미용 제품용 그래핀 복합 섬유의 기계적 물성, 접착강도, 자외선 차단, 항곰팡이 효과 향상
Enhancement of Mechanical Properties, Adhesion Strength, Ultraviolet Shielding, and Antifungal Effect in Graphene Composite Fibers for Beauty Products
用于美容产品的石墨烯复合纤维的机械性能、粘合强度、紫外线屏蔽和抗菌效果的提高
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Abstract
목적
본 연구는 PBT 섬유에 환원된 산화 그래핀을 복합화하고, 섬유의 단면 형상을 조절하여 경량화, 접착 강도, 기계적 물성, 자외선 차단성, 항곰팡이 특성을 향상시킴으로써 미용 제품용 소재로의 활용 가능성을 평가하는 것에 목적이 있다.
방법
그래핀을 PBT 고분자에 복합화하고 섬유 단면을 원형 및 십자형으로 제작한 후, 섬유의 경량성, 접착강도, 인장강도, 신도를 분석하였다. 또한, 건열 및 열수 환경에서의 치수안정성, 자외선 차단성과 항곰팡이 효과를 평가하였다.
결과
섬유 단면 형상이 원형에서 십자형으로 변할수록 섬유의 중량이 감소하여 경량화되었으며, 접착 시 섬유 계면의 상호작용 증가로 인해 접착강도가 향상되었다. 또한, PBT 섬유에 소량의 그래핀을 첨가함으로써 인장강도 및 신도가 개선되었으며, 건열 및 열수 환경에서 치수가 안정적으로 유지되고, 자외선 차단성과 항곰팡이 효과가 확인되었다.
결론
그래핀 복합화 및 십자형 이형 단면 설계는 섬유의 경량화, 접착강도, 기계적 물성을 효과적으로 향상시켰으며, 치수 안정성, 자외선 차단성, 항곰팡이 효과 또한 확보하였다. 이를 통해 미용 제품용 인조 속눈썹, 메이크업 브러시 섬유로의 실용적 활용 가능성이 기대된다.
Trans Abstract
Purpose
This study evaluates the feasibility of utilizing polybutylene terephthalate (PBT) fibers in cosmetic products such as artificial eyelashes and makeup brushes by incorporating reduced graphene oxide and modifying fiber cross-sectional geometry to improve lightness, adhesion strength, mechanical properties, ultraviolet (UV) shielding, and dimensional stability.
Methods
Graphene was integrated into the PBT polymer, and fibers with circular and cross-shaped cross sections were fabricated. These fibers were assessed for lightness, adhesion strength, tensile strength, and elongation at break. Additionally, dimensional stability under dry heat and hot water, UV shielding efficiency, and antifungal performance were evaluated.
Results
The transition from circular to cross-shaped fiber geometry reduced fiber mass, enhancing lightness. Improved interfacial contact during bonding resulted in increased adhesion strength. The incorporation of graphene, even in small quantities, significantly enhanced tensile strength and elongation, maintained dimensional stability under thermal and hydrothermal conditions, and imparted effective UV shielding and antifungal properties.
Conclusion
The synergistic effect of graphene incorporation and cross-shaped fiber design significantly improved the lightness, adhesion strength, mechanical performance, dimensional stability, UV shielding, and antifungal activity of PBT fibers, indicating their practical applicability for cosmetic applications.
Trans Abstract
目的
评估将PBT纤维与还原氧化石墨烯复合并控制纤维的横截面形状以改善减重、粘合强度、机械性能、紫外线防护和抗真菌性能，从而将其用作化妆品材料的可能性。
方法
将石墨烯与PBT聚合物复合，并将纤维截面制成圆形和十字形后，分析了纤维的轻度、粘合强度、拉伸强度和伸长率，并评估了其在干燥和水热环境下的尺寸稳定性、紫外线阻隔性能和抗菌效果。
结果
随着纤维截面形状由圆形变为十字形，纤维重量减轻，且由于粘合过程中纤维界面相互作用增强，粘合强度提高。此外，在PBT纤维中添加少量石墨烯，提高了拉伸强度和伸长率，在干热和水热环境中尺寸保持稳定，并证实了其具有防紫外线和抗菌效果。
结论
石墨烯复合材料及十字形异形截面设计有效提升了纤维的减重、粘合强度和力学性能，同时确保了尺寸稳定性、防紫外线和抗菌性能。该纤维有望作为美容产品中的假睫毛和化妆刷纤维获得实际应用。
Introduction
섬유 기반 소재는 뷰티 산업에서 필수적인 역할을 하며, 특히 속눈썹과 브러시와 같은 제품군에 널리 활용되고 있다(Seol, 2008; Jung & Koo, 2010). 인조 속눈썹은 아이 메이크업(eye make-up)에서 자연스러운 볼륨과 길이를 부여하는 핵심적인 미용 요소로, 이를 구현하기 위해 다양한 고분자 섬유가 사용된다(Park, 2017; Lee & Han, 2017). 현재 인조 속눈썹 산업에서는 주로 나일론(nylon) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)와 같은 합성섬유가 사용되고 있으며, 이러한 소재는 우수한 기계적 물성과 안정적인 형태 유지력이 요구된다(Lapkovskii et al., 2006). 또한, 인조 속눈썹은 접착 시 안정적인 부착력을 갖추어야 하며, 장기간 사용 시 습기 및 열과 같은 외부 환경 요소에 대한 저항성을 지녀야 한다(Macdonald & Mays, 2024). 메이크업 브러시는 색조 메이크업을 하기 위해 필요한 도구이다. 눈과 입술 등 다양한 신체에 접촉하는 메이크업 브러시는 우수한 기계적 물성과 항균 및 항곰팡이의 특성을 필요로 한다(Heo & Kim, 2012). 이러한 이유로, 메이크업 용도로 사용되는 섬유의 물리적, 화학적 특성을 개선하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다(Lee et al., 2002; Wang et al., 2014).
최근 첨단 소재 기술의 발전에 따라 고분자 복합소재를 활용한 섬유의 기능성이 대폭 향상되고 있으며, 특히 나노소재를 도입한 복합섬유 개발이 활발히 이루어지고 있다(Kim et al., 2022). 그래핀(graphene)은 탄소 원자가 육각형 벌집 구조를 이루는 2차원의 나노 소재로, 높은 기계적 강도, 화학적 안정성, 자외선(ultraviolet, UV) 흡수 능력, 항균 및 항곰팡이 효과 등의 특성을 가지고 있어 고분자 복합재의 성능을 향상시키는 데 효과적이다(Narayan et al., 2016). 흑연으로부터 화학적 산화에 의해 박리된 산화 그래핀(graphene oxide, GO)은 표면 및 측면에 하이드록시기(C-OH), 에폭시기(C-O-C), 카르복시기(C-COOH) 등의 풍부한 산소 기능기들을 가지고 있어 물에서의 분산성이 매우 우수하여 대량 용액 공정이 가능하며 화학 및 열처리를 통해 표면 개질이 용이하다(Kim et al., 2011). 이러한 우수한 가공성을 가진 산화 그래핀을 고분자 섬유에 도입함으로써 복합 기능을 보유한 미용 제품용 섬유 개발이 가능할 것으로 기대한다(Kim et al., 2018; Kim et al., 2019; Xin et al., 2015).
따라서 본 연구에서는 PBT 고분자 섬유에 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide, rGO) 도입함으로써 섬유의 기계적 물성 향상과 더불어 자외선 차단성과 항곰팡이성과 같은 부가적인 기능을 확보하고, 섬유 단면의 크기와 형상을 다양하게 설계하여 섬유의 경량성, 기계적 물성, 접착 특성을 향상시키고자 한다. 또한, 열과 수분과 같은 외부 환경에서의 섬유 치수 안정성을 확보하고자 한다. 이를 통해 실용적인 측면에서 우수한 복합 기능을 가지는 섬유의 미용 제품에 대한 활용 가능성을 제고하고자 한다.
Methods
1. 재료
섬유의 원료로는 PBT (Starester PBT, Bluestar, China) 고분자를 사용하였으며, 속눈썹의 색상 구현을 위한 안료로 carbon black (Raven 1170; Columbia Chemicals Company, Columbian)을 사용하였다. 또한, 그래핀 복합 섬유를 제작하기 위해 환원 그래핀(TGF100; ㈜그래핀올, Korea)이 사용되었다(Table 1).
Characteristics of rGO
2. 시료 제작
시험에 사용한 섬유 제조 장비로는 직경 50 mm, 길이-직경비(L/D)는 25:1의 스크류(screw)가 장착된 single screw extruder (Single Extruder, 진성㈜, South Korea)를 사용하여 용융방사 방식으로 제조하였다. PBT의 용융온도는 230℃이므로, 가공온도를 250℃로 설정하여 100 hole 노즐(nozzle)을 통해 압출 방사하였고, die swelling 없이 방사 가능하도록 약 1,500 psi의 일정 압력 하에서 가공하였다. 노즐을 통해 방사된 섬유는 물이 담긴 수조를 통해 냉각시킨 후, 130℃의 열풍공정을 통해 5배로 연신 하였다. 가공 과정에서 토출량을 조절하여 섬유의 장축(longitudinal length) 길이가 0.127 mm와 0.152 mm로 제작하였으며, 노즐의 모양을 원형, 십자형으로 조절하여 그래핀 복합화 유무에 따른 섬유의 성능을 평가하였다. Table 2는 실험에 사용한 섬유의 조성과 단면을 정리한 표이다.
Conditions of specimens
3. 단면 분석
섬유의 단면 모양 확인 및 장축 길이 측정을 위하여 Scanning electron microscope (SEM) (EN-30N; COXEM, Korea)를 이용하여 섬유의 단면을 촬영하고 ImageJ 프로그램을 활용하여 장축 길이를 측정하였다.
4. 중량 측정
일정한 길이(180 mm)의 섬유 30개의 중량을 측정하여 PBT 섬유와 그래핀 복합 PBT 섬유의 그래핀 첨가 및 단면 형상에 따른 섬유의 무게를 측정하였다.
5. 접착강도
원사 간 접착강도측정은 공인된 표준 시험법이 부재하여, 참고문헌의 측정 방법을 참고하여 접착강도를 측정하였다(Son et al., 2022). 섬유의 단면 형상에 따른 접착강도를 측정하기 위해 아크릴계 속눈썹 전용 접착제를 사용하여 PBT 섬유(원형, 십자형 단면) 또는 그래핀이 첨가된 복합섬유(원형, 십자형 단면)를 원형 단면의 PBT섬유에 10 mm 길이로 접착시킨 후 인장강도시험기(68SC-1; Instron, USA)를 통해 접착강도를 측정하였다. 접착강도는 5 N Load cell을 이용하여 250 mm/min의 인장속도로 두 섬유가 탈락될 때까지 측정하였다.
6. 기계적 물성 분석
섬유들의 기계적 물성을 측정하기 위해 한국산업표준(KS K 0412: 2016)을 기준으로 제작된 시료의 인장강도와 신도를 인장강도 시험기(68SC-1; Instron, USA)를 활용하여 측정하였다. 측정 시 1 kN load cell을 사용하여 250 mm 길이의 시료에 초하중을 가한 후 정속 인하방식으로 클램프 속도 250 mm, 인장속도 250 mm/min로 측정하였다.
7. 치수변화율
제작된 섬유들의 치수변화율은 한국산업표준(KS K 0215: 2019)에 따라 건열(dry heat)과 열수(hot water) 환경에서의 치수변화율을 측정하였다. 치수변화율 측정은 건열과 열수 각각 시료 별 5개의 섬유를 이용하여 측정하여 평균값을 산출하였다.
- 건열 치수변화율: 100 mm 길이의 섬유 5개를 50℃의 핫 플레이트 위에 30 min 동안 가열한 후, 상온까지 냉각시켜 섬유 길이 변화를 측정하였다.
- 열수 치수변화율: 100 mm 길이의 섬유 5개를 50℃의 열수에 30분간 담근 후, 상온에서 건조하여 섬유 길이 변화를 측정하였다.
치수변화율 (%)=[(L-L0)/L0]×100
L=건열, 열수 실험 후의 섬유 길이
L0=상온에서의 섬유 길이
8. 자외선 차단 성능
그래핀 도입에 의한 자외선 차단 효과를 측정하기 위해 PBT 고분자 필름과 환원된 산화 그래핀이 0.125 wt%로 첨가된 필름을 준비하였다(Table 3). 제작된 필름들을 오존층에 흡수되지 않고 피부층에 흡수되어 피부 노화와 피부암을 유발하는 UVA범위의 흡광도를 측정하기 위해 320-400 nm 파장에서 측정하였고, UV-Visible spectroscopy (Solidspec 3700; Shimadzu, Japan) 장비를 이용하였다.
Composition of films for UV absorbance analysis and antifungal testing
9. 항곰팡이 시험
그래핀 도입에 의한 항곰팡이 효과를 분석하기 위해 PBT 고분자 필름과 환원된 산화 그래핀이 0.125 wt%로 첨가된 필름을 5×5 cm2 크기로 준비하였다(Table 3). ASTM G-21:2009의 시험법을 사용하였으며, Aspergillus brasiliensis (ATCC 9642), Talaromyces pinophilus (ATCC 11797), Chaetomium globosum (ATCC 6205), Trichoderma virens (ATCC 9645), Aureobasidium pullulans (ATCC 15233)의 총 5종의 균주를 각각 2×105 spores/mL의 일정한 양을 혼합하여 총 1×106 spores/mL 혼합 포자 현탁액을 준비하였다. 영양 배지(Nutrient-salts agar)는 potassium dihydrogen orthophosphate, magnesium sulfate, ammonium nitrate, sodium chloride, ferrous sulfate, zinc sulfate, manganous sulfate, potassium monohydrogen orthophosphate, agar를 DI water용매에서 혼합하여 준비하였다. 이후, 배지 위에 시료를 얹고 표면이 고르게 젖을 정도로 5종의 곰팡이 균주 혼합 포자 현탁액을 시료와 영양 배지에 골고루 분무한 뒤, 28-30℃ 온도, 상대습도 85% 이상인 배양기(Mermert, Germany)에 넣고 총 28일동안 7일 간격으로 곰팡이의 성장 정도를 관찰하였다.
Results and Discussion
1. 그래핀 복합화 및 섬유 단면 형상 조절에 따른 단면 분석
PBT 섬유와 그래핀 복합 PBT 섬유의 장축 길이를 0.127 mm와 0.152 mm로 조절하고, 섬유 단면 형상을 원형 및 십자형으로 조절한 섬유들의 단면을 분석한 결과, 모든 샘플에서 목표한 단면 형상들이 성공적으로 구현되었음을 확인하였다(Figure 1). 또한, 그래핀을 도입하였음에도 불구하고 섬유의 단면이 균일하게 유지되었으며, 이는 그래핀 첨가가 PBT의 섬유 방사 공정에 영향을 미치지 않음을 의미한다.
SEM images of the specimens.
Fibers with a longitudinal length of 0.127 mm: (a) PBT_Circle, (b) G_Circle, (c) PBT_Cross, (d) G_Cross. Fibers with a longitudinal length of 0.152 mm: (e) PBT_Circle, (f) G_Circle, (g) PBT_Cross, (h) G_Cross. Scale bar=100 µm.
2. 섬유 단면 형상 조절에 따른 경량화
메이크업 브러시는 사용자의 손목 피로를 줄이고 정밀한 조작과 휴대를 용이하게 하기 위해 가벼워야 하며, 인조 속눈썹은 시술 후 착용자의 피로감을 최소화하기 위해 섬유의 경량성이 중요한 요소로 고려된다. 각 섬유의 중량을 분석한 결과, 단면 크기가 큰 섬유가 더 높은 중량을 가졌으며, 그래핀 첨가 유무는 중량에 유의미한 영향을 미치지 않음을 확인하였다(Figure 2). 이는 PBT 섬유에 그래핀이 0.5 wt%로 매우 극소량이 첨가되었으므로 중량에 미치는 영향이 미미하기 때문이다. 또한, 섬유의 단면 형상에 따른 중량 변화를 측정한 결과, PBT_Circle 섬유 대비 PBT_Cross 섬유는 장축 길이가 각각 0.127 mm와 0.152 mm인 섬유에서 약 11% 이상의 경량화가 이루어졌다. 그래핀이 첨가된 경우, 장축 길이가 0.127 mm인 섬유에서는 G_Circle 섬유 대비 G_Cross 섬유는 17% 경량화되었고, 장축 길이가 0.152 mm인 섬유에서 21% 경량화가 이루어졌다. 단면 형상에 따른 섬유의 경량화 효과는 십자형 단면 섬유가 원형 단면 섬유에 비해 단면적이 작기 때문이다.
Weight of the specimens.
Total mass of 30 fibers, each 180 mm in length.
3. 섬유 단면 형상 조절에 따른 접착강도
인조 속눈썹 부착 시 접착강도는 속눈썹의 유지력에 있어서 매우 중요한 특성이다. 그래핀 첨가 유무와 섬유 단면 형상 변화가 섬유의 접착강도에 미치는 영향을 분석한 결과(Figure 3), 장축 길이가 0.127 mm인 섬유의 경우, PBT_Circle 섬유는 148.67 gf PBT_Cross 섬유는 200.17 gf의 접착강도로 나타나 34.64% 증가하였고, G_Circle 섬유는 188.14 gf, G_Cross는 237.82 gf로 측정되어 26.41% 접착강도가 증가하였다. 장축 길이가 0.152 mm 길이인 섬유에서도 PBT_ Circle 섬유는 153.32 gf, PBT_Cross 섬유는 212.92 gf로 접착강도가 38.86% 증가하였고, G_Circle 섬유는 195.21 gf, G_Cross는 250.03 gf의 접착강도를 보여 28.05% 증가하여, 십자형의 단면을 가진 섬유가 가장 우수한 접착강도를 가지는 것으로 확인되었다. 따라서, 섬유의 십자형 단면이 접착강도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 섬유 단면 형상에 의한 접착강도의 차이는 섬유 간의 계면 상호작용에서 기인한 것으로, 십자형 단면을 가진 섬유는 원형 단면을 가진 섬유보다 더욱 넓은 접촉면을 제공하여 접착되는 섬유 간의 상호작용이 극대화되었기 때문이다(Son et al., 2022).
Adhesion strength of different fiber types.
Values represent mean±standard deviation (n=5).
4. 그래핀 복합화 및 섬유 단면 형상에 따른 기계적 물성
인조 속눈썹과 메이크업 브러시는 외부 충격이나 메이크업 과정에서의 물리적 변형에 견딜 수 있어야 하므로 우수한 기계적 물성이 요구된다. 이에 따라, 그래핀 첨가 및 단면 형상 변화에 따른 섬유의 물리적 특성을 비교하기 위해 인장강도(tensile strength)와 신도(elongation rate)를 측정하였다(Figure 4, Table 4).
Mechanical properties of specimens.
(A) Fibers with a longitudinal length of 0.127 mm. (B) Fibers with a longitudinal length of 0.152 mm. Values represent mean±standard deviation (n=10).
Mechanical properties of fibers
먼저, 장축 길이가 0.127 mm에서 0.152 mm로 증가하였을 때, 인장강도와 신도에 유의미한 변화가 없는 것으로 측정되었다. 이는 섬유 단면적의 소폭 증가는 응력 분포에 큰 영향을 미치지 않아 기계적 물성에 유의미한 변화를 초래하지 않음을 시사한다.
그래핀이 첨가된 섬유는 단면 형상과 관계없이 기존 PBT 섬유보다 신도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 그래핀이 고분자 matrix 내에서 slip 현상을 유도하여 변형 시 응력 집중을 완화하고, 연신 과정에서 섬유의 연성을 향상시키는 효과를 나타내기 때문으로 사료된다(Sarikaya et al., 2020).
한편, 인장강도는 섬유 단면 형상에 따라 PBT 섬유와 그래핀 복합 PBT 섬유가 상반된 거동을 보였다. 원형 단면을 가진 섬유에서는 PBT 섬유에 비해 그래핀 첨가된 섬유에서 인장강도가 감소하는 경향을 나타낸 반면, 십자형 단면의 경우 그래핀 첨가함에 따라 인장강도가 증가하는 것이 확인되었다. 또한, 그래핀이 첨가된 섬유에서는 원형 단면 대비 십자형 단면 섬유에서 더욱 우수한 인장강도를 보이는 경향이 나타났다. 이는 그래핀의 2차원 판상 구조가 섬유 내부에서 정렬되는 정도에서 기인하는 것으로 사료된다. 원형 단면을 가진 섬유의 경우, 그래핀 플레이크들이 무질서하게 분포하여 응력 전달 경로 형성이 제한되는 반면, 십자형 단면에서는 섬유 내부 구조에서 그래핀이 적절히 배향되어 인장강도 향상에 기여한 것으로 판단된다(Jung et al., 2020).
5. 치수안정성
인조 속눈썹과 메이크업 브러시에 사용되는 섬유는 땀과 물, 기온 변화에 대한 노출 빈도가 높으므로 수분 및 열에 대한 안정성이 확보되어야 한다. 제작된 섬유의 건열 및 열수 조건에서 섬유 치수 변화를 분석한 결과, 건열 환경에서는 고분자 사슬의 내부 응력이 완화되고 재배열됨에 따라 섬유가 길이 방향으로 미세하게 수축하는 현상이 관찰되었으며(Haward et al., 1980), 열수 환경에서는 섬유 내부 고분자 사슬 사이로의 물 흡수로 인해 섬유 길이가 소폭 증가하는 경향을 보였다(Figure 5). 그러나 두 조건 모두에서 섬유의 치수 변화율이 5% 미만으로 나타나, 본 연구에서 제작된 섬유가 열 및 수분에 대해 우수한 안정성을 유지하는 것을 확인하였다.
Length change rate under thermal conditions.
(A) Dry heat treatment. (B) Hot water treatment. Values represent mean±standard deviation (n=5).
6. 그래핀 첨가에 의한 자외선 차단 성능
그래핀은 sp2 혼성화된 탄소 원자들이 육각형 벌집 구조를 이루는 2차원 평면 구조를 갖는 물질로, 비국지화된 π 전자를 포함하고 있다. 이 π 전자들은 외부 광자에 의해 전이될 수 있으며, 자외선 영역의 광자는 전자 전이에 충분한 에너지를 제공한다. 따라서, 그래핀은 자외선 파장의 빛을 효과적으로 흡수하는 특성을 가진다(Mbayachi et al., 2021). 그래핀의 고유 특성인 자외선 흡수 효과가 소량으로 첨가된 복합 섬유에서도 유지되는지 확인하기 위해 UVA 파장에서의 흡광도를 분석하였다. 그래핀이 첨가된 필름은 320-400 nm범위의 파장에서 뛰어난 자외선 흡수 효과를 확인하였으며, 330-340 nm 영역에서는 장비의 최대 측정 범위를 초과하여 매우 높은 흡광도를 보였다(Figure 6). 이를 통해, 그래핀이 도입된 인조 속눈썹 섬유가 자외선으로부터 사용자의 눈을 보호하는 부가적인 기능을 제공할 수 있음을 시사한다(He & Lu, 2012).
UVA absorbance spectra of PBT and PBT/Graphene composite films in the 320–400 nm wavelength range.
7. 항곰팡이 특성
뷰티 제품용 섬유는 물이나 땀과 같은 수분에 쉽게 노출될 수 있어 균의 생장에 유리한 환경에서 사용될 가능성이 높다. 이러한 오염된 제품이 피부와 직접적으로 접촉할 경우, 다양한 피부 질환을 유발할 수 있으므로 균에 대한 저항성 확보가 필수적이다. 이에 본 연구에서 제작된 시료의 항곰팡이 특성을 평가하기 위해 PBT 필름과 그래핀이 첨가된 PBT 복합 필름(PBT/Graphene)에 곰팡이 포자를 접종한 후 28일 동안 곰팡이의 증식 정도를 비교하였다(Figure 7, Table 5). PBT는 본래 소수성(hydrophobic) 특성을 갖고 있어 곰팡이 부착 및 생장에 불리한 조건을 제공함에도 불구하고, 약 10%의 수준의 곰팡이 성장이 관찰되었다. 반면, 그래핀이 첨가된 PBT 복합 필름에서는 곰팡이의 부착이나 성장이 관찰되지 않았다. 따라서, 그래핀 첨가로 인해 섬유에 항곰팡이 효과가 부여되었음을 확인하였다.
Antifungal susceptibility of PBT and PBT/Graphene composite films.
Photographic observations recorded at 7-day intervals over 28 days (n=3). Red circles indicate fungal colonies.
Antifungal susceptibility results
Conclusion
본 연구에서는 PBT 섬유에 0.5 wt%의 환원된 산화 그래핀을 복합화하고, 섬유 장축 길이(0.127 mm, 0.152 mm) 및 단면 형상(원형, 십자형)을 체계적으로 조절함으로써 섬유의 단면 형상, 경량성, 접착 특성, 물리적 특성, 치수안정성, UV 차단성, 항곰팡이 특성을 평가하여 인조 속눈썹 및 메이크업 브러시 등 미용 제품용 섬유로의 사용 가능성을 평가하였다. SEM 분석 결과, 모든 샘플에서 목표 단면 형상이 성공적으로 구현되었으며, 그래핀 첨가 후에도 섬유의 단면 균일성이 유지됨을 확인하였다. 단면 형상에 따른 중량 분석에서는 단면적 감소에 따른 섬유의 경량화 효과가 나타났다. 접착강도 측면에서는 단면 형상에 따른 계면 상호작용이 크게 작용함을 확인할 수 있었으며, 특히 그래핀 복합 섬유의 십자형 단면에서 최대 242.18 gf의 접착강도가 측정되어 우수한 접착 특성을 나타냈다. 또한, 기계적 물성 평가에서는 그래핀 첨가가 고분자 matrix 내 slip 현상을 유도하여 섬유 연성을 증가시키는 한편, 단면 형상에 따른 인장강도의 변화에서는 그래핀의 정렬 효과가 십자형 단면에서 응력 전달 경로 형성을 촉진함으로써 기계적 강도 향상에 기여함을 확인하였다. 제작된 섬유가 건열 및 열수 환경에서 치수 변화율이 5% 미만으로 나타나 외부 환경에 대한 안정성이 확보되었다. 또한, 자외선 차단 성능 평가에서는 그래핀 고유의 자외선 흡수 효과가 PBT 고분자 복합 필름 형태에서도 발현됨을 통해 인조 속눈썹 섬유에 부가적인 UV 보호 기능을 부여할 수 있음을 확인하였으며, 그래핀 첨가를 통한 항곰팡이 효과를 확인하였다. 이를 통해, 그래핀의 복합화와 십자형의 이형 단면 섬유의 경량화, 접착강도, 기계적 물성, 자외선 차단 효과, 항곰팡이 효과가 향상될 수 있음을 확인하였으며, 향후 미용 제품에 사용되는 인조 속눈썹 및 메이크업 브러시 등으로의 활용 가능성이 기대된다.
Notes
Author's contribution
S-j.C. and W-c.C. contributed equally to this work, S-j. C. and W-c.C. mainly designed and performed the most experiments, and wrote the manuscript. J.B.B fabricated specimens. S.O.K. supervised the overall experiments and edited the manuscript.
Author details
Sujin Cha (Graduate Student), Department of Materials Science and Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), 291 Daehak-ro, Yusung-gu, Daejeon 34141, Korea; Wonchul Choi (Graduate Student), Department of Materials Science and Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), 291 Daehak-ro, Yusung-gu, Daejeon 34141, Korea; Jong Bin Back (Researcher), BBC Limited Company, Daejeon, Korea; Jung Chon Kim (Chief Executive Officer), LNC International Company Limited, Seoul, Korea; Sang Ouk Kim (Professor), Department of Materials Science and Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), 291 Daehak-ro, Yusung-gu, Daejeon 34141, Korea.