 울 100% 직물소재의 습도보다 5~10% 정도 높은 값을 보였다. 이는 울/나일론 혼방소재의 보온성이 울 100% 소재보다 높은 값을 보인 결과와 투습성이 낮은 결과를 보인 이유와 같으며, 울/나일론 혼방소재의 높은 벌키성에 의한 기공특성 때문에 기공 내의 공기층이 열 입자와 땀 증기 입자들의 이동을 막아서 의복 내 공간에 잔존하는 땀 때문에 상대습도가 높은 값을 보인 것으로 사료된다.

Fig. 17.

Temperature change in the microclimate on the breast.

Fig. 18.

Temperature change in the microclimate on the fleshy inside of the thigh.

Fig. 19.

Humidity change in the microclimate on the breast.

한편, 측정시간 80분 동안 의복 내 습도 변화는 초기 20분인 안정시기에는 의복 내 수분이 바깥으로 빠져나가서 상대습도는 감소하며, 운동 40분 동안은 인체에서 발생하는 땀 증기에 의해 증가하여 60분 이후 20분 동안 휴식기 동안 땀 증기가 바깥으로 빠져나가서 상대습도가 감소하는 변화를 보였다. Fig. 20에 보인 허벅지부위의 의복 내 습도에서도 울/나일론 혼방소재가 울 100% 소재보다 높은 값을 보였으며 안정기(20분), 운동(40분), 휴식(20분)에 따른 의복 내 상대습도 변화폭이 가슴부위만큼 크지 않았다. 즉, 측정시간에 따른 가슴부위 의복 내 습도변화가 더 큰 값을 나타낸 것은 착용소재에 따른 차이로 판단된다.

Fig. 20.

Humidity change in the microclimate on the thigh.