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Evaluation of Wrapper Fibre Percentage in Lyocell Air-Jet Spun Yarns: Development of a New Method and Analysis of Its Relationship to Yarn Properties

이 논문은 라이오셀 에어 제트 방적사의 래퍼 섬유 함량을 정량화하기 위한 객관적인 규칙 기반 방법을 소개하며, 이 함량이 짧은 노즐 간격에서 정점에 도달하는 반면, 실의 강도와 신율은 래퍼 함량과 비선형적인 관계를 보이며, 결과적으로 기계적 물성 향상과 모질 개선을 위해 더 긴 노즐 간격이 유리하다는 것을 입증한다.

원저자: Iva Mertová, Eva Moučková, Petra Jirásková

게시일 2026-11-05

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CC BY 4.0

원저자: Iva Mertová, Eva Moučková, Petra Jirásková

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

실 한 가닥을 단순히 하나의 단단한 줄이 아니라, 특정한 구조에 의해 결합된 미세한 섬유들의 묶음으로 상상해 보십시오. 현대 섬유 제조에서 이 묶음을 만드는 가장 효율적인 방법 중 하나는 에어 제트 방사(air-jet spinning)입니다. 섬유를 밧줄처럼 꼬는 대신, 기계가 소용돌이치는 공기를 쏘아 보냅니다. 이 힘은 주요 묶음에서 일부 섬유를 끌어내어 바깥쪽으로 감싸며, 내부의 섬유들을 고정하는 보호 껍질을 만듭니다. 그 결과로 만들어진 실은 강도가 높고 매끄러우며 생산 속도가 빨라 의류부터 의료용 섬유에 이르기까지 널리 사랑받습니다. 그러나 이 실의 강도와 촉감은 내부 코어와 외부 껍질 사이의 균형에 전적으로 달려 있습니다. 너무 많은 섬유가 외부에 위치하면 실이도드라지고 약해질 수 있으며, 반대로 너무 적으면 실이 해체될 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 정확히 몇 개의 섬유가 외부 껍질에 속하고 몇 개가 내부 코어에 속하는지 세는 문제로 어려움을 겪었으며, 종종 느리고 어렵거나 인간의 주관적인 추측이 개입될 여지가 많은 방법에 의존해 왔습니다.

체코 공화국의 리베레츠 기술 대학교(Technical University of Liberec) 연구진은 이러한 실의 내부를 들여다볼 수 있는 더 정밀하고 새로운 방법을 개발함으로써 이 문제를 해결했습니다. 그들은 나무 펄프로 만들어져 부드럽고 강하며 친환경적인 것으로 알려진 료셀(Lyocell)이라는 특정 유형의 섬유에 집중했습니다. 연구진은 섬유를 공급하는 롤러와 이를 회전시키는 노즐 사이의 거리라는 방사기의 특정 설정이 실의 구조를 어떻게 변화시키는지 이해하고자 했습니다. 그들은 표준 설정, 짧은 거리, 그리고 긴 거리라는 세 가지 다른 간격으로 실을 생산했습니다. 그들의 목표는 이 간격을 변경하는 것이 외곽 섬유와 내부 섬유의 비율을 변화시키는지, 그리고 그 변화가 실을 더 강하게 만드는지 혹은 더 약하게 만드는지를 확인하는 것이었습니다.

이 계산 문제를 해결하기 위해 연구진은 먼저 섬유를 수동으로 분리하려고 시도했으나, 외부 섬유들이 내부 섬유들과 너무 단단하게 엉켜 있어 이를 떼어내는 과정에서 구조가 파괴된다는 것을 발견했습니다. 그 후 그들은 현미경을 사용하여 실을 매우 얇게 절단하여 측면에서 섬유를 관찰했습니다. 기존 방식은 인간 전문가가 단면을 보고 어떻게 보이는지에 따라 어떤 섬유가 '코어'이고 어떤 것이 '래퍼(wrapper)'인지 결정해야 했습니다. 이는 주관적이었기에, 두 명의 서로 다른 전문가가 동일한 섬유를 다르게 셀 수도 있었습니다. 연구진은 이러한 추측을 제거하는 새로운 방법을 만들었습니다. 그들은 이미지 속 모든 개별 섬유 단면의 크기를 측정했습니다. 그들은 실의 정중앙을 따라 곧게 뻗은 섬유들은 완벽한 원형으로 보일 것이고, 바깥쪽을 감싸는 섬유들은 비스듬한 각도로 잘려 더 크고 길쭉한 타원형으로 보일 것이라는 점을 알고 있었습니다. 특정 크기보다 큰 섬유는 반드시 외각 껍질의 일부라는 엄격한 규칙을 설정함으로써, 컴퓨터가 계산하도록 만들었습니다. 심지어 그들은 중심 근처에 우연히 위치한 큰 섬유들을 무시하도록 이 규칙을 정교화하여, 오직 진정한 외곽층만을 세도록 했습니다.

이 새로운 객관적인 방법을 사용하여, 연구진은 기계 부품 간의 거리가 실의 구조에 지대한 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 가장 짧은 거리를 사용했을 때, 실은 전체 섬유의 약 30%에 달하는 가장 높은 비율의 외부 래퍼 섬유를 포함했습니다. 거리를 늘림에 따라 외곽 섬유의 수는 변했지만, 단순한 직선 형태로 변하지는 않았습니다. 가장 놀라운 발견은 이러한 구조가 실의 강도에 미치는 영향이었습니다. 연구진은 외곽 섬유가 많아질수록 초기에는 실이 더 강해지지만, 특정 한계점까지만 그렇다는 것을 발견했습니다. 외곽 섬유의 비율이 일정 수준을 넘어서면 실은 실제로 더 약해졌습니다. 이는 비스듬하게 감겨 있는 외곽 섬유들이 직선 형태의 내부 섬유만큼 효율적으로 잡아당기지 못하기 때문입니다. 외곽 섬유가 너무 많아지면, 실을 끊으려는 힘이 섬유가 감당할 수 없는 방식으로 분산되어 실이 더 빨리 파손되게 됩니다.

이 연구는 또한 실이 끊어지기 전까지 얼마나 늘어나는지(신도)와 표면에 얼마나 많은 느슨한 섬유가 돌출되어 있는지(보풀, hairiness)와 같은 다른 특성들도 조사했습니다. 결과에 따르면, 기계 부품 사이의 거리를 늘리는 것은 실을 더 강하게 만들고 실이 끊어지기 전 더 많이 늘어날 수 있게 했습니다. 동시에, 더 긴 거리는 표면에 돌출된 느슨한 섬유의 수를 줄여 더 매끄러운 실을 만들어냈습니다. 이는 섬유가 회전하기 전에 이동할 수 있는 공간을 더 많이 확보해 줌으로써 섬유들이 더 잘 정렬되고 더 조밀하고 효율적인 구조를 형성할 수 있음을 시사합니다. 연구진은 섬유 패킹의 조밀함 자체는 거리 변화에 따라 크게 변하지 않았지만, 섬유의 배열 방식은 변했다는 결론을 내렸습니다. 제조사들은 외곽 섬유의 비율이 실을 결합할 만큼 충분히 높으면서도, 코어를 약화시킬 정도로 너무 높지는 않은 최적의 지점을 찾아냄으로써 더 우수한 품질의 텍스타일을 생산할 수 있습니다. 이 새로운 섬유 계수법은 복잡한 구조를 이해하는 데 있어 추측을 넘어 규칙에 기반한 명확한 이해로 나아가는 신뢰할 수 있는 도구를 제공합니다.

기술 요약: Lyocell 에어제트 방적사의 래퍼 파이버(Wrapper Fibre) 비율 평가

문제 제정
에어제트 방적사의 성능은 나선형의 래퍼 파이버가 평행한 코어 번들을 함께 잡아주는 독특한 코어-래퍼 구조에 의해 근본적으로 결정된다. 이 래퍼 파이버의 비율은 사(yarn)의 거동을 모델링하고 기계적 특성을 예측하는 데 있어 중요한 구조적 매개변수이다. 그러나 이 비율을 정량화하는 기존 방법들은 상당한 한계를 지닌다. 수동으로 꼬임을 풀고 무게를 재는 전통적인 방식은 노동 집약적이며 파이버 손실이 발생하기 쉽다. Mertová와 Moučková(2020)의 "주파수법(frequency method)"을 포함한 이미지 기반 방식들은, 특히 Lyocell과 같이 비원형 섬유 단면을 다룰 때 코어 파이버와 래퍼 파이버를 구분하는 데 있어 주관적인 시각적 해석에 의존하는 경우가 많다. 또한, 래퍼 파이버 비율 및 후속 사 특성에 영향을 미치는 스피닝 노즐 간격( $L$ )과 같은 특정 기계 변수의 영향은 생산 최적화를 위해 추가적인 규명이 필요하다.

방법론
본 연구는 주관적인 시각적 분류에서 벗어나, Lyocell 에어제лот 방적사의 래퍼 파이버를 식별하고 정량화하기 위한 새롭고 객관적인 방법론을 도입한다.

시료 준비: Rieter J20 에어제트 방적기에서 100% Lyocell 사(20 및 30 tex)를 제조하였다. 세 가지 서로 다른 스피닝 노즐 간격( $L$ ) 구성(17.6 mm (Z-3 하우징), 19.6 mm (Z-1 하우징), 21.6 mm (Z+1 하우징))을 테스트하였다. 방사 압력 및 토출 속도를 포함한 다른 모든 매개변수는 일정하게 유지하였다.
이미지 분석법:
- 주파수법 (Frequency Method): 기준점으로 사용되었으며, 단면 이미지에서의 시각적 외관을 바탕으로 파이버를 주관적으로 분류한다.
- 직접법 (Direct Method): 새로운 규칙 기반 접근 방식이다. 단면적을 기준으로 코어 파이버와 래퍼 파이브 사이의 객관적인 경계선을 설정한다. 평행한 파이버 번들로부터 파이버 면적을 측정하여 평균 면적과 신뢰 구간을 결정하였다. 단면적이 상위 95% 신뢰 구간의 상한값(112 μm²)을 초과하는 파이버를 래퍼 파이버로 분류하였다.
- 수정된 직접법 (Modified Direct Method): 불완전한 평행성으로 인해 사 중심부에 가까운 파이버의 단면적이 크게 나타나는 문제를 해결하기 위해, 두 번째 조건을 추가하였다. 즉, 래퍼 파이버는 래퍼 리본 꼬임(twist)과 파이버 경사각을 기반으로 계산된 사 축으로부터 특정 반경 거리( $r$ ) 너머에 위치해야 한다.
물성 특성 분석: 사의 충전 밀도(단면의 절단법(secant method) 사용), 인장 강도, 신도(ISO 2062:2009), 그리고 헤어리니스(Zweigle G 567, 기준 S12 및 S3)를 측정하였다. 스피닝 노즐 간격이 이러한 특성에 미치는 유의성을 평가하기 위해 통계 분석(ANOVA)을 수행하였다.

주요 기여

객관적 정량화 방법 개발: 본 논문은 기존의 이미지 분석 기술에 내재된 주관성을 제거하는 "직접법"과 그 "수정된 버전"을 제시한다. 시각적 추정이 아닌 기하학적 규칙(단면적 및 반경 위치)을 사용함으로써, 이 방법은 더 재현 가능한 코어 및 래퍼 파이버 분류를 제공한다.
구조-물성 상관관계: 본 연구는 스피닝 노즐 간격( $L$ ), 그에 따른 래퍼 파이버 비율, 그리고 Lyocell 에어제트사의 기계적 성능 사이의 정량적 연결 고리를 확립한다.
임계 임계치 식별: 연구는 래퍼 파이버 비율과 사의 인장 강도 사이의 비선형 관계를 밝혀내어, 기계적 성능이 정점에 도달하는 임계 임계치를 지목하였다.

결과

래퍼 파이버 비율: 새로운 직접법은 문헌 값(약 30%)과 대체로 일치하는 래퍼 파이버 비율을 산출하였으나, 방법 및 사의 굵기에 따라 구체적인 값은 차이가 있었다. **직접법(미수정)**을 사용하여 결정된 가장 높은 래퍼 파이버 수는 가장 짧은 스피닝 노즐 간격( $L$ = 17.6 mm)에서 방사된 사에서 발견되었다. 수정된 직접법을 사용한 결과 역시 동일한 경향을 보였으나, 추가적인 반경 거리 제약 조건으로 인해 계산된 래퍼 파이버 비율은 더 낮게 나타났다.
스피닝 노즐 간격 ( $L$ )의 효과:
- 충전 밀도: 통계 분석 결과, 스피닝 노즐 간격( $L$ )은 두 사 굵기 모두에서 사의 충전 밀도에 통계적으로 유의미한 영향을 미치지 않았다.
- 인장 강도 및 신도: 래퍼 파이브 비율과 사의 인장 강도 사이에 비선형적 의존성이 관찰되었다. 인장 강도는 래퍼 파이버 비율이 특정 임계치(약 26%)에 도달할 때까지만 증가하며, 그 이후에는 기계적 성질이 저하된다. 그러나 스피닝 노격 간격( $L$ )을 늘리는 것은 20 및 30 tex 사 모두에서 인장 강도와 신도를 일관되게 향상시켰다. 이러한 개선은 더 긴 파이버 피딩 엘리먼트(FFE)에 의해 촉진된 코어 파이버의 직진성 향상 덕분이며, 이는 복잡한 래퍼 파이버 비율과의 관계에도 불구하고 코어 스트랜드의 성능을 높인다.
- 헤어리니스: 노즐 간격( $L$ )이 길어질수록 헤어리니스(특히 짧게 돌출된 파이버인 S12)가 감소하였는데, 이는 더 긴 파이버 피딩 엘리먼트(FFE)가 제공하는 더 나은 파이버 제어 능력에 기인한다. 반대로, 가장 짧은 간격( $L$ = 17.6 mm)에서 가장 높은 헤어리니스가 나타났다.
방법론 비교: 주파수법은 속도는 빠르나 주관적이다. 직접법과 수정된 직접법은 시간이 더 소요되고 수동 트레이싱이 필요하지만, 실제 래퍼가 아닌 중심부 파이버를 제외함으로써 더 높은 정확도와 객관성을 제공한다.

의의
본 논문은 제안된 방법론이 기존의 주관적 기술의 한계를 극복하여 고성능 에어제트 방적사의 구조 분석을 위한 견고하고 객관적인 도구를 제공한다고 주장한다. 스피닝 노즐 간격, 래퍼 파이버 비율, 그리고 사의 특성 사이의 관계를 명확히 함으로써, 본 연구는 Lyocell 파이버를 위한 에어제트 방사 매개변수 최적화에 관한 현재의 지식을 확장한다. 연구 결과는 스피닝 노즐 간격을 늘리는 것이 기계적 성질을 향상시키고 헤어리니스를 줄일 수 있음을 시사하며, 이는 산업적 응용 분야에서 사의 품질을 개선하기 위한 실질적인 경로를 제공한다. 래퍼 파이버 비율의 임계 임계치(~26%)를 식별한 것은 인장 강도를 극대화하기 위한 공정 최적화의 구체적인 목표를 제공하며, 또한 더 긴 노즐 간격이 우수한 인장 강도와 신도를 제공한다는 점을 확인시켜 준다.

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