21장 스포츠•레저 유기소재파이버공학과 길 명 섭

Contents I. 스포츠 분야 II. 레저분야 1.1 네트 및 깃발 2.1 행글라이딩 및 패러글라이딩 1.2 라켓 및 거트 1.1 네트 및 깃발 2.1 행글라이딩 및 패러글라이딩 1.2 라켓 및 거트 2.2 등산장비 1.3 야구장비 2.3 낚시장비 1.4 스키장비 2.4 요트 1.5 골프장비

서론 스포츠웨어 분야 스포츠· 레저 장비 •고도의 하이테크 소재 등장 - 패션성(fashionability) - 기능성(functionality) •지속적인 개량(고성능화) - 기록단축 - 레저 활동의 편리성 향상

1. 스포츠 분야 1) 네트 및 깃발 [무결정망] [유결정망] [라셀망] ① 스포츠용 네트 • 매듭이 있는 것(유결절망) • 매듭이 없는 것(무결절망): 80% 이상의 제품이 여기에 해당됨 - 원사의 강력 이용률이 높음 - 결절부가 없어 가공이 용이함 - 눈 등 부착물이 적음 - 바람의 저항이 적음 - 시계 방해가 적음 • 라셀망 - 생산성이 높으나 강력이용률이 낮음 - 공극률이 커서 옥외용의 면적이 큰 네트에는 사용하지 않음 [무결정망] [유결정망] [라셀망]

• 섬유의 종류: PE, 나일론, 폴리에스터, 비닐론 등 • 그물눈의 모양: 마름모형, 마름모이중형, 거북등무늬형, 격자형 등

• 요구특성 - 충격, 마찰 등의 물리적인 외력에 대한 강도와 강풍에 대한 인장이나 인열강도가 커야 함 - 환경요인(자외선, 비바람, 눈, 산성비 등)에 의한 물성 및 외관의 변형이 없어야 함 - 일광 및 염색견뢰도가 클 것(내후성) - 공막이 용도로 사용될 경우, 날아오는 공의 인식을 방해하지 않으면서 환경 경관을 훼손하지 말 것 - 위험구역의 칸막이 네트에는 인식성이 높은 색을 사용해야 함

② 깃발용 소재 - 주로 날염된 직물이 쓰임 - 직물의 소재는 양모, 면, 아크릴 섬유 등이 쓰임 • 요구성능 - 내후성, 발색성, 견뢰성, 방오성, 속건성 등 - 가볍고 펄럭임이 좋아야 함 - 벌레나 곰팡이의 침해가 없을 것

2) 라켓과 커트 ① 라켓 - 라켓 틀은 목재, 알루미늄 합금, FRP로 발전함 • 라켓 틀의 소재 헤드프로텍터 2) 라켓과 커트 ① 라켓 - 라켓 틀은 목재, 알루미늄 합금, FRP로 발전함 • 라켓 틀의 소재 - 라켓은 라켓 틀은 거트 슬리브, 헤드 프로텍터, 그립, 손잡이 가죽, 그립 엔드 캡 등으로 구성 - 거트 슬리브(초고강력 나일론)는 틀과 거트 사이에 위치하여 양쪽을 유지하는 역할을 하며 가볍고, 유연성이 있으며 내한성이 요구됨 - 헤드 프로텍터(초고강력 나일론, 폴리에스터 탄성체)는 틀 끝이 코트에 접촉될 때 FRP가 깎이거나 충격에 의한 진동을 방지하기 위한 것으로 경량, 유연성, 내한성, 내마모성이 요구됨 요크 거트슬리브 그립 엔드캡 그립

- 반응사출성형(*RIM): 두께 불균일이 적어 안정한 품질의 제품 제조 • 라켓 틀의 제조법 - 사출법 - 내압법 - 반응사출성형(*RIM): 두께 불균일이 적어 안정한 품질의 제품 제조 *RIM(Reaction injection molding): 혼합하여 프라스틱이 되는 두 물질을 섞어 몰드에 넣고 반응시켜 사출

② 거트(gut) - 라켓 틀 중간에 가로 세로 방향으로 팽팽하게 걸쳐있는 실 • 재질 - 양장거트(테니스, 배드민턴)는 양의 창자를 정제하여 꼬아 만든 것으로 고가이면서 내구성이 부족하여 라켓의 프레임에 큰 장력으로 거는 것이 어렵고 수분에 약함 - 고래힘줄(연식 정구용) - 나일론은 탄력성이 부족하고 늘어나기 쉬우나 질기고 취급이 용이하며 저렴함 - 기타 폴리에스터계 및 아라미드계가 쓰임

• 거트와 타구의 특성 - 거트를 팽팽하게 매면 타구는 잘 날아가지만 조절이 어려움 - 완만하게 매면 타구가 잘 날아가지 않으나 조절성이 좋음 - 타구의 회전성과 타구 시의 충격과 진동을 완화시킴

3) 야구장비 ① 탄소배트 - 야구배트의 재질은 목재, 금속, FRP 등임 - 이중 CFRP 배트는 경량화가 가능하며 중량의 조정폭도 넓어 배트설계의 범위를 넓게 해줌 • 요구특성 - 공을 때리기가 좋고, 쉽게 부러지지 않아야 함 - 중량 조정이 가능하며 손에 진동이 적게 느껴져야 함 길이: 42 in(106.6 cm) 굵은 부분 지름 6.98 cm

- 글러브의 표피재는 천연 소가죽과 합성 피혁이 사용됨 - 내부재는 공의 충격을 완화시킴과 동시에 회전을 반복하는 ② 글러브 및 미트 - 표피재와 내부재로 나누어짐 - 글러브의 표피재는 천연 소가죽과 합성 피혁이 사용됨 - 내부재는 공의 충격을 완화시킴과 동시에 회전을 반복하는 공을 받아야 하므로 내구성이 요구되며 흡한성과 투습성도 중요하며 주로 2-4 mm 두께의 양모가 많이 사용됨 [글러브] 합성피혁 - 겉보기 비중이 낮아 글러브의 중량을 20% 감소 시킬 수 있음 - 곰팡이가 생기지 않아 악취 발생 억제 - 염색견뢰도가 우수하고 색상이 선명함 - 소재의 손상이 적음 - 재단 효율이 높아 재료원가를 낮춤 천연피혁 - 인장강도와 인열강도는 합성피혁의 약 3배 - 흡습성, 흡수성 및 투습성이 우수함 [미트]

- 주로 폴리카보네이트 수지나 *ABS 수지를 사출성형에 의해 제조함 ③ 야구용 헬멧 - 주로 폴리카보네이트 수지나 *ABS 수지를 사출성형에 의해 제조함 - 내장용 소재로는 우레판 합성피혁이나 PVC 합성피혁이 사용됨 직접 머리와 접촉하는 생지는 촉감이 좋고 땀을 흡수하면 곧 건조되는 재료가 좋음 *ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene)

- 야구*규칙상 구조, 재료, 중량 및 크기가 정해져 있음 ④ 야구공 - 야구*규칙상 구조, 재료, 중량 및 크기가 정해져 있음 - 기본구조는 내부중앙에 고무심(1)을 두고 그 주위에 양모사(2)로 감고 그 위에 다시 면사(3)를 감은 후, 접착제를 도포하고 쇠가죽의 솔기(4)를 붙여 만듬(5) - 비거리가 일정해야 하므로 일정한 반발계수가 정해져 있음 - 양모사를 권취하여 피혁을 꿰맨 공은 천연소재이기 때문에 반발계수는 온도에 영향을 받기 쉬우므로 생산공정과 품질 관리가 필수적임 *중량은 5온스(141.7 g)에서 5 ¼온스(148.8g)이고 크기는 둘레로 9 in(22.9 cm)에서 9 ¼ in(23.5 cm) 범위임

• 고무심 - 코르크로 만든 심에 고무를 덮은 구조를 하고 있음 - 고무층의 두께는 6 mm 이고, 전체 직경은 34 mm, 중량은 22 g임 • 양모사 권취층 - 굵은 양모사(3.5 번수) 층과 가는 양모사(5 번수) 층으로 나누어짐 - 양모사 권취층은 타격 시 3톤에 달하는 충격을 흡수하여 파괴되지 않도록 지켜줌 - 타격 시 약 1/5 정도의 변형이 일어나고 타격이 지속됨에 따라 변형과 복원을 반복함으로 양모사 권취층이 매우 중요함

• 면사층 - 안쪽에 굵은 면사층(20 번수)과 바깥쪽에 가는 면사층(40 번수)으로 감음 - 면사층은 접착층 역할을 함 - 공의 변형을 억제하는 역할을 함 • 표피 - 규정에 따르면 백색 말가죽 및 쇠가죽을 사용해야 함 - 요구성능으로는 내마모성이 우수하며 방수성이 좋아야 함

4) 스키장비 ① 스키 판 - 스키 판에 사용되는 섬유소재는 유리를 비롯하여 탄소, 아라미드, 고탄성률 PE, 고탄성률 폴리에스터 등의 고성능 소재가 쓰임 - 탄화규소, 붕소, 타이탄산 칼륨 등과 금속계로 극세 금속섬유가 사용됨 - 기능과 비용의 관점, 취급의 용이성 등을 갖춘 소재는 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유 등임

- 가장 단순하고 많이 이용되는 것은 필라멘트 섬유가 로빙 상태로 스키 판의 길이방향 으로 된 형태임 • 섬유재료의 스키 판 적용 - 가장 단순하고 많이 이용되는 것은 필라멘트 섬유가 로빙 상태로 스키 판의 길이방향 으로 된 형태임 - 강성은 작지만 등방성에 가깝고 진동흡수성이 좋은 단섬유 부직포 매트를 이용함 - 로빙과 부직포 매트의 중간적인 성격으로 필라멘트 섬유의 교직물도 사용됨 - 고성능을 얻기 위하여 *바이어스(bias)나 **슬리브(sleeve)가 사용됨 - 휘스커와 접착제인 에폭시 수지를 배합하여 사용하면 스키 판 전체를 견고하게 하고 동시에 진동흡수성을 향상시킴 *바이어스는 스키 판 길이방향에 대하여 섬유의 방향이 45° 정도에서 배향된 상태를 말함 - 스키 판의 비틀림 강성이 증가하고 회전 시 눈과의 접촉성이 좋아짐 **슬리브는 중심재인 나무나 우레탄을 둘러싸 보다 견고한 구조체 제조가 가능

- 사출성형은 발포 폴리우레탄을 *RIM법으로 만든 중심재에 인발성형(pulrusion)법 • 성형방법 - 사출성형은 발포 폴리우레탄을 *RIM법으로 만든 중심재에 인발성형(pulrusion)법 등으로 미리 경화, 가공시킨 FRP 구조재료와 엣지 및 솔(sole) 재료, 표면재료 등을 함께 자기 접착시킴(초급자용) : 제조비용은 싸지만 인발성형법을 이용하기 때문에 섬유의 형태나 조합에 제약이 많아 성능 향상에 한계를 가짐 - 일체성형은 로빙, 매트 또는 프리프레그화한 구조재료와 중심재, 엣지 및 솔 재료, 표면재료 등에 직접 접착제를 도포하고 열과 압력을 가하여 성형을 하는 방법임(고성능 스키 판) : 슬리브, 바이어스 또는 탄소, 아라미드와 같은 각종 섬유를 복합화한 여러가지 성능을 얻는 것이 가능하지만 제조 비용이 높음 *RIM(reaction injection molding): 반응사출성형은 틀에 액체 폴리우레탄을 주입하는 방법

5) 골프장비 - 골프채는 샤프트(shaft), 헤드(head), 그립(grip)의 3가지로 구성됨 - 복합재료 적용 부분: 샤프트, 헤드 본체, FRP 헤드 내부, 페이스 인서트 등 ① 골프헤드 - 소재: 목재, 금속, FRP - FRP우드 헤드는 탄소섬유와 에폭지 수지가 주재료임 - 솔부와 심재인 발포체 및 수지를 함침시킨 탄소섬유를 금형에 넣고 열을 가하여 압착하는 방식임 : 중량이 주변부로 배분되기 때문에 관성모멘트가 커져서 타구의 방향성이 좋고 스윙 밸런스와 타구감도 우수함

② 골프 샤프트 - 소재는 목재, 금속, FRP 순으로 발전되어 왔으나 현재는 금속과 CFRP가 주류임 - 금속은 강도와 탄성이 우수하고 재질이 일정한 제품 제조가 가능함 : 탄소강, 망가니즈강, 크로뮴·몰리브데넘강 등 - FRP소재는 중량이 가벼워 헤드 중량을 올리는 것이 가능하게 함 : 헤드중량이 커지면 타구 시 발생하는 관성모멘트와 함께 가해지는 에너지가 커져 공을 멀리 보낼 수 있음 - FRP를 구성하는 섬유는 탄소섬유가 주로 쓰이나, 붕소섬유, 아라미드 섬유, 금속섬유와 복합하기도 함 - 샤프트의 요구특성은 중량, 휨, 토크, 콘트룰, 타구감 등임

스트레이트 층 - 샤프트 길이 방향으로 섬유를 배열한 층 바이어스 층 - 샤프트 길이 방향에 어느 정도 각을 가지면서 섬유를 배열시킨 층

2. 레저 분야 1) 행글라이딩 및 패러글라이딩 ① 행글라이딩 - 서양연이 원형이며 3개의 골격에 밀도가 높은 면직물을 덮어 만든 것 - 기체의 경량화를 위해 날개포를 포함한 각종 경량화가 과제 - 날개 면적에 작용하는 하중은 양력과 침하속도에 상관관계가 있음 · 6 kg/m2 이상은 침하속도가 커서 착지의 위험이 증가함 · 4 kg/m2 이하는 바람의 영향이 커서 비행자의 체중으로 조작이 불가능함 - 날개포 소재의 무게는 100~180 g/m2, 기밀성이 0에 가까운 폴리에스터 이축연신 필름(25~50 ㎛)에 폴리에스터 직물(고강력 50~150 d, 무게 50~100 g/m2)등을 적층함 날개포의 특성 - 기밀성 - 치수안정성 - 형태안정성 - 고강력, 저신도성 - 경량성 - 내후성

- 낙하산과 행글라이딩의 합성어로 기체 조각이 간편한 것이 특징임 ② 패러글라이딩 - 낙하산과 행글라이딩의 합성어로 기체 조각이 간편한 것이 특징임 - 원형 낙하산의 일부를 잘라내어 공기를 횡방향으로 방출 분산시키고 위에 우산 모양의 캐노피를 풍압으로 부풀려 날개 모양의 형태를 가짐(패러포일형) - 날개 포는 행글라이더용 날개와 유사하지만 작은 부피로 이동이 필요하므로 가볍고 부드러우며 기밀성이 우수해야 함 날개 천 - 폴리에스터 또는 나일론으로 30~50 g/m2 무게의 직물에 우레탄 수지 또는 실리콘 수지를 코팅함 : 도약 시의 펼침성, 치수안정성이 우수한 폴리에스터의 사용이 증가함 - 직물의 공기투과도는 0.1 cm3/cm2·s 이하가 바람직함 산줄(suspension line) - 중심에 파라형 아라미드 섬유에 겉에는 직경 3~5 mm 전후의 폴리에스터 섬유 스트랜드가 사용됨

2) 등산장비 ① 야영텐트 - 요구 특성으로는 차단성, 쾌적성, 안전성, 내구성, 조작 및 운반의 용이성 등임 쾌적성 - 외부로 부터 물의 침투와 내벽에서 수증기 응축 문제해결이 중요함 - 소재로는 통기성과 비통기성 소재가 있음 - 투습방수성 Teflon소재나 폴리우레탄 다공성 피막 으로 라미네이팅 및 코팅한 소재를 사용 - 방수포를 본체 상부에 겹쳐 사용 내구성 - 강도(인장강도, 인열강도), 내열성(-40~50 ), 내후성 (자외선 열화, 오존 열화, 가수분해) 등을 충분히 고려해야 함 - 개폐의 반복에 의한 접힘 부분의 손상, 내수성 저하 방지책이 필요함 - 보관을 위해 항곰팡이 및 항균 처리 안전성 - 호흡에 의한 산소 소비라든가 조명이나 연소기구 에 의한 산소 부족이나 일산화탄소 중독의 위험을 고려한 구조 설계 - 난연성 소재의 사용 조작성 및 운반성 - 설치 조작이 용이해야 함 : 설치 시 강한 바람이나 눈 등에서도 조작성이 우수 해야 함 성능이 유지되는 내에서의 경량화 와 부피축소가 요구됨

• 소재 - 투습방수소재: ·다공질 직물에 코팅 또는 라미네이팅하는 형태: 내수압이 우수하나 투습성이 떨어짐 예) 코팅형태: 내수압 0.05~0.1 kg/cm2, 투습도 4,000~5,000 g/m2· day 폴리우레탄 라미네이트 형태: 1~2 kg/cm2, 투습도 3,500~55,000 g/m2· day 고어텍스 라미네이트 소재: 1~3 kg/cm2, 투습도 7,000 g/m2· day ·고밀도 직물로 내수압을 유지하는 형태 : 투습성이 좋으나 내수압성이 낮음

- 코팅소재: ·코팅타입 초고내수압 고투습소재 : 폴리우레탄 코팅막을 초미립자 세라믹을 함유한 폴리우레탄 수지로 조정하여 5~10 ㎛ 의 폴리우레탄 특유의 세공과 세라믹에 의한 submicron이하의 형태가 다른 초미세공을 코팅막에 형성시켜 고내수성과 고투습성을 갖도록 함 · 비코팅 타입의 내수압 소재 : 폴리에스터 극세섬유(0.3 d, 0.5 d)를 이용한 고밀도 다층구조에 의해 고투습성과 내수성을 부여하며 발수성은 발수가공을 별도로 함

: 불소수지의 우수한 내약품성, 내열성, 비점착성, 발수성, 저마찰성, 전기절연성의 ·불소수지 섬유 : 불소수지의 우수한 내약품성, 내열성, 비점착성, 발수성, 저마찰성, 전기절연성의 특성을 수지막으로 코팅한 제품인 GoreTex가 대표적이며 일반적으로 섬유화가 어려우나 새롭게 개발됨 *PFA(tetrafluoroethylene-co-perfluoroalkylvinylether) PFEP(polytetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) PETFE(polyethylene-co-tetrafluoroethylene)

Kernmantel rope 세가닥 끈(hawser laid) ② 등산용 로프 - Hemp나 마닐라삼의 천연섬유가 사용되다가 현재는 나일론이 주로 사용됨 - 초기에는 3가닥 끈이 형태였으나 1951년에 Kernmantel 로프가 개발되어 큰 변화가 일어남 - 로프는 단사 수십 가닥으로 S꼬임으로 해서 스트랜드를 만들고 스트랜드 3~4줄 또는 8줄을 합쳐 Z꼬임으로 해서 만듬 세가닥 끈(hawser laid) Kernmantel rope

• 등산용 로프의 특징 - 꼬임이 발생하지 않음 - 일반 로프에 비해 유연하며 매듭이 잘 지어짐 - 경우에 따라서 색의 배치에 변화를 주어 여러 종류의 디자인 로프를 제조함

3) 낚시장비 무정형 합금섬유 탄소섬유 - 수지를 예비 함침한 프리프레그 시트를 심재에 적층하여 가열 성형한 후에 심재를 뽑아내어 제조함. - 낚시대는 요구특성은 가벼울 것, 신뢰성이 좋을 것, 휘어지는 상태가 적절하게 유지될 것, 감도가 좋고 진도특성이 우수할 것 등임 - 굽힘강도와 재료의 인장 및 압축강도의 균형을 고려하여 설계해야 함 무정형 합금섬유 탄소섬유

4) 요트 ① 요트용 범포(sail cloth) - 소재에 요구되는 특성: 내후성(특히, 염분), 기밀성, 고강도, 저신축성, 방향성이 없고 중량이 가벼울 것 - 목면이 주로 사용됐으나 현재는 아라미드나 폴리에스터 섬유가 사용됨 - 신소재로 *Spectra®, Vectran®가 쓰임 - 재단과 봉재가 좋아야 함 *Spectra: Honeywell에서 제조한 가볍고 고강도의 PE Vectran: Kuraray에서 생산하는 polyarylate 고강도 섬유