PTFE(Polytetrafluoroethylene) 라미네이팅 투습발수직물의 총음압 최소화를 위한 필름 타입 별 기본 특성과 역학 특성 Basic and Mechanical Properties by Film Type to Minimize the Sound Pressure Level of PTFE Laminated Vapor-permeable Water-repellent Fabrics원문보기
This study investigates the sound properties of fabric frictional sound (SPL, ${\Delta}L$, ${\Delta}f$) according to the film type of PTFE laminated vapor-permeable water-repellent fabrics in order to understand the relationship between SPL and the basic properties of fabrics s...
This study investigates the sound properties of fabric frictional sound (SPL, ${\Delta}L$, ${\Delta}f$) according to the film type of PTFE laminated vapor-permeable water-repellent fabrics in order to understand the relationship between SPL and the basic properties of fabrics such as layer, yarn type, and thickness of fiber. This study accesses their mechanical properties and determines how to control them to minimize SPL. Eight PTFE laminated water-repellent fabrics, composed of four different film types (A, B, C, D) and with two different fabrics, were used as test specimens. Frictional sounds generated at 1.21m/s were recorded by using a fabric sound generator and SPLs were analyzed through Fast Fourier Transformation (FFT). The mechanical properties of fabrics were measured by KES-FB. The SPL value was lowest at 74.4dB in film type A and highest as 85.5dB in type D. Based on ANOVA and post-hoc test, specimens were classified into less Loud Group (A, B) and Loud Group (C, D). It was shown that SPL was lower when 2 layer (instead of 3 layer), filament yarn than staple, and thin fiber than thick were used. In Group I, shearing properties (G, 2HG5), geometrical roughness (SMD), compressional properties (LC, RC) and weight (W) showed high correlation with SPL however, elongation (EM) and shear stiffness (G) did with SPL in Group II.
This study investigates the sound properties of fabric frictional sound (SPL, ${\Delta}L$, ${\Delta}f$) according to the film type of PTFE laminated vapor-permeable water-repellent fabrics in order to understand the relationship between SPL and the basic properties of fabrics such as layer, yarn type, and thickness of fiber. This study accesses their mechanical properties and determines how to control them to minimize SPL. Eight PTFE laminated water-repellent fabrics, composed of four different film types (A, B, C, D) and with two different fabrics, were used as test specimens. Frictional sounds generated at 1.21m/s were recorded by using a fabric sound generator and SPLs were analyzed through Fast Fourier Transformation (FFT). The mechanical properties of fabrics were measured by KES-FB. The SPL value was lowest at 74.4dB in film type A and highest as 85.5dB in type D. Based on ANOVA and post-hoc test, specimens were classified into less Loud Group (A, B) and Loud Group (C, D). It was shown that SPL was lower when 2 layer (instead of 3 layer), filament yarn than staple, and thin fiber than thick were used. In Group I, shearing properties (G, 2HG5), geometrical roughness (SMD), compressional properties (LC, RC) and weight (W) showed high correlation with SPL however, elongation (EM) and shear stiffness (G) did with SPL in Group II.
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문제 정의
마지막으로 이를 바탕으로 직물의 총음압을 예측할 수 있는 모델을 제시함으로써, 투습발수직물의 소음을 최소화할 수 있는 기본 특성과 역학적 특성 조건을 제시하고자 한다. 그리하여 청각적 쾌적감을 높일 수 있는 고감성 스포츠웨어용 소재 개발을 위한 방안을 모색하는데 기여하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 PTFE 라미네이팅 투습발수직물의 필름 타입 별 직물의 소리특성인 총음압, 음압차, 주파수차를 살펴보고자 한다. 또한 직물 소리 크기를 결정하는 데 가장 중요한 소리 특성인 총음압과 직물의 기본 특성과의 관계, 총음압과 직물의 역학 특성과의 관계를 규명하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 PTFE 라미네이팅 투습발수직물의 필름 타입 별 직물의 소리특성인 총음압, 음압차, 주파수차를 살펴보고자 한다. 또한 직물 소리 크기를 결정하는 데 가장 중요한 소리 특성인 총음압과 직물의 기본 특성과의 관계, 총음압과 직물의 역학 특성과의 관계를 규명하고자 한다. 마지막으로 이를 바탕으로 직물의 총음압을 예측할 수 있는 모델을 제시함으로써, 투습발수직물의 소음을 최소화할 수 있는 기본 특성과 역학적 특성 조건을 제시하고자 한다.
또한 직물 소리 크기를 결정하는 데 가장 중요한 소리 특성인 총음압과 직물의 기본 특성과의 관계, 총음압과 직물의 역학 특성과의 관계를 규명하고자 한다. 마지막으로 이를 바탕으로 직물의 총음압을 예측할 수 있는 모델을 제시함으로써, 투습발수직물의 소음을 최소화할 수 있는 기본 특성과 역학적 특성 조건을 제시하고자 한다. 그리하여 청각적 쾌적감을 높일 수 있는 고감성 스포츠웨어용 소재 개발을 위한 방안을 모색하는데 기여하고자 한다.
본 연구에서는 PTFE 필름 라미네이팅 투습발수직물을 대상으로 직물 마찰음의 총음압과 직물의 기본 특성, 역학 특성과의 관계를 고찰함으로써, 가공 방법이 통제된 상태에서 다른 요인들을 어떻게 제어해야 마찰음을 최소화 할 수 있는지를 살펴보았다.
제안 방법
녹음된 직물소리를 FFT(Fast Fourier Transformation) 분석을 통하여 얻은 음향 스펙트럼에 기초하여, 직물음압 레벨인 총음압(Sound Pressure Level, SPL)을 계산하였다. 또한 음향 스펙트럼 모양을 수치화한 선행연구(Lee & Cho, 1999)에서 고안된 소리특성 변수인 음압차(level range, ∆L), 주파수차(frequency difference, ∆f)를 계산하였다(Fig.
발생된 소리는 고성능 마이크로폰(Type 4190, B&K, Denmark)을 이용하여 녹음되었다.
직물 마찰음의 총음압에 영향을 미치는 직물의 기본 특성과 역학 특성을 복합적으로 고려한 다중회귀분석을 통해 직물 마찰음의 총음압 예측 모델을 개발하였다. 그룹I의 경우, 총음압을 예측할 수 있는 회귀식에는 전단 강성(G), 압축 회복력(RC), 기본특성인 layer가 포함되었으며(Table 8), R2값이 1로 나와 해당 변수들로부터의 총음압 예측력이 매우 우수함을 알 수 있었다.
투습발수직물을 총음압의 크기에 따라 두 그룹으로 나누어 역학특성과 총음압과의 관계를 살펴보았다. 그룹 I을 대상으로 직물의 역학 특성과 총음압과의 상관관계를 분석한 결과는 Table 6와 같다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 시료는 A, B, C, D 4가지 타입의 PTFE 필름이 라미네이팅된 투습발수직물로, PTFE 필름 타입 별로 각각 2종씩 총 8종이다. 이들 시료는 GORETEX®사에서 제공되었으나 필름 타입 별 조성이나 제조 방식 등에 관해서는 정보를 제공받지 못했다.
직물의 소리는 잔향이 발생하지 않는 무향실(anechoic room, background noise=10 dB)에서 직물소리 발생장치를 이용하였다. 이 때, 직물의 마찰 속도는 젊은 남성이 가볍게 뛸 때(jogging), 팔꿈치 부위가 몸통과 마찰되는 평균 속도(1.
데이터처리
자료의 분석은 SPSS 통계 패키지(Ver. 12.0)와 SAS 통계 패키지(Ver. 9.1.3)를 이용하여 분산분석(ANOVA)과 사후 검정, Wilcoxon의 순위검정, Pearson 상관분석, 다중회귀분석을 실시하였다.
이론/모형
또한 음향 스펙트럼 모양을 수치화한 선행연구(Lee & Cho, 1999)에서 고안된 소리특성 변수인 음압차(level range, ∆L), 주파수차(frequency difference, ∆f)를 계산하였다(Fig. 1).
역학 특성은 직물의 고유한 특성이므로, 이를 파악함으로써 직물 마찰시 발생하는 소리에 미치는 주요한 영향요인을 파악할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 KES-FB system(Kato Tech, Ltd, Japan)(Kawabata, 1980)을 사용하여 시료의 인장, 굽힘, 전단, 압축, 표면 및 두께와 무게 등 6개 항목에 대하여 17가지 역학 특성을 측정하였다. 실험은 표준계측 조건(Matsudaira et al.
본 연구에서는 KES-FB system(Kato Tech, Ltd, Japan)(Kawabata, 1980)을 사용하여 시료의 인장, 굽힘, 전단, 압축, 표면 및 두께와 무게 등 6개 항목에 대하여 17가지 역학 특성을 측정하였다. 실험은 표준계측 조건(Matsudaira et al., 1985)하에서 실시되었다.
성능/효과
PTFE 필름 타입 별 소리 특성에 영향을 미치는 요인에는 layer, yarn type, 섬유의 굵기가 도출되었으며, 2 layer, 필라멘트사, 얇은 섬유로 제직된 직물에서 낮은 총음압이 발생하는 것으로 나타났다.
PTFE 필름 타입 별 총음압은 필름 타입 A의 경우(74.4 dB)가 가장 낮고, 필름 타입 D(85.5 dB)가 가장 높게 나타났으며, 필름 타입에 따라 덜 시끄러운 그룹I(A,B)과 시끄러운 그룹(C,D) 그룹II으로 나눌 수 있었다.
이는 관련 선행연구(Cho, 2006; Lee & Cho, 2001)에서 다양한 직물들(모: 48 dB-55 dB, 견: 36 dB-52 dB, 나일론: 44 dB-61 dB)에 비해 시끄러우며, 코팅 가공되지 않은 폴리에스테르나 나일론(폴리에스테르 새틴: 34-50 dB, 나일론 태피터: 45-62 dB)에 비해 마찰음이 더 큼을 알 수 있다. PTFE 필름 타입 별로 총음압 차이를 살펴보면(Fig. 3), PTFE 필름 타입 A의 경우가 74.4 dB로 가장 낮고, D의 경우가 85.5 dB로 가장 높게 나타났으며, 분산분석 결과 PTFE 필름 타입에 따른 총음압이 유의적인 차이를 유발하는 것으로 나타났다(Table 2).
Yarn type과 총음압의 관계를 살펴보고자, 필라멘트사와 방적사의 시료가 속한 그룹 II의 시료로 T-test와 비모수 검정을 실시한 결과는 Table 4과 같다. 경사와 위사가 모두 필라멘트사인 C-1, C-2, D-2 시료의 경우 총음압은 약 80 dB이었으며, 위사가 방적사인 D-1 시료의 경우는 약 85 dB로, 방적사가 포함된 실로 이루어진 직물이 필라멘트사로 구성된 직물보다 더 시끄러운 것으로 나타났다. 이는 긴 한 가닥의 섬유로 직물을 만들어 직물의 표면이 매끄러운 필라멘트사 직물과는 달리, 방적사 직물은 짧은 섬유들로 구성되어 실의 표면이 매끄럽지 않기 때문에 더 큰 마찰음이 발생한 것으로 생각된다.
직물의 역학 특성 중 인장 특성인 신장성(EM)과 인장 에너지(WT)는 필름 타입 B가 가장 크고, D가 가장 작게 나타났으며, 인장 회복력(RT)은 이와는 반대의 경향을 보였다. 굽힘 특성에 해당하는 굽힘강성(B)와 굽힘이력(2HB), 전단 특성에 해당하는 전단강성(G)와 전단이력(2HG5)에서도 필름 타입 D가 다른 타입의 필름에 비해 월등히 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 압축 특성인 압축 에너지(WC)와 압축 회복력(RC), 표면 특성에 해당하는 마찰 계수의 표준편차(MMD)와 표면 거칠기(SMD)는 필름 타입 A, B보다 C, D가 더 큰 값을 갖는 것으로 나타났으며, 두께(T)와 무게(W)는 필름 타입 D의 직물이 가장 큰 값을 갖는 것으로 나타났다.
직물 마찰음의 총음압에 영향을 미치는 직물의 기본 특성과 역학 특성을 복합적으로 고려한 다중회귀분석을 통해 직물 마찰음의 총음압 예측 모델을 개발하였다. 그룹I의 경우, 총음압을 예측할 수 있는 회귀식에는 전단 강성(G), 압축 회복력(RC), 기본특성인 layer가 포함되었으며(Table 8), R2값이 1로 나와 해당 변수들로부터의 총음압 예측력이 매우 우수함을 알 수 있었다. 이같은 회귀식을 바탕으로 전단 강성, 압축 회복력을 낮춰, 전단 방향으로의 변형이 쉽고, 압축 변형에 대한 회복력을 좋게 하면 총음압이 낮은 PTFE 필름 라미네이팅 투습발수직물을 제작할 수 있을 것으로 사료된다.
표면 특성에 해당하는 마찰 계수의 표준편차(MMD)와 표면 거칠기(SMD)역시 필름 타입 C, D 직물에서 큰 값을 가져(Fig, 8), 필름 타입 C, D의 직물이 필름 타입 A, B 직물보다 표면이 더 거침을 알 수 있었다. 두께(T)와 무게(W)는 필름 타입 D의 직물이 가장 큰 값을 가져(Fig. 9), 필름 타입 D 직물이 다른 직물보다 두껍고 무거운 직물임을 알 수 있었다.
4). 따라서 필름 타입 B는 가장 신장성이 좋고 인장이 잘 되지만, 변형에 대한 회복은 좋지 않음을 알 수 있었으며, 필름 타입 D는 신장성은 나쁘지만 인장 변형에 대한 형태 유지력이 뛰어난 시료인 것으로 나타났다. 또한 필름 타입 D는 굽힙 특성에 해당하는 굽힘강성(B)와 굽힘이력(2HB)이 다른 필름 타입에 비해 월등히 큰 것으로 나타나, 다른 필름 타입의 직물보다 뻣뻣하고 쉽게 굽혀지지 않음을 알 수 있었다(Fig.
인장 특성(EM)과 총음압은 부적 상관관계를 보여, 신축성이 좋은 직물일수록 덜 시끄러운 것으로 나타났다. 또한 전단 강성(G)은 그룹I의 경우와 동일하게 정적 상관관계를 보여, 바이어스 방향으로의 변형에 힘이 많이 드는 뻣뻣한 직물일수록 더 시끄러운 것을 알 수 있다.
따라서 필름 타입 B는 가장 신장성이 좋고 인장이 잘 되지만, 변형에 대한 회복은 좋지 않음을 알 수 있었으며, 필름 타입 D는 신장성은 나쁘지만 인장 변형에 대한 형태 유지력이 뛰어난 시료인 것으로 나타났다. 또한 필름 타입 D는 굽힙 특성에 해당하는 굽힘강성(B)와 굽힘이력(2HB)이 다른 필름 타입에 비해 월등히 큰 것으로 나타나, 다른 필름 타입의 직물보다 뻣뻣하고 쉽게 굽혀지지 않음을 알 수 있었다(Fig. 5). 전단 특성에 해당하는 전단강성(G)와 전단 이력(2HG5)에서도 필름 타입 D의 경우가 가장 큰 값을 나타내(Fig.
Layer와 총음압의 관계를 살펴보고자 2 layer의 시료와 3 layer의 시료가 속한 그룹 I의 시료로 독립표본 T-test와 비모수 검정을 실시한 결과는 Table 4과 같다. 분석 결과 layer에 따라 총음압에 유의적인 차이가 있는 것으로 나타났으며, 2 layer인 A-1, A-2, B-1 시료의 경우 총음압은 약 75 dB이었으며, 3 layer에 해당하는 B-2 시료의 경우는 약 77 dB로, 3 layer 시료의 마찰음이 2 layer 시료보다 더 시끄러움을 알 수 있었다. 라미네이팅 직물의 경우 층이 늘어나게 되면 2층으로 된 직물보다 더 시끄러운 소리를 내는 것으로 나타났다.
섬유의 굵기와 총음압과의 상관관계 분석 결과를 살펴보면(Table 5), 총음압과 섬유의 굵기는 정적인 상관관계를 보여, 섬유의 굵기가 굵을수록 더 시끄러운 경향을 나타냈다. 하지만, 경사와 위사 방향에서의 섬유의 굵기의 상관정도는 서로 차이가 없는 것으로 나타났다.
6), 다른 필름 타입의 직물보다 전단 방향으로의 변형이 더 어려움을 알 수 있었다. 압축 특성에 해당하는 압축 에너지(WC)와 압축 회복력(RC)은 필름 타입 A, B보다 C, D가 더 큰 값을 갖는 것으로 나타나(Fig. 7), 필름 타입 C, D가 사용된 직물은 푹신하고 벌키하며, 압축 변형에 대한 회복력이 더 우수한 것을 알 수 있었다. 표면 특성에 해당하는 마찰 계수의 표준편차(MMD)와 표면 거칠기(SMD)역시 필름 타입 C, D 직물에서 큰 값을 가져(Fig, 8), 필름 타입 C, D의 직물이 필름 타입 A, B 직물보다 표면이 더 거침을 알 수 있었다.
굽힘 특성에 해당하는 굽힘강성(B)와 굽힘이력(2HB), 전단 특성에 해당하는 전단강성(G)와 전단이력(2HG5)에서도 필름 타입 D가 다른 타입의 필름에 비해 월등히 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 압축 특성인 압축 에너지(WC)와 압축 회복력(RC), 표면 특성에 해당하는 마찰 계수의 표준편차(MMD)와 표면 거칠기(SMD)는 필름 타입 A, B보다 C, D가 더 큰 값을 갖는 것으로 나타났으며, 두께(T)와 무게(W)는 필름 타입 D의 직물이 가장 큰 값을 갖는 것으로 나타났다.
4, 5, 6, 7, 8, 9에 나타내었다. 인장 특성 중 신장성(EM)과 인장 에너지(WT)는 필름 타입 B가 가장 크고, D가 가장 작게 나타났으며, 인장 회복력(RT)은 이와는 반대의 경향을 보였다(Fig. 4). 따라서 필름 타입 B는 가장 신장성이 좋고 인장이 잘 되지만, 변형에 대한 회복은 좋지 않음을 알 수 있었으며, 필름 타입 D는 신장성은 나쁘지만 인장 변형에 대한 형태 유지력이 뛰어난 시료인 것으로 나타났다.
그룹 II 시료들의 역학 특성과 총음압과의 상관관계 분석 결과는 Table 7과 같다. 인장 특성(EM)과 총음압은 부적 상관관계를 보여, 신축성이 좋은 직물일수록 덜 시끄러운 것으로 나타났다. 또한 전단 강성(G)은 그룹I의 경우와 동일하게 정적 상관관계를 보여, 바이어스 방향으로의 변형에 힘이 많이 드는 뻣뻣한 직물일수록 더 시끄러운 것을 알 수 있다.
직물의 역학 특성 중 인장 특성인 신장성(EM)과 인장 에너지(WT)는 필름 타입 B가 가장 크고, D가 가장 작게 나타났으며, 인장 회복력(RT)은 이와는 반대의 경향을 보였다. 굽힘 특성에 해당하는 굽힘강성(B)와 굽힘이력(2HB), 전단 특성에 해당하는 전단강성(G)와 전단이력(2HG5)에서도 필름 타입 D가 다른 타입의 필름에 비해 월등히 큰 값을 갖는 것으로 나타났다.
7), 필름 타입 C, D가 사용된 직물은 푹신하고 벌키하며, 압축 변형에 대한 회복력이 더 우수한 것을 알 수 있었다. 표면 특성에 해당하는 마찰 계수의 표준편차(MMD)와 표면 거칠기(SMD)역시 필름 타입 C, D 직물에서 큰 값을 가져(Fig, 8), 필름 타입 C, D의 직물이 필름 타입 A, B 직물보다 표면이 더 거침을 알 수 있었다. 두께(T)와 무게(W)는 필름 타입 D의 직물이 가장 큰 값을 가져(Fig.
필름 타입 별 직물의 역학 특성과 직물 마찰음의 총음압의 관계에서는 그룹 I의 경우, 전단 특성(G, 2HG5), 표면 거칠기, 압축 특성, 무게의 요인에서 상관관계를 보였다. 그룹 II의 경우에는 인장 특성(EM)과 전단 강성(G)에서 총음압과 각각 부적, 정적 상관관계를 보였다.
후속연구
또한 본 연구에서는 시료에 사용된 PTFE 필름의 물성과 처리 방법은 변수로 설정되지 않았으므로, 필름의 물성과 처리 방법에 따른 직물의 기본 특성, 역학 특성, 총음압에 대한 연구가 더 필요할 것으로 사료된다.
본 연구는 PTFE 필름 라미네이팅 투습발수직물의 마찰 소음을 감소시켜 청각적 쾌적감을 부여한 고부가가치 직물이 개발되는 기초 자료로 활용될 수 있을 것이며, 소비자에게 보다 나은 고감성 제품이 제안될 수 있도록 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
역학 특성은 직물의 고유한 특성이므로, 이를 파악함으로써 직물 마찰시 발생하는 소리에 미치는 주요한 영향요인을 파악할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 KES-FB system(Kato Tech, Ltd, Japan)(Kawabata, 1980)을 사용하여 시료의 인장, 굽힘, 전단, 압축, 표면 및 두께와 무게 등 6개 항목에 대하여 17가지 역학 특성을 측정하였다.
그룹I의 경우, 총음압을 예측할 수 있는 회귀식에는 전단 강성(G), 압축 회복력(RC), 기본특성인 layer가 포함되었으며(Table 8), R2값이 1로 나와 해당 변수들로부터의 총음압 예측력이 매우 우수함을 알 수 있었다. 이같은 회귀식을 바탕으로 전단 강성, 압축 회복력을 낮춰, 전단 방향으로의 변형이 쉽고, 압축 변형에 대한 회복력을 좋게 하면 총음압이 낮은 PTFE 필름 라미네이팅 투습발수직물을 제작할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
코팅 타입의 특징은?
투습발수직물은 여러 가지 방법으로 제조되고 있는데, 그 중에서 후가공으로 제조되는 방법에는 코팅 타입과 필름 라미네이팅 타입이 있다. 코팅 타입은 직물에 폴리우레탄 수지로 미다공의 코팅막을 형성하여, 얇은 피막을 형성하는데 용이하고, 다양한 코팅 표면처리 가공이 가능한 건식 코팅과 통기성, 볼륨감, 부드러운 촉감 등을 부여할 수 있는 습식 코팅이 있다. 필름 라미네이팅 타입은 이형지 위에 수지를 코팅하여 친수성 무공형 혹은 다공질 필름을 제조한 후, 이를 직물에 접착제로 접합시켜서 투습발수직물을 제조하는 방식으로, 현재 사용되고 있는 대표적인 라미네이팅 타입의 투습발수직물은 GORETEX®이다.
GORETEX®란?
필름 라미네이팅 타입은 이형지 위에 수지를 코팅하여 친수성 무공형 혹은 다공질 필름을 제조한 후, 이를 직물에 접착제로 접합시켜서 투습발수직물을 제조하는 방식으로, 현재 사용되고 있는 대표적인 라미네이팅 타입의 투습발수직물은 GORETEX®이다. 이는 투습발수 및 방풍 기능성 직물로, 불소계 수지인 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 필름을 사용한 직물이다. GORE-TEX®의 방수성은 65PSI로 일반 방수 직물의 방수성인 5PSI에 비해 매우 높으며, 투습성 역시 일반 코팅 직물보다 5.
투습발수직물을 후가공으로 제조되는 방법에는 어떤 것이 있는가?
투습발수직물은 여러 가지 방법으로 제조되고 있는데, 그 중에서 후가공으로 제조되는 방법에는 코팅 타입과 필름 라미네이팅 타입이 있다. 코팅 타입은 직물에 폴리우레탄 수지로 미다공의 코팅막을 형성하여, 얇은 피막을 형성하는데 용이하고, 다양한 코팅 표면처리 가공이 가능한 건식 코팅과 통기성, 볼륨감, 부드러운 촉감 등을 부여할 수 있는 습식 코팅이 있다.
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