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병사 생존성 확보 위한 난연 섬유제품 개발동향
국방기술품질원 품질경영부 품질기획팀 홍성돈 선임연구원
기사입력: 2019/06/18 [12:33]  최종편집: TIN 뉴스
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TIN뉴스

 

현대사회에서 고열에 대한 저항성은 고기능성 섬유가 갖추어야 할 가장 중요한 요소 중의 하나인데, 고열에 대한 저항성은 ‘난연성’(難燃性·Flame Resistanant)으로 표현된다. 

 

물질이 연소하는 성질을 분류하면 가연성, 이연성, 난연성, 불연성 등이 된다. 난연성은 가연성과 불연성의 중간이며, 연소하기 어려운 재료의 성질을 말한다. 이것은 화재의 확대를 늦추거나 또는 멈추게 하는 처리를 한 물체의 표면 또는 구조로 되어 있다.

 

이를 통해 고열의 환경에서 형체를 유지함과 동시에 열에너지의 침투에 의한 인체피해로부터 보호를 기대할 수 있다. 이와 같은 난연성 소재는 1,000℃ 이상의 고온 환경에 대한 저항성을 갖기도 하며, LOI(한계산소지수·Limited Oxygen Index)이 30 이상인 것도 있다. 따라서 이러한 기술들을 이용하여 난연 소재가 단순히 의류 제품뿐만 아니라 방호제품이나 수송기기재, 건축재료, 특수공업자재로 활용되고 있다.

 

한편 개인 병사체계에 있어서 전투복은 가장 기본적이면서도 전투원의 생존성을 보장하기 위한 핵심 피복이다. 따라서 각국에서는 전투복에 기능성을 부과하기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있는데, 이때 적용되는 기능성의 대표적인 예로는 주·야간 감사장비로부터의 노출을 최소화하기 위한 위장성(Camouflage)이나, 항균성, 흡한속건성, 방충성과 같은 쾌적성 등이 있다. 

 

또한 전투원의 전투지속 시간을 증가시키기 위한 경량성이나 열적 스트레스를 감소시키기 위한 소재의 개발도 진행되고 있다. 이 가운데에서, 전투복의 개발 시에 전투원의 생존성 향상을 위한 기능의 부여가 우선 시 되면서, 난연 성능을 부여하기 위한 연구가 가장 활발하게 진행되고 있다. 

 

난연 소재의 중요성이 증가하게 된 계기는, 미군이 다양한 전장 상황 속에서 개인병사의 피해 형태를 분석한 결과 개인화기 등의 공격무기에 의한 직접적인 사상보다 다양한 전장상황에서 발생되는 화재에 의한 것이 더 많다는 것을 인지하였기 때문이다.

 

특히 화염에 의한 피해로 화상이 가장 큰 비중을 차지하는데, 이는 신체에서 2℃ 이상의 화상정도가 증가할수록 사망률이 증가하기 때문이다.

 

따라서 화염으로부터 개인 병사의 생존성을 보장하기 위해 미군에서는 승무원 전투복(전차병복)이나, 항공피복을 포함한 다양한 피복류에 난연 소재를 적용하고 있다.

미군의 피복체계 중에서도 한국군에게 가장 잘 알려진 방한복 레이어링 시스템(ECWCS2)등에 난연 성능을 추가(FREE3)하기 위한 연구가 진행되고 있다.

 

▲ 미군의 난연섬유 피복 포트폴리오     © TIN뉴스

 

한편, 난연 섬유에 대한 미군의 개발 중점은 불에 대한 저항성을 확보하는 것이지만, 실제 화염에 노출되었을 때 발생되는 열에너지가 인체에 도달하는 것을 최소화함으로써 화상을 방지하는 것도 중요하게 고려되고 있다. 이때 전자에 대한 품질 평가는 방염 테스트를 주로 하게 되는데, 이는 난연 소재를 일정 시간동안 불꽃에 노출시킨 뒤, 불꽃을 제거한 뒤로부터 화염이 사라지는 시간이나 전파된 거리 등을 측정하는 것이다. 이 방법은 현재 군에 가장 많이 적용되는 것으로, 한국군도 동일하게 적용하고 있다.

 

그러나 이 방법은 소재 자체에 대한 난연성의 측정은 가능하나, 앞서 설명된 열에너지에 의한 피해를 측정하기에는 부적합한 측면이 있다. 따라서 소방복에는 TPP6 test method(NFPA7 2112)나 Thermal shrinkage 등의 시험방법을 통해 인체 피해정도를 예측하고 있는데, 미군의 경우에는 난연 피복류에 ‘TPP방법’과 ‘Vertical Flammability Test’를 함께 적용하고 있다.

 

또한, 난연성 소재를 사용하더라도 실제 사람이 착용하는 단계에서는 디자인의 불완전에 의한 화염의 직접적인 노출이나 여러 가지 결함에 의한 취약점 등을 고려하여 완제품 상태에서 성능 평가방법도 새롭게 적용되고 있다. 대표적인 사례가 Pyroman을 이용하는 것이다.

 

이는 Flash fire에 일정시간 이상 시험편을 노출시킨 후 센서를 통해 전달되는 열에너지를 측정하여 화상 정도를 나타내는 것으로, 실제 제품을 착용한 상태에서 인체에 미치는 피해 정도를 예측하는 것이다. 다만, 이 방법은 1회 시험비용이 많고, 검사결과도 마네킹의 형태나 크기 따라 다소 차이가 있어 미군은 현재까지 난연 피복의 규격에 직접적으로 적용하지는 않고 전투복 등의 개발 단계에서 평가하고 있다.

 

한편, 소재를 납품하는 업체로부터 1년에 1회 이상 동일한 실험 결과를 요구하여 정기적으로 성능 평가를 진행하고 있다. 또한 미 육군의 개인병사체계와 관련하여 유일한 연구센터인 NSSC8에서는 기존의 TPP시험방법에 사용되는 시료의 크기가 너무 작아서 발생되는 문제점을 해소하고자 시료의 크기를 확대한 실험법을 자체적으로 개발하여 여러 가지의 결점 확인이 용이하도록 했다. 무엇보다도 Pyroman은 실제 완제품의 크기에 따른 결과의 오차를 방지하기 위해 여성용, 남성용 및 장비의 스펙 등으로 구분하여 총 4개를 운영하고 있다.

 

한편, 국내에서는 항공피복(고정익 및 회전익)에 난연 소재가 적용되어 왔으며, 최근 육군에서 회전익 항공 조종사용 피복에 위장무늬를 사용하면서도 난연성이 부여된 소재를 개발하여 적용하고 있다. 그리고 육군 전차병복과 해군의 승무원복에도 2017년도에 수행된 민간 기술수준 조사의 결과를 활용해 2018년부터 난연성이 부여된 피복의 개발을 추진하고 있다. 

 

반면, 미군은 2002년부터 개인병사체계의 조달 프로그램인 PEO9 solider를 진행하면서 5개의 프로젝트(SPIE10, SSL11, SWAR12, SW13, REF14)로 구분하여 450여개 이상의 품목을 체계적으로 개발관리 및 조달을 추진하고 있는데, 이 가운데 난연 소재는 PM-SPIE에서 별도의 로드맵을 세워 체계적으로 관리하고 있다.

 

무엇보다도 이러한 제품개발 프로젝트의 관리에 있어서 연구개발 시 완제품의 양산에 대한 개념을 도입하여, 원가, 운영 및 조달 가능성 등을 동시에 검토하고 있다. 이를 위해서 미 육군의 개인병사체계전문 연구소인 NSRDEC15를 포함한 다른 기관과 기업들이 상호 협조하여 체계적인 개발을 추진하고 있다. 

 

 

2. 난연 섬유 정의 및 개발동향

가. 난연 섬유란

난연 섬유란 제품이 불꽃에 접촉하고 있을 때는 타지만 불꽃을 제거하면 스스로 연소하는 것을 방지하거나 억제하도록 하는 소재를 말한다. 즉, 섬유자체가 타지 않도록 하는 것이 아니라 화재의 전파 능력을 상실하게 하는 소재를 말하는 것으로, 난연 대신 방염(防炎), 방화(放火) 등의 용어를 사용하기도 한다. 

 

이러한 난연성을 부여하는 방법에는 크게 두 가지가 있는데, 하나는 섬유용 고분자를 제조하기 위해 중합단계에서 난연 성능의 단량체를 공중합 하여 영구적으로 난연 기능을 부여하거나 방사단계에서 난연제를 직접 투입하는 방법이며, 다른 방법으로는 비영구적인 방법으로 섬유제품을 만들어 후가공을 하는 것도 있다.

 

그러나 이러한 난연 섬유는 기술 의존도가 매우 높고, 연구개발과 제조에 막대한 비용을 요구하므로, 해외의 몇 개 기업이 전 세계 시장을 지배하고 있는 실정이다. 대표적인 기업으로는 미국의 Dupont과 Westex, 네덜란드의 Tencate, 일본의 Kaneca Coporatio, 벨기에의 Solvay S.A., 오스트리아의 Lenzing AG, 미국의 PBI Performance Products 등을 들 수 있다.

 

한편, 난연 소재의 성능은 LOI로 판단하는데, 일반적으로 LOI를 28 이상 요구하고 있다. 이때 소재의 특징이나 LOI에 따라서 난연(Flame retardant), 내열(Heat resistant), 불연(Non-flammable) 등으로 분류하고 있다.

 

나. 난연 섬유의 개발동향

난연 섬유 제품은 개인 보호 장구는 물론, 자동차, 비행기와 같은 운송 수단의 내장재 및 인테리어용 소재 등의 다양한 분야에 사용되고 있기 때문에 여러 가지의 복잡한 기술들을 요구하고 있다. 따라서 대부분은 유명 제조회사의 브랜드를 중심으로 판매되는 경향이 있다.

 

대표적인 브랜드로는 Dupont의 Normex(미국), Wextex by Miliken의 Westex Ultrasoft(미국), PBI Performance Products의 PBI Gold(미국), Glen Raven의 GlenGuard FR(영국), TenCate의 TenCate Tecasafe plus(네덜란드) 등이 있이 있으며, 이들 업체가 전체세계시장의 대부분을 차지하고 있다.

 

1) 국외 난연 섬유의 개발 동향

현재까지 개발된 섬유가운데 난연성이 있는 것은 para-aramid(KevlarⓇ, TwaronⓇ), meta-aramid(Nomex), PBI16, PPS17, PBO18과 같은 고강도 제품과 소재와 Rayon을 개질하여 소프트한 성질과 함께 난연성을 부여한 Lenzing의 FRⓇRayon제품 등이 있다. 이때 Aramid는 Dupont에서 최초로 개발한 것으로 초고강도 섬유로 가장 많이 알려져 있으나, 최근에는 ZylonⓇ으로 알려진 PBO가 난연성 및 강도를 포함한 대부분의 성능에서 aramid 섬유를 앞서고 있다.

 

▲ 아프카니스탄에 파병된 미국 해병대원들이 난연전투복을 착용하고 이동 중이다.     © TIN뉴스

한편, 군에서 사용되고 있는 난연 전투복류는 Aramid 계열의 소재가 주로 사용되었는데, 이 소재는 염색이 불가능하여, 위장 무늬를 적용하기가 어려운 단점이 있어, 주로 단색으로 사용되고 있다.

 

그러나 최근에는 DefenderTM M 프로젝트를 통해서 Lenzing과 Tencate Southern Mills가 공동으로 개발한 소재 등을 이용하여 UCP19나 OCP20가 날염된 화염방지용 전투 피복 2종(Type I, II)을 개발하여 보급하고 있다.

 

그러나 TPP(NFPA 2112, section 8.2 항목) 기능의 추가와 동시에 젖은 상태에서도 Type I, II에 비해 강도가 더 큰 Improved DefenderTM M(Type III) 및 ResQTM, Sigma 4 StarTM (Type IV) 등의 2종을 추가적으로 개발하여 보급하고 있다. 이 중 Type III는 Tencate사에서 2010년부터 개발하기 시작한 것으로 예상되며, 기존 제품에 비해 중량은 다소 증가하지만, 난연성, 쾌적성 및 물리적 특성 등이 현저하게 증가된 제품으로 추정된다.

 

또한 ResQTM은 Miliken사에서 개발했으며, SigmaTM 4 Star는 ITG(International Textile Group)사에서 개발한 것으로 젖은 상태에서도 인열강도가 Type I, II에 비하여 2배 이상 큰 것이 특징으로 알려져 있으나, 세부적인 정보는 공개되지 않는다. 

 

한편, Gore사에서는 기존의 위장무늬가 적용된 난연 전투피복의 단점인 강도저하를 보완한 제품(PYRADⓇ)을 개발하여, 미군을 비롯한 NATO군 등에 공급하고 있다. 그리고 기존의 투습방수 기술과도 접목하여 동계용 전투피복의 쾌적성 및 내구성을 지속적으로 향상시키고 있다.

 

가장 대표적인 난연 섬유인 NomexⓇ와 KevlarⓇ는 aramid 계열로 DuPont에서 개발되었는데, 경쟁사들의 새로운 소재 개발과 성능향상에 대응하기 위해 지속적인 개선을 추구하고 있다.

 

이를 통해 군사목적에 특화하여 경량이면서도 화염으로부터 보호할 수 있도록 Nomex Limited wear라는 제품을 개발하여 통해 난연 섬유로서의 경쟁력을 확보하고자 노력하고 있다. 한편, aramaid계열의 난연 섬유는 다른 고강도 섬유와 달리 일본의 Teijin에서도 para 계열을 개발하여 TwaronⓇ이라는 상품명으로 판매를 하고 있고, 국내 기업에서도 다른 상품명으로 생산 및 판매를 하고 있다.

 

미군은 2006년 이라크 파병군들이 폴리에스터와 나일론이 혼방된 제품을 착용토록 하였으나, 발화 과정에서 용융에 따른 피부에 접촉 시 화상을 일으키는 피해가 있어 누수(anti -drip) 및 용융방지(anti-melt) 기능의 티셔츠가 개발되기 시작하였다. 이후 FROG21라는 명칭으로 프로젝트가 진행되어 화상으로부터 인체를 보호하기 위해 427℃(800F)이하의 화염, 열, 발화로부터 인체 보호가 가능한 난연 의류를 개발하기도 하였다.

 

이러한 난연성 소재의 관심은 여러 전시회를 통해서도 확인이 가능한데 2017년 독일에서 진행된 A+A산업안전전시회가 가장 대표적인 예라 할 수 있다. 그러나 이러한 전시회를 통해서 확인 할 수 있는 사실은 보호복에 사용되는 소재가 기존에 개발되어 있는 것에서 추가적인 개발은 거의 없는 상태이며, 다양한 소재의 혼방 및 혼섬, 직물 구조 변화를 통한 유연성 개선 등이 개발의 주된 동향이라는 것이다.

 

2) 국내 난연 섬유의 개발 동향

난연성 섬유소재에 기술은 대부분 외국의 유명 브랜드들이 가지고 있으며, 실제 시장 점유율에 있어서도 큰 비중을 차지하고 있다. 이러한 이유로 국내에서 제조되고 있는 소방복 등의 원천 소재는 대부분 미국이나 일본 등으로부터 수입을 하고 있으며, 이 소재를 봉제하여 완제품을 생산하는 것이 일반적인 형태이다. 다만, 현재 국내의 일부 기업에서는 원자재를 구입하고 이를 이용해 실을 제조하는 과정에서 메타 아라미드 섬유에 신축성과 항 필링성을 향상시킴으로서, 완제품에서 난연 기능을 발현하면서도 착용성이 우수한 소재를 개발한 사실도 있다.

 

한편, 육군에서는 2017년부터 난연 성능을 가지면서 5도색의 디지털무늬가 적용된 항공피복을 보급하기 시작하였는데, 이는 2012년부터 2014년까지 개발을 진행하여 난연성을 가지면서도 주간 위장이 가능하도록 디지털무늬로 염색된 피복의 개발 결과였다. 그리고 2018년도에는 해군의 함상복, 육군의 궤도차량 승무원 점퍼 등에 난연성을 부여한 피복의 개발을 추진하고 있다.

 

이들은 모두 염색이 가능하도록 난연성이 부여된 rayon과 아라미드 섬유 등을 혼방한 것으로 우수한 염색 견뢰도를 보유한 것이 특징이다. 이들 제품의 기능과 섬유의 혼용률 등으로 볼 때 미군의 Type I(FR Rayon 65/Para-Aramid 25/Nylon 10)이나 Type II(Meta-Aramid 43/Nylon 30/Cotton/27)와 유사한 수준으로 볼 수 있다.

 

그러나 해군에서 과거에 민군기술협력 사업을 통한 정부투자로 배에서 착용하는 전투복을 통합하면서 다양한 기능성(난연성, 흡한속건성, 발수성, 발유성, 위장성)을 부여한 함상복의 개발을 추진하고자 하였으나, 여러 가지 성능을 동시에 충족시키는 데 실패한 사례도 있다.

 

그리고 국내 기업에는 난연 소재에 후가공을 통한 발수, 발유성의 부여가 가능한 기술이 개발된 것으로 알려져 있으나, 군에서 요구하고 있는 난연성(탄화거리, 잔진 및 잔염시간 등)의 충족여부에 대해서는 아직 발표된 자료가 없어 성능의 입증은 되지 않은 상태이다. 또한 국내의 섬유 관련 대기업에서 특허권이 만료된 일부 소재에 대해서는 개발을 완료하여 방탄복이나 난연성 소재로의 대체를 추진하는 경우도 있다.

 

최근 난연과 관련하여 새로운 소재의 개발은 거의 없는 상태이다. 그러나 난연 소재의 단점인 강직성을 보완하거나, 완제품 상태에서의 쾌적성을 증가시키기 위하여 2가지 이상의 기능(내열성과 방검, 투습방수, 정전기 방지와 방수 및 쾌적성 보유)을 복합시키는 소재의 개발이 새로운 트렌드로 자리 잡고 있다.

 

따라서 군용 피복류의 난연성 확보를 위한 섬유 자체의 개발도 중요하지만, 개발 비용, 특허문제 등을 고려할 때 제직, 후가공 등 원천 소재 이외의 기술에 대한 관심도 가질 필요가 있다. 이는 과거에 이러한 난연 소재의 개발에 필요한 기술이 고강도 섬유나 슈퍼 섬유에 초점을 맞추고 있었으나, 최근에는 투습방수 기술, 위생성 부여, 스텔스 기술 등이 접목되는 형태로 기술의 진보를 꾀하는 것으로 부터 알 수 있다.

 

현재 국내 대기업에서도 일부 소재에 대한 특허권 만료에 따라 고강도 섬유의 개발이 가능한 상태이며, 이미 상당부분 상용화를 이루고 있다. 따라서 단순히 고강에만 집중한다면 개인병사의 전투력 지속을 위한 쾌적성 부여 기술 등에 있어서는 군사 선진국들에 비해 뒤쳐질 수 있으므로 이를 함께 고려한 소재의 개발이 중요하다 할 수 있다.

 

이때 FRⓇRayon은 세탁, 마찰 등에 의해 섬유의 난연 특성이 제거되지 않는 특징이 있어 미군에서는 아크릴과 나일론 등의 혼방을 통해 보호기능을 부여하고 동시에 위장성, 착용성 등이 개선된 제품을 보급하고 있다. 다만, Rayon이 타 섬유에 비해 물리적 성능이 낮아, Kevlar와 같이 난연성을 보유하면서도 강도가 높은 섬유와의 혼방을 하게 되는데, 이로 인해 염색된 제품의 세탁이나 일광 등에 대한 내구성이 낮아지는 단점을 가지고 있다.

 

<자료출처> 2019년 제74호 국방과학기술정보

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