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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 nylon 66를 이용하여 모노 필라멘트를 3개의 심사로 하여 중간층인 멀티필라멘트 소재의 조합을 달리한 복합구조 변화와 균일한 표면두께의 접착성을 가지도록 표면코팅 횟수를 달리하여 인장강도와 신도 즉, 타구감과 내구성을 보완한 string을 제조하여 그 특성을 조사하였다. 이는 기존의 상용되는 라켓 string의 물성에 비해 복합구조 변화에 의한 내구성 향상과 표면코팅 횟수 변화에 의한 타구감 향상효과를 증대하고자 한 점에서 연구의 의의가 있다.
- 본 연구는 연사 조건과 코팅 조건을 달리하여 제조한 4종의 배드민턴 string에 대하여 배드민턴 선수 및 일반인이 주로 사용하는 일본 YONEX의 제품과 비교 분석하여 그 성능을 조사하였다.
제안 방법
- String의 단면형태를 확인하고 string 단면의 직경을 측정하기 위하여 주사전자현미경(FE-SEM, S-3200N, HITACHI, Japan)를 이용하여 분석하였다.
- Figure 4는 string의 단면 내부의 구조를 알아보기 위해 SEM image를 확인한 결과이다. sample A는 멀티필라멘트 1890d의 겉사와 100 d 아라미드 중심사로 2회 열풍 코팅하였으며, sample B는 멀티필라멘트 1995 d의 겉사와 50 d 아라미드 중심사로 2회 코팅, sample C는 멀티필라멘트 1995 d의 겉사와 50 d 아라미드 중심사로 3회 열풍 코팅하였고, sample D는 멀티필라멘트 1890 d의 겉사와 100 d 아라미드 중심사로 3회 열풍 코팅한 시료이다. 시료의 코팅 횟수와 core의 denier에 따라 내부 섬유의 밀도가 다른 것을 눈으로 확인할 수 있다.
- 연사공정에서는 소재의 섬도, 꼬임 수, 연사 속도 등에 영향을 받으므로, 중심사의 가닥 수, 중심사의 데니어, 겉사의 수 등 여러 경우의 수로 나누어 반복 실험을 하였다. 내구성을 증가시키기위하여 20회까지늘릴 수있도록 braiding기 각도조정 및 원사의 tension 조정, 원사의 가닥 수 조정 등을 달리하여 string을 제조한 후, 인장실험을 통해 연사 조건을 조정하였다. 또한 copolymer의 유동성을 증가시켜 braiding된 원사에 디핑(dipping)하는 방식과 열풍 히터를 통한 열풍경화 방법에 의해 최적의 코팅 조건을 설정할 수 있었다.
- 이를 반복 강도측정을 통해 확인할 결과 중심사의 굵기 설정값에 따른 braid, 각도와 장력을 결정하는 기어(gear) 설정이 braiding에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 Table 1에 제조된 4 종류의 sample에서와 같이 최적의 강도와 신도를 가진 braid를 제조하기 위해 심사와 겉사의 가닥 수 조정을 하였다. Figure 3은 중심사와 겉사 사이에 원사 하나를 더 넣어서 braiding할 수 있는 장치, braid한 string 및 string의 이미지를 나타낸 것이다.
- 중심사인 nylon 66에 비하여 현저히 융점이 낮은 nylon 12와의 융점 차이를 이용하는 압출 코팅기 방식은 적절하지 않은 것으로 확인되었다. 따라서 copolymer를 먼저 용액에 분산시켜 유동성을 증가시킨 다음, braiding된 원사에 디핑(dipping)하는 방식과 열풍 히터를 통한 열풍경화에 의해 코팅하였다
- 73 mm 정도 굵기의 얇고 강한 줄로서, 굵기가 굵어질수록 내구성이 증가하지만 타구감이 떨어지기 때문에 많은 선수들이 대부분 가는 string을 선호한다[8]. 따라서 본 연구에서도 최대한 가늘면서도 내구성과 타구감을 만족할 수 있도록 코팅 시 최대한 얇게 하여 string을 제조하였다. SEM 촬영한 sample A, B, C 및 D의 직경을 측정한 결과, 전 세계적으로 인기있는 일본, 미국 등의 제품의 직경이 0.
- 열풍건조 코팅 및 와인딩: 열풍건조 코팅 시 copolymer가 휘발성이있는용액에녹였기때문에분산되어있던 copolymer가 아주 미세한 나노 분자 상태로 녹아(분산)있어 코팅 시 원사와의 접착력은 탁월하게 좋으나 휘발성 용액이 기화된 상태에서는 굳어져 계속 사용하기에 취약함이 있었다. 따라서 중심사를 먼저 침투력이 좋은 녹인 용액(분해물성)을 디핑한 후 한번 건조시키고, 그 중심사 위에 최적의 장력을 줄 수 있는 각도를 찾아 braiding 및 코팅하여 건조하였다.
- 또한 겉사에 디핑 후 건조시킨 결과 string이 미세하게 꺾이는 현상이 발생하였으나, 미세한 string의 꺾임 현상을 해결하기 위한 방안으로는 침투력이 가장 좋은 nylon 12 중 최적의 물성용액으로 먼저 중심사를 한번 코팅하는 것으로 해결할 수 있었다. 따라서 휘발성 용액에 분산된 휘발성분이 기화하여 copolymer의 굳어지는 응고현상으로 인한 장시간 사용하기 어려운 조건을 보완하기 위해 또 다른 고분자 copolymer chip을 결빙시킨 후 물속에서 분쇄해 휘발성이 없는 고분자 copolymer 용액을 확인하고 이 용액을 겉사에 코팅하였다.
- 모노 필라멘트인 나일론을 멀티필라멘트인 나일론으로 감싸는 방식의 braiding은 소재구성 및 섬도, 필라멘트 수 변화를 달리하여 최적의 장력을 가지도록 기어에 의한 각도 변화를 통해 조합하였으며, Table 1에 제조된 4종류의 sample을 나타내었다. 또한 braiding된 string의 코팅은 디핑(dipping)하는 방식과 열풍 히터를 통한 열풍경화 방식에 의해 코팅하였다. Figure 2는 용액 코팅에 이용할 노즐, 열풍건조로 및 열풍건조 후 속도를 조절하는 와인딩기를 각각 나타낸 사진이다.
- 본 연구에서는 원사를 고강도와 고탄성을 가진 aramid로 선정함으로써 string의 평균 인장특성이 향상된 string을 제조할 수 있었고, 그 결과를 Table 2에서와 같이 비강도, 인장탄성률, 인장강도 및 인장신도를 통해 나타내었다. 현재까지 배드민턴 라켓용 string의 내구성이나 타구감을 평가할 수 있는 국내 및 국제적 기준은 마련되어 있지 않으나, 국제적 라켓 생산 기업들이 주로 평가기준으로 채택하고 있는 비강도 및 인장강도 결과를 통해 내구성을 평가하였고, 인장탄성률과 유연성을 나타내는 인장신도를 통해 타구감을 평가할 수 있었다.
- Figure 3은 중심사와 겉사 사이에 원사 하나를 더 넣어서 braiding할 수 있는 장치, braid한 string 및 string의 이미지를 나타낸 것이다. 본 장치를 이용하여 중심사와 겉사 사이 아라미드 원사(50d와 100d)를 하나 더 넣어 엠보싱 효과가 나도록 braiding한 string을 제작할 수 있었다. 따라서 string에 미세한 꺽임(roll) 현상도 없었고, 중심사에 먼저 코팅 된 용액이 겉사에 코팅된 용액과 잘 결합함으로써 코팅접착력과 코팅두께를 두껍게 할 수 있어 가장 적절한 방법인 것을 확인할 수 있었다.
- 소재 조합별 연사공정에 따른 내구성 향상: 연사공정은 소재의 섬도, 꼬임 수, 연사 속도 등에 영향을 받으므로, 중심사의 가닥 수, 중심사(core)의 데니어, 겉사(sheath)의 수 등 여러 경우의 수로 나누어 반복 실험을 하였다. 타 제품의 string은 1 cm 당 stitch(겉사가 꼬여진 간격)가 통상 5−15회 정도이나 내구성을 위하여 20회까지 늘릴 수 있도록 braiding기 각도조정 및 원사의 tension 조정, 원사의 가닥 수 조정 등을 달리하였다.
- 연사공정에서는 소재의 섬도, 꼬임 수, 연사 속도 등에 영향을 받으므로, 중심사의 가닥 수, 중심사의 데니어, 겉사의 수 등 여러 경우의 수로 나누어 반복 실험을 하였다. 내구성을 증가시키기위하여 20회까지늘릴 수있도록 braiding기 각도조정 및 원사의 tension 조정, 원사의 가닥 수 조정 등을 달리하여 string을 제조한 후, 인장실험을 통해 연사 조건을 조정하였다.
- 인장시험은 Instron 3345(Instron Co., USA)를 사용하여 KS K 0409 시험규격에따라 length: 5 cm, total length: 15 cm, 인장속도: 10 mm/min에서 string의 비강도(tenacity), 인장 탄성률(tensile modulus), 인장강도(tensile strength) 및 인장 신도(tension extention) 등을 10회 측정 후 평균값을 구하였다.
- 코팅 물성시험 결과를 토대로 시판 nylon 12 standard 물성과 가장 탄력성이 좋은 물성을 가진 nylon 12 가운데 중심사와 겉사를 nylon 66으로 braid한 다음, 압출 코팅기를 통해 물성을 평가하였다. 그 결과 코팅의 횟수가 낮을 수록 내구성이 우수하며 nylon 66로 코팅하는 것이 타구감 향상의 적절하다고 판단하였다.
- 코팅 물성시험 결과를 토대로 시판 nylon 12 standard 물성과 가장 탄력성이 좋은 물성을 가진 nylon 12 가운데 중심사와 겉사를 nylon 66으로 braid한 다음, 압출 코팅기를 통해 물성을 평가하였다. 그 결과 코팅의 횟수가 낮을 수록 내구성이 우수하며 nylon 66로 코팅하는 것이 타구감 향상의 적절하다고 판단하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 string은 현재 배드민턴용으로 주로 사용되는 YONEX BG80®과 nylon 66의 모노필라멘트를 3개의 심사로 하여 주변을 nylon 66 멀티필라멘트로 감싼 후 브레이딩(braiding) 구조로 연사하여 코팅한 것으로 연사 조건과 코팅 조건을 달리하여 제조하였다.
- 과 nylon 66의 모노필라멘트를 3개의 심사로 하여 주변을 nylon 66 멀티필라멘트로 감싼 후 브레이딩(braiding) 구조로 연사하여 코팅한 것으로 연사 조건과 코팅 조건을 달리하여 제조하였다. 실험에 사용된 열가소성수지 코팅제, 침투제, 접착제, nylon 6, nylon 66, PET/aramid 고강력사, copolymer인 nylon 12 등은 CJ테크사로부터 제공받았으며, 그 외 사용한 시약은 모두 ㈜덕산으로부터 공급받은 실험용 일급시약을 사용하였다. 또한 사용한 기기인 표면코팅기(metering pump) 및 압출기(extruder) 등은 주문 제작한 HOT MELT COATING SYSTEM LAY OUT(nino 12, PALBOK, Co.
성능/효과
- 53 mm로 D string의 신장률이 가장 좋은 것으로 유연함을 알 수 있다. 4종의 sample string 중에서 배드민턴용으로 내구성과 타구감을 고려할 때, 강도는 강하지만 연신율이 좋은 D string이 가장 적절한 것으로 판단된다. 그러나 배드민턴용 string으로서 내구성과 타구감을 평가하기에 적절한 강도와 연신율에서 요구되는 특성은 강도는 강하지만 연신율이 우수한 것이 배드민턴을 칠 때 너무 강직하지 않고 유연하면서 끊어지지 않으므로 이에 인장강도와 인장신도가 가장 우수한 D string이 배드민턴용으로 적합한 것으로 생각된다.
- 따라서 본 연구에서도 최대한 가늘면서도 내구성과 타구감을 만족할 수 있도록 코팅 시 최대한 얇게 하여 string을 제조하였다. SEM 촬영한 sample A, B, C 및 D의 직경을 측정한 결과, 전 세계적으로 인기있는 일본, 미국 등의 제품의 직경이 0.68 mm 정도이지만 본 연구에서는 A, B, C, D sample 각각 0.82 mm, 0.78 mm, 0.75 mm 및 0.72 mm로 시중 제품에 비해 굵지만 타구감도 만족시키면서 강한 장력을 나타내는 string을 제조할 수 있었다. 특히 sample D가 가장 가는 string으로서 만족할만한 결과를 얻을 수 있었다.
- String에 요구되는 가장 중요한 성질인 타구감과 내구성을 보완시켜 현재 대부분 수입에 의존하고 있는 배드민턴용 string의 최적의 성능을 확보하기 위하여 연사 조건 및 코팅 조건을 다양하게 변화시킨 결과, 4종의 제조된 string 가운데 인장특성에서 sample D string이 내구성이 가장 강하고, 타구감도 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 코팅 물성시험 결과를 토대로 시판 nylon 12 standard 물성과 가장 탄력성이 좋은 물성을 가진 nylon 12 가운데 중심사와 겉사를 nylon 66으로 braid한 다음, 압출 코팅기를 통해 물성을 평가하였다. 그 결과 코팅의 횟수가 낮을 수록 내구성이 우수하며 nylon 66로 코팅하는 것이 타구감 향상의 적절하다고 판단하였다.
- 코팅물성시험결과를토대로시판 nylon 12 standard 물성과 가장 탄력성이 좋은 물성을 가진 nylon 12 가운데 중심사와 겉사를 nylon 66으로 braid한 다음, 압출 코팅기를 통해 물성을 평가하였다. 그 결과 코팅의 횟수가 낮을수록 내구성이 우수하며 nylon 66로 코팅하는 것이 타구감 향상에 적절하다고 판단하였다.
- 4종의 sample string 중에서 배드민턴용으로 내구성과 타구감을 고려할 때, 강도는 강하지만 연신율이 좋은 D string이 가장 적절한 것으로 판단된다. 그러나 배드민턴용 string으로서 내구성과 타구감을 평가하기에 적절한 강도와 연신율에서 요구되는 특성은 강도는 강하지만 연신율이 우수한 것이 배드민턴을 칠 때 너무 강직하지 않고 유연하면서 끊어지지 않으므로 이에 인장강도와 인장신도가 가장 우수한 D string이 배드민턴용으로 적합한 것으로 생각된다. 즉, D string이 인장특성에서 강도가 강하므로 끊어짐을 방지하고 탄성을 위한 유연성도 가질 수 있을 것으로 추측된다.
- 본 장치를 이용하여 중심사와 겉사 사이 아라미드 원사(50d와 100d)를 하나 더 넣어 엠보싱 효과가 나도록 braiding한 string을 제작할 수 있었다. 따라서 string에 미세한 꺽임(roll) 현상도 없었고, 중심사에 먼저 코팅 된 용액이 겉사에 코팅된 용액과 잘 결합함으로써 코팅접착력과 코팅두께를 두껍게 할 수 있어 가장 적절한 방법인 것을 확인할 수 있었다.
- 내구성을 증가시키기위하여 20회까지늘릴 수있도록 braiding기 각도조정 및 원사의 tension 조정, 원사의 가닥 수 조정 등을 달리하여 string을 제조한 후, 인장실험을 통해 연사 조건을 조정하였다. 또한 copolymer의 유동성을 증가시켜 braiding된 원사에 디핑(dipping)하는 방식과 열풍 히터를 통한 열풍경화 방법에 의해 최적의 코팅 조건을 설정할 수 있었다. 코팅물성시험결과를토대로시판 nylon 12 standard 물성과 가장 탄력성이 좋은 물성을 가진 nylon 12 가운데 중심사와 겉사를 nylon 66으로 braid한 다음, 압출 코팅기를 통해 물성을 평가하였다.
- 또한 겉사에 디핑 후 건조시킨 결과 string이 미세하게 꺾이는 현상이 발생하였으나, 미세한 string의 꺾임 현상을 해결하기 위한 방안으로는 침투력이 가장 좋은 nylon 12 중 최적의 물성용액으로 먼저 중심사를 한번 코팅하는 것으로 해결할 수 있었다. 따라서 휘발성 용액에 분산된 휘발성분이 기화하여 copolymer의 굳어지는 응고현상으로 인한 장시간 사용하기 어려운 조건을 보완하기 위해 또 다른 고분자 copolymer chip을 결빙시킨 후 물속에서 분쇄해 휘발성이 없는 고분자 copolymer 용액을 확인하고 이 용액을 겉사에 코팅하였다.
- 압출 코팅기를 통한 코팅 테스트 결과 nylon 12 물성의 유동성이 좋지 않아 압출기에서 밀려나오지 않는 문제가 발생해 nylon 12의 융점(178 ℃)으로 온도를 상승시켰으나 오히려 온도를 높일수록 물성이 타는 현상이 발생하였다. 중심사인 nylon 66에 비하여 현저히 융점이 낮은 nylon 12와의 융점 차이를 이용하는 압출 코팅기 방식은 적절하지 않은 것으로 확인되었다.
- 열풍건조 코팅 및 와인딩: 열풍건조 코팅 시 copolymer가 휘발성이있는용액에녹였기때문에분산되어있던 copolymer가 아주 미세한 나노 분자 상태로 녹아(분산)있어 코팅 시 원사와의 접착력은 탁월하게 좋으나 휘발성 용액이 기화된 상태에서는 굳어져 계속 사용하기에 취약함이 있었다. 따라서 중심사를 먼저 침투력이 좋은 녹인 용액(분해물성)을 디핑한 후 한번 건조시키고, 그 중심사 위에 최적의 장력을 줄 수 있는 각도를 찾아 braiding 및 코팅하여 건조하였다.
- 61 g/d로 sample D의 강도가 가장 큰 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 비강도와 마찬가지로 인장강도에서도 D string이 17.59 MPa로 가장 큰 것으로 보아 내구성은 sample D가 표준편차에서 큰 차이는 없지만 가장 큰 것으로 예상할 수 있었다.
- 타 제품의 string은 1 cm 당 stitch(겉사가 꼬여진 간격)가 통상 5−15회 정도이나 내구성을 위하여 20회까지 늘릴 수 있도록 braiding기 각도조정 및 원사의 tension 조정, 원사의 가닥 수 조정 등을 달리하였다. 이를 반복 강도측정을 통해 확인할 결과 중심사의 굵기 설정값에 따른 braid, 각도와 장력을 결정하는 기어(gear) 설정이 braiding에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 Table 1에 제조된 4 종류의 sample에서와 같이 최적의 강도와 신도를 가진 braid를 제조하기 위해 심사와 겉사의 가닥 수 조정을 하였다.
- 중심사의 연사 조건과 최소 두께의 코팅을 위해 일본 YONEX BG80® 제품을 중심사부분과 코팅 부분을 완전히 분리하여 분리된 중심사의 연사(꼬임) 조건과 코팅두께 등을 면밀히 검토하여, BG80®과 비교하면서 가장 적합한 중심사에 연사(꼬임)값 설정과 더불어 겉사의 꼬임수는 결국 겉사의 꼬임각도와 연관이 있음을 확인할 수 있었다.
- 압출 코팅기를 통한 코팅 테스트 결과 nylon 12 물성의 유동성이 좋지 않아 압출기에서 밀려나오지 않는 문제가 발생해 nylon 12의 융점(178 ℃)으로 온도를 상승시켰으나 오히려 온도를 높일수록 물성이 타는 현상이 발생하였다. 중심사인 nylon 66에 비하여 현저히 융점이 낮은 nylon 12와의 융점 차이를 이용하는 압출 코팅기 방식은 적절하지 않은 것으로 확인되었다. 따라서 copolymer를 먼저 용액에 분산시켜 유동성을 증가시킨 다음, braiding된 원사에 디핑(dipping)하는 방식과 열풍 히터를 통한 열풍경화에 의해 코팅하였다
- 72 mm로 시중 제품에 비해 굵지만 타구감도 만족시키면서 강한 장력을 나타내는 string을 제조할 수 있었다. 특히 sample D가 가장 가는 string으로서 만족할만한 결과를 얻을 수 있었다.
- 한편 라켓 string의 타구감은 인장탄성률과 인장신도를 측정함으로써 나타낼 수 있었는데, 인장탄성률은 비강도와 마찬가지로 A는 77.3 gf/tex, B는 71.4 gf/tex, C는 64.58 gf/tex, D는 54.13 gf/tex로 A가 가장 큰 결과를 나타내어 A string이 가장 역학적으로 강성재질로서 이는 연신이 힘들고 rigid함을 알 수 있고, 재질의 유연성이 낮아 타구감에도 영향을 미치는 것을 예상할 수 있다. 인장신도는 A가 42.
- 본 연구에서는 원사를 고강도와 고탄성을 가진 aramid로 선정함으로써 string의 평균 인장특성이 향상된 string을 제조할 수 있었고, 그 결과를 Table 2에서와 같이 비강도, 인장탄성률, 인장강도 및 인장신도를 통해 나타내었다. 현재까지 배드민턴 라켓용 string의 내구성이나 타구감을 평가할 수 있는 국내 및 국제적 기준은 마련되어 있지 않으나, 국제적 라켓 생산 기업들이 주로 평가기준으로 채택하고 있는 비강도 및 인장강도 결과를 통해 내구성을 평가하였고, 인장탄성률과 유연성을 나타내는 인장신도를 통해 타구감을 평가할 수 있었다. 즉, 일반적으로 string에 요구되는 성질로서 우수한 연신율과 적절한 강도(tension)는 string의 끊어짐을 방지하고 좋은 타구감을 낼 수 있기 때문이다.
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