KITECH 생산기술 전문지

나노섬유(nanofiber)는 수십에서 수백 나노미터 수준의 직경을 가지며, 높은 비표면적, 우수한 기계적 유연성, 다공성 구조 및 다양한 물질과의 복합화 가능성을 바탕으로 필터, 바이오소재, 에너지, 센서, 전자소자 등 다양한 산업 분야에서 핵심 소재로 주목받고 있다.[1] 특히 정밀한 표면 제어가 가능한 나노섬유는 기능성 코팅재, 선택적 흡착 소재, 약물전달 플랫폼 등으로 활용 가치가 높으며, 그 산업적 응용 확대를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 대표적인 나노섬유 제조 기술인 전기방사(electrospinning)는 비교적 간단한 장비 구성과 다양한 고분자 소재 적용이 가능하다는 장점을 갖고 있으나, 낮은 생산성, 제한된 섬유 정렬도 및 복잡한 구조 구현의 한계로 인해 대량생산 및 정밀제어가 요구되는 산업계의 수요를 충분히 충족시키지 못하고 있다.[2] 특히 단일 노즐 기반 전기방사는 시간당 수십 mg 수준의 낮은 생산량에 머무르며, 제트 불안정성으로 인해 나노섬유의 정렬, 위치 제어, 패턴화가 어려운 것이 현실이다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근에는 다양한 비정통 방사(unconventional spinning) 기술들이 주목받고 있다. 예를 들어, 니들리스(needleless) 전기방사는 노즐이 없는 개방형 방사구조를 통해 다중 제트 형성을 유도함으로써 생산량을 획기적으로 향상시켰으며, 일부 공정에서는 시간당 수백 g 수준까지도 달성 가능하다.[3, 4] 또한, 기계적 인장력을 이용한 핸드스피닝(handspinning)이나 니들스피닝(needle spinning), 트랙스피닝(track spinning)과 같은 방식은 고전압이 불필요하여 에너지 소비를 줄일 수 있고, 구조적 정렬과 섬유 직경 조절 측면에서 우수한 정밀 제어성을 보이고 있다.[5, 6] 이외에도 회전체 기반 원추형 방사, 기포를 이용한 폼방사, 열자기장 유도 패턴화 등 다양한 시도들이 섬유의 기능성과 생산 효율을 동시에 개선하기 위한 기술로 제안되고 있다. 본고에서는 기존의 전기방사 기술이 가지는 구조적·생산적 한계를 극복하기 위해 고안된 최신 비정통 나노섬유 제작 기술의 원리와 특징을 개괄하고, 특히 산업적 대량생산 관점에서 유망한 기술 요소들을 정리하고자 한다. 이를 통해 나노섬유 기반 응용소재의 실질적인 상용화 가능성을 모색하고, 향후 생산기술의 발전 방향에 대한 통찰을 제공하고자 한다.

키워드 전기방사, 나노섬유, 대량생산, 복잡구조구현