고어텍스
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1. 개요
고어텍스는 빌 고어와 밥 고어에 의해 개발된 방수, 방풍, 투습 기능을 가진 소재로, 1958년 W. L. Gore & Associates에서 시작되었다. 밥 고어는 1969년 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 변형하여 확장형 PTFE(ePTFE)를 만들었고, 이를 기반으로 고어텍스 소재가 개발되었다. 고어텍스는 의류, 의료용품, 필터 등 다양한 분야에 사용되며, 특히 아웃도어 의류에 널리 활용된다. ePTFE 기반 직물에 대한 고어의 특허는 1997년에 만료되었으며, 고어텍스 제조 과정에서 사용되는 과불화화합물(PFCs)은 환경 오염 및 인체 유해성 논란이 있어, 고어사는 PFCs를 2023년까지 제거하겠다고 약속했다.
1958년 빌 고어와 비브 고어 부부는 자택 지하실에서 W. L. Gore & Associates(이하 고어사)를 창립했다. 1969년 이들 부부의 아들인 밥 고어는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 변형해 강력한 다공성 물질인 ePTFE를 발견했다. 이는 방수(防水), 방풍(防風), 투습(透濕) 기능을 가진 고어텍스® 소재 개발과 다양한 산업 분야로의 혁신적인 확장을 이끌었다.
고어텍스 제품은 대부분 열기계적인 확장 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 기타 불소수지를 기반으로 한다. 고어텍스는 섬유, 의료용 임플란트, 필터 미디어, 전선/케이블, 개스킷, 실란트를 위한 단열재 등 다양한 제품에 적용된다. 특히 보호, 투습, 방수 의류에 사용되는 고어텍스 섬유가 가장 널리 알려져 있다.[39]
2. 역사
고어사는 ePTFE를 처음 발명한 기업으로서, 초기 아웃도어 의류업계에 고어텍스® 제품을 통해 혁신을 일으켰다. 또한 의료, 섬유, 제약, 생명공학, 석유 및 가스, 항공 우주, 자동차, 전자 제품, 음악, 반도체 산업 등 다양한 분야에 진출하여 불소수지 분야의 선구자로 자리매김했다. Bob Gore|밥 고어영어는 당시 상황을 "막대를 세게, 빠르게, 갑자기 잡아당겼더니 1000% 늘어났다"고 회상했다.[1]
고어는 즉시 관련 특허를 신청하고 획득했다. 주요 특허는 다음과 같다:
1966년, 뉴질랜드의 존 W. 크로퍼(John W. Cropper)가 늘어난 PTFE 테이프를 생산하고 관련 기계를 개발했지만, 이 과정을 영업 비밀로 유지하여 공개하지 않았다.[3][4]
고어의 ePTFE 기반 직물 특허는 1997년에 만료되었고, 이후 다른 브랜드의 ePTFE 멤브레인 방수 직물이 출시되었다.[7] 로버트 고어는 2006년 미국 발명가 명예의 전당(U.S. National Inventors Hall of Fame)에 헌액되었다.[8]
2. 1. 개발
1958년, 빌 고어(Bill Gore)와 비브 고어(Vieve Gore) 부부는 델라웨어주 뉴어크의 자택 지하실에서 W. L. Gore & Associates (고어사)를 설립했다.[1] 1969년, 빌 고어의 아들 밥 고어는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 급격히 늘려 강력한 다공성 물질인 ePTFE를 만드는 방법을 우연히 발견했다.[1] 이는 방수(防水), 방풍(防風), 투습(透濕) 기능의 고어텍스® 소재 개발을 포함하여 다양한 산업 분야에서의 혁신의 시발점이 되었다.
1976년 고어사는 ePTFE를 기반으로 한 고어텍스 소재를 상용화하여 아웃도어 의류 시장에 혁신을 일으켰다. 같은 해, 미국의 얼리 윈터스(Early Winters)사의 텐트에 고어텍스가 채용되었고, Banana Equipment, Marmot Mountain Works, Early Winter LTD.의 아웃도어 장비를 통해 신소재 GORE-TEX 패브릭을 사용한 아웃도어 기어 및 의류가 제작되었다.[39]
2. 2. 특허 및 소송
고어사는 ePTFE 제조 기술에 대한 특허를 획득하고, 이를 침해하는 기업들과 법적 분쟁을 벌였다. 1970년대에 가락(Garlock, Inc.)는 뉴질랜드의 존 W. 크로퍼(John W. Cropper)의 기계를 사용하여 고어의 특허를 침해했다는 혐의로 소송을 당했다. 지방 법원은 고어의 특허가 무효라고 판결했지만, 항소심에서 연방 순회 항소 법원은 ''고어 대 가락(Gore v. Garlock)'' 사건에서 크로퍼가 ePTFE 제조 과정을 공개하지 않았기 때문에 고어가 ePTFE의 법적 발명가라고 판결했다.[3][5]
이후 고어는 C. R. 바드(C. R. Bard)와 IMPRA사를 상대로 특허 침해 소송을 제기했다. 바드는 합의 후 시장에서 철수했고, IMPRA와의 소송은 প্রায় 10년간 지속되었다. IMPRA는 일본 특허에 공개된 선행 기술을 복제하고 고어텍스가 선행 기술과 동일하다는 것을 증명하여 고어의 제품 특허 주요 청구항이 1990년에 무효화되었다.[6] 1996년, IMPRA는 바드에 인수되었고, 바드는 시장에 다시 진입했다.
고어텍스 특허는 1973년 6월 14일에 출원되어 20년의 존속 기간을 거쳐 1993년 6월 14일에 만료되었다. 고어의 핵심 특허는 1997년에 만료되었으며,[7] 이후 여러 회사들이 유사한 기능성 소재를 개발하여 경쟁하고 있다.
로버트 W. 고어는 ePTFE 발명의 공로를 인정받아 2006년 미국 발명가 명예의 전당(U.S. National Inventors Hall of Fame)에 헌액되었다.[8]
2015년, 고어는 연방 순회 항소 법원으로부터 바드에 10억달러의 손해 배상을 지불하라는 명령을 받았다.[6] 미국 대법원은 이 결정에 대한 재검토를 거부했다.[9][10]
2. 3. 환경 문제 및 소송
플루오로폴리머인 PTFE는 지속적인 환경 오염 물질인 PFOA(퍼플루오로옥탄산)를 사용하는 에멀젼 중합 공정을 통해 제조된다.[15][16] 국제암연구소는 PFOA를 "인체 발암 물질"로 분류했다.[17]
고어(Gore)사는 2017년에 PFOA와 같은 PFCs를 2023년까지 제거하겠다고 약속했지만, 핵심 기술은 PFAS 화합물인 PTFE를 기반으로 계속 유지될 것이다.[18][19][20] 많은 고어텍스 제품에는 내구성 발수 코팅이 되어 있으며, 환경적 우려가 되는 PFCs를 포함하지 않는 버전은 "Gore PFCEC Free DWR"로 판매된다. "Gore DWR"과 달리, 어떠한 형태의 기름 방수 기능도 없다.[21]
고어사는 2025년까지 소비자용 원단에서 ePTFE 멤브레인을 확장 폴리에틸렌 멤브레인으로 대체할 계획이다.[22] 새로운 소재는 기존 ePTFE 소재와 비슷한 성능을 목표로 하지만, 비용이 더 많이 들고 세탁 횟수가 더 잦아질 것이다.[23]
3. 구조 및 특징
가장 단순한 형태의 방수 의류는 두 겹으로 되어 있다. 바깥쪽은 나일론이나 폴리에스테르와 같은 강한 재질로 되어 있으며, 안쪽은 폴리우레탄으로 되어 있어 방수 효과를 제공하지만 통기성과 투습성은 떨어진다.
PTFE의 높은 가공 경화율 때문에, ePTFE는 늘리지 않은 소재보다 훨씬 강하다. 미시적 수준에서, 이 가공 경화는 섬유들이 풀리고 외부 응력이 가해짐에 따라 PTFE의 결정성이 증가하는 것에 해당한다. ePTFE는 높은 결정성으로 인해 완전 밀도의 PTFE (20MPa~30MPa)와 비교하여 매우 높은 극한 인장 강도 (50MPa~800MPa)를 가진다. 이러한 거동은 모든 방향으로 ePTFE가 팽창하기 때문에 부피 보존의 경우 응력에 수직인 방향에서 더 예상되는 감소와 대조적으로 음의 푸아송 비를 생성한다.[11]
ePTFE는 가공 조건에 따라 조정 가능한 다공성을 가지며 특정 증기와 기체에 대해 투과성을 갖도록 만들 수 있다. 그러나 물을 포함한 대부분의 액체에 대해서는 불투과성이며, 이러한 특성은 우비와 같은 특정 응용 분야에서 활용된다. PTFE 기반 소재의 고유 특성(화학적 불활성, 열 안정성)과 결합된 이러한 추가적인 특성은 ePTFE를 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 다용도 소재로 만든다.[11]
나일론 등의 외피와 안감으로 고어텍스 멤브레인을 라미네이트 가공한 3층 구조(3레이어), 안감을 코팅한 2층 구조(2레이어)가 주류이지만, 고어텍스 쉐이크드라이 프로덕트 테크놀로지(GORE-TEX SHAKE DRY Product Technology) 등 고어텍스 멤브레인을 표면에 사용한 2층 구조의 직물도 존재한다.
1976년에 미국의 얼리 윈터스(Early Winters)사의 텐트에 채용된 이후, 주로 아웃도어 용품, 특히 레인웨어를 중심으로 많이 채용되고 있다. 레인웨어는 비뿐만 아니라 바람도 통과시키지 않기 때문에 윈드브레이커로도 착용할 수 있다.
3. 1. 구조
고어텍스 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 테플론)을 늘려서 가공한 ePTFE 필름과 폴리우레탄 폴리머를 결합하여 만들어진다. 1969년 밥 고어(Bob Gore)는 PTFE를 사용한 저렴한 씰 테이프를 만들기 위해 실험하던 중 압출 PTFE를 빠르게 늘리는 데 성공했다. 얇은 필름 형태의 고어텍스 멤브레인은 1cm²당 14억 개의 미세한 구멍을 가지고 있다. 이 구멍들은 수증기는 통과시키지만, 빗물은 통과시키지 않는 방수성과 투습성을 동시에 갖추고 있다.[39]
초기 고어텍스 섬유는 우레탄 안감을 섬유에 접착된 얇은 다공성 불소수지 멤브레인 코팅으로 대체했다. 이 멤브레인은 1제곱 인치당 90억 개 이상의 기공을 가지고 있다. 각 기공은 대략 물방울의 2만 분의 1 크기로서 액체가 침투하기 어렵게 하는 반면, 수증기 형태의 분자는 통과가 가능하다.
ePTFE는 마디에서 교차하는 길고 가느다란 섬유로 구성된 다공성 미세구조를 가지고 있다. 가공 온도나 변형률을 높이면 구형 대칭 기공과 섬유 사이의 교차점이 더 많아지면서 더 균질한 팽창이 이루어진다.[11] ePTFE 형성은 PTFE 분자가 풀리면서 구조 내에 큰 기공을 생성함으로써 가능해진다. 기공률은 주로 늘리는 온도와 속도에 따라 결정된다. 늘리는 속도를 4.8m/min에서 8m/min으로 변경하면 기공률이 60.4%에서 70.8%로 증가할 수 있다.[12]
3. 2. 특징
고어텍스는 방수, 방풍, 투습의 세 가지 주요 특징을 가지고 있다.
고어텍스 멤브레인은 물의 침입을 차단하지만, 표면 직물의 발수성이 저하되면 표면에 물의 막이 생겨 수증기를 통과시키기 어려워져 내부가 습해지므로 적절한 유지 보수가 필요하다.
4. 제조 과정
고어텍스 멤브레인(ePTFE)은 일반적으로 테이프 연신 공정을 통해 만들어지며, 이 공정은 다음과 같은 단계를 거친다.
1. 윤활제(주로 오일)를 미세한 PTFE 분말에 섞어 페이스트 형태로 만든다.
2. 이 페이스트를 시트 형태로 압출하고 캘린더링하여 균일한 두께를 만든다.
3. PTFE 시트를 약 300°C의 고온 오븐에 통과시키면서 동시에 재료를 늘이는 인장력을 가한다. 이 단계에서 가열은 팽창에 필수적이지 않지만, 팽창의 균일성을 높여준다.
4. ePTFE는 강도를 높이기 위해 소결 과정을 거친다. 팽창되지 않은 PTFE의 녹는점(340°C)보다 약간 높은 온도로 가열하여 분자가 재료 입자 사이 경계를 넘어 확산되도록 한다. 이 과정을 통해 연신 단계에서 발생할 수 있는 ePTFE의 틈을 줄인다.[13][11]
변형률, 오븐 온도, 소결 시간 및 지속 시간과 같은 요인들은 최종 ePTFE 시트의 특성에 영향을 미치며, 특정 용도에 맞게 조절할 수 있다.[14][11]
5. 종류 및 활용
고어텍스 소재는 일반적으로 열가소성 확장 PTFE와 기타 플루오로폴리머 제품을 기반으로 한다. 이 소재는 고성능 직물, 의료용 임플란트, 필터 매체, 전선 및 케이블용 절연체, 가스켓, 실런트 등 다양한 용도로 사용된다. 하지만 고어텍스 원단은 통기성이 뛰어난 보호용 우비로 가장 잘 알려져 있다.
5. 1. 의류
고어텍스는 주로 레인웨어, 윈드브레이커, 등산복, 스키복 등 아웃도어 의류에 많이 사용된다. 1976년 미국의 얼리 윈터스(Early Winters)사 텐트에 처음 사용된 이후, 레인웨어는 비뿐만 아니라 바람도 막아주기 때문에 윈드브레이커로도 활용된다.[39]고어텍스 제품에는 엄격한 품질 기준을 통과했음을 나타내는 검은색 택(Tag)이 부착되어 품질을 보증한다. 택에는 GORE-TEX PRO, GORE-TEX Active 등 제품 종류가 표시되어 있다.
5. 2. 의료용품
고어텍스는 체내에서 거의 반응을 보이지 않기 때문에 의료 분야에서도 사용된다. 특히, 확장 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)은 직물과 같은 그물(메쉬) 형태를 가질 수 있다.[29] 고어텍스의 다공성은 신체 조직이 재료를 통과하여 자라도록 하여 이식된 재료를 순환계에 통합할 수 있게 한다.[30] 고어텍스는 봉합사, 혈관 이식편, 심장 패치, 인공 무릎 인대 등 다양한 의료 분야에 사용되어 수천 명의 생명을 구했다.[31] 확장 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 형태의 고어텍스는 비강 등 부위의 중단을 치료하는 데 신뢰할 수 있는 합성 의료 재료로 입증되었다.[32] 최근에는 녹내장 수술을 위한 막 이식편으로도 사용되었다.[33]ePTFE를 사용한 제품은 인공 혈관이나 치과 분야의 골 증생을 위한 멤브레인 등에도 활용되고 있다.
5. 3. 기타
고어텍스는 백파이프 주머니 제작, 장식 필사본 보존 등 다양한 분야에 활용된다.[38][34] 고어텍스 의류에 폭발물 센서를 인쇄하여 니트로아로마틱 화합물을 검출하는 기술도 개발되었다.[35] ePTFE를 사용한 제품은 인공 혈관이나 치과 분야의 골 증생을 위한 멤브레인 등 의료 분야에도 많이 활용되고 있다.
6. 관리
고어텍스 의류는 성능 유지를 위해 적절한 관리가 필요하다.
세탁:
- 40℃의 온수에 세제를 풀어 물세탁한다.
- 세탁기 사용은 가능하나, 다른 옷과 함께 세탁하면 안 된다.
- 지퍼, 벨크로, 단추 등을 모두 잠근 상태에서 세탁한다.
- 세제 찌꺼기가 남지 않도록 깨끗이 여러 번 헹군다.
- 표백제나 섬유 유연제는 사용하지 않는다.
- 세탁 전 의류 안쪽에 부착된 제품 손질 관리 라벨을 반드시 확인한다.
건조:
- 세탁 후 옷걸이에 걸어 직사광선을 피해 그늘에서 말린다.
- 드럼 세탁기 사용이 가능할 시, 가장 낮은 온풍으로 건조하면 발수 기능 회복에 도움이 된다.
다림질:
- 반드시 의류 안쪽에 부착된 제품 손질 관리 라벨을 확인하고 한다.
- 스팀 다리미일 경우 옷 위에 얇은 천을 덮고 가장 낮은 온도에서 다림질한다. 따뜻한 열이 고어텍스 원단 자체의 발수 기능을 회복시키는 데 도움이 된다.
발수성 회복:발수성은 겉감이 물에 젖지 않고 잘 튕겨져 나가도록 하여, 착용감과 쾌적함을 높여주는 것을 말한다. 하지만 발수성은 영구적이지 않으며, 먼지, 세제, 기름 등에 의해 일시적으로 기능이 저하될 수 있다. 잦은 착용이나 마찰에 의해서도 발수성이 약해진다.
발수성을 유지하기 위해서는 고어텍스 의류를 깨끗하게 유지하는 것이 중요하다.
- 옷이 깨끗한데 물방울이 튕겨나가지 않을 경우: 세제 없이 따뜻한 물로 세탁 후 회전식 건조기에서 중간 온도로 30분 정도 건조하거나, 낮은 온도에서 스팀 다림질한다.
- 옷이 더러워진 경우: 세제로 깨끗이 세탁 후 세제 찌꺼기가 남지 않도록 여러 번 헹군 후 온풍 건조시킨다.
- 시중에서 판매하는 발수 처리제를 구입하여 깨끗이 세탁한 후 옷에 골고루 뿌려준다.
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