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21세기 산업전반에 대두되고 있는 에너지 고효율 추진화와 친환경이라는 트렌드는 최근 더욱 다양해진 소비자들의 요구와 맞물려 자동차디자인 분야에도 반영되고 있다. 세계적인 자동차업체들은 고감성 및 고기능성 기술 혁신을 통한 자동차 제품디자인을 연구 개발하고 있는데 특히, 자동차 시트는 시승자와 항상 같이 호흡하고 상호 교감할 수 있는 제품이기 때문에 많은 업체들은 인체공학적 측면과 감성 공학적 측면을 고려한 디자인의 기술 개발에 매우 힘쓰고 있다¹⁾. 그러므로 시승자와 가장 밀접한 자동차 시트 및 내장재의 기능을 감성적인 디자인 요소와 IT기술을 융합시킨 기능적인 스마트 고감성형 시트로서, 이의 연구개발에 매우 주력하고 있다.

원래 광통신용으로 사용되었던 광섬유(optical fiber)는 저전력 LED 기반의 빛을 발현하는 감성적이며 환경 친화적인 고효율의 소재로서²⁾, 이의 발광효과를 의류 및 인테리어 용도의 다양한 제품에 적용시켜 응용하여 사용하고 있다³⁾. 그러므로 이와 같은 광섬유(optical fiber)를 카시트 원단에 적용하면 [그림 1]과 같이 빛이 나면서 시각적인 인테리어 변화효과를 줄 수 있다. 또한, 이의 연구를 심화시켜 조도 및 사운드 등의 주변 환경 변화에 따라 빛을 내는 Emotional 기능과 속도, 안전벨트 미착용 및 문열림 등에 발광 반응하도록 하면 시승자의 안전보호 기능이 가능한 고감성적 기능성 스마트 시트로의 상용화 연구 개발이 가능하다.

이에 본 연구는 위의 주변 환경변화에 따라 연동하는 고감성형 기능성 광섬유 카시트를 최종적으로 연구 개발하고자 하는 목표에 대한 제1단계의 연구로서, 광섬유가 적용된 빛 발현이 가능한 일루미네이팅 카시트원단을 다양하게 디자인 개발하는 것에 그 목적이 있다. 본 연구의 향후 후속연구 진행을 위해 다음의 3단계로서 크게 각 연구단계를 구성하였는데, 먼저 제1단계는 현재 상용화되고 있는 자동차 카시트 원단 스펙을 기준으로 광섬유가 적용된 빛 발현이 가능한 일루미네이팅 카시트원단을 디자인 개발한다. 그 후 제2단계에서는 디자인 개발된 광섬유 카시트 원단을 토대로 하여 조도 및 사운드, 안전벨트 미착용 및 문열림 등의 주변 환경 변화에 따라 연동되어 발광할 수 있는 고기능성 고감성형 일루미네이팅 카시트를 디자인 개발한다. 그리고 마지막으로 제3단계에서는 카시트 상용화를 위하여 다방면에서 요구되는 자동차 물성 기준에 따라 세부적인 실험으로서 상용화 가능한 광섬유 카시트 원단 및 카시트디자인을 개발하고자 한다. 본 논문은 제1단계의 연구로서, 소량다품종의 디자인 전개가 가능하고 직물시뮬레이션 기능을 통한 사전 직물디자인 검증이 가능한 텍스타일 직조 CAD 시스템을 활용하여 자동차 직물내장재의 직물디자인 프로세스에 따라 다양하게 광섬유 카시트 직물을 디자인 개발하고자 하였다.

[그림 1] 광섬유 적용 카시트의 예⁴⁾

본 연구의 범위는 현재 상용화되고 있는 자동차 카시트 원단 스펙을 기반으로 하여, 광섬유를 자동차 카시트 원단에 적용하여 빛이 발현되는 일루미네이팅 카시트 인테리어 내장재를 텍스타일 직조 CAD 시스템을 활용하여 디자인 개발하는 것이다. 카시트 원단의 제직조건을 기본으로 한 광섬유 카시트원단을 디자인 개발함에 있어서 특히, 편물(knit)의 직물구조와 비교하여 경·위사의 수직 교차에 의한 직물 구조상의 안정감을 가장 잘 유지할 수 있는 직조(woven)⁵⁾ 직물을 중심으로 이의 직조 직물에 빛 발현이 가능한 광섬유를 효과사(effect yarn)로서 적용하여 디자인 설계하였다.

본 디자인 연구 개발에 기준이 된 카시트직물 스펙은 H사의 준중형 직조 직물(woven fabric) 이었고, 이의 카시트 직물디자인 전개는 텍스타일 직조 전용 EAT CAD 시스템을 활용하여 패턴디자인, 소재, 직물구조, 칼라 등의 다양한 직물제직 스펙(spec.)에 따른 직물시뮬레이션의 사전 검증 작업을 통하여 소량다품종의 카시트 원단을 개발하기 위해 다양하게 디자인을 전개하였다. 또한 제직된 원단에서 광섬유 다발을 묶고 광섬유의 빛 발현 장치를 고려한 패턴디자인(pattern design)을 직조설계 하였으며, 카시트 원단의 물성을 고려한 이중 복합조직(double compound weave)과 광섬유 장력의 위사 이입이 용이하도록 개조된 위사송출장치 직기를 본 연구에 적용하였다. 카시트 직물디자인은 직조디자인(weave design) 전용 디자인툴(design tool)인 독일 Designscope사의 EAT Jacquard CAD 시스템을 이용하여 디자인을 전개하고 직조의장(織造意匠) 프로그램을 이용하여 직물 설계를 완성하였으며, 예상되는 완제품의 자동차 시트직물은 EAT CAD의 직물 시뮬레이션을 통한 영우씨앤아이의 Tex-pro CAD와 Photoshop 7.0에서 3D 맵핑(Mapping) 작업으로 상용화 사전 검증을 시도하였다.

광섬유는 섬유의 단면구조에 굴절률 분포를 가하여 빛의 전달이 가능하도록 한 것으로, 대량의 정보를 신속하게 전달하기에 용이하다⁶⁾ [그림 2]. 광섬유는 직경이 머리카락 정도(약 0.1mm)로 매우 가늘어 많은 종류의 섬유를 묶는 케이블 형태로 이용이 가능하고 광원과 결합하면 빛을 전송하는 통로로 활용할 수 있으므로 발광효과를 직물에 부여하는 데에 효용성이 높다. 광섬유는 [그림 3]과 같이 빛이 진행하는 코어부와, 코어부 내부에서의 지속적인 빛의 진행을 유도하는 클래딩부로 구성되어 있는데 코어에 입사된 광은 굴절률이 높아 클래딩에 전반사 하면서 직진한다. 광섬유의 매질에 따라 석영계 유리, 다성분의 유리로 제작되는 유리 광섬유(GOF, Glass Optical Fiber), 플라스틱 코어와 클래딩으로 사용하는 플라스틱 광섬유(POF, Plastic Optical Fiber)로 분류한다. 광통신 매체로서 광섬유는 낮은 광손실율과 높은 대역폭의 특성을 갖추어야 하는데, [그림 4]는 광섬유의 길이에 따른 대역폭의 변화를 나타난 것으로 모든 제품에서 섬유의 길이가 길어질수록 대역폭이 감소하는 모습을 보이고 있다.

[그림 2] 광섬유 다발⁷⁾

[그림 3] 광섬유의 구조 및 빛의 전파⁸⁾

[그림 4] 광섬유의 길이에 따른 대역폭의 변화⁹⁾

광섬유의 클래딩에 [그림 5]와 같이 에칭을 하거나, 광섬유를 넣어 직물을 제직한 후 형성되는 미세한 굴곡부를 통해 균일하게 빛이 방출될 수 있도록 조절하는 기술을 적용하여 광섬유 직물의 일루미네이팅 효과를 발현시킬 수 있다. Luminex社는 플라스틱 광섬유의 클래드(clad) 층에 흠집을 낸 후 일반 섬유 소재와 함께 직조한 다음, LED를 연결하여 빛이 새어나오도록 하는 원리로¹⁰⁾ 광섬유 직물을 개발하였다. 기존의 일반적인 광섬유(POF:Plastic Optical Fiber)의 경우, 에칭에 기인하는 내구성의 저하로 인해 직물화가 어려울 뿐만 아니라 내수성도 결여되어 있어 세탁 및 유지 관리에 있어 한계가 지적되었다¹¹⁾. 이에 이러한 문제들을 극복하기 위한 다각적인 연구들이 진행되고 있는 가운데, 최근 에칭된 광섬유사의 표면에 합성수지를 코팅처리 하는 ‘내수성 발광용 광섬유사의 제조 방법’기술¹²⁾을 특허 출원하여 에칭 광섬유의 내구성을 항상 시키고자 하는 연구가 진행되고 있다. 또한 광섬유를 적용시켜 인테리어 제품으로 활용할 경우, 플라스틱 광섬유(POF)의 가격은 보통 0.5mm 모노 광섬유 기준으로 ±500원/meter로(2012년 8월 현재)¹³⁾, 일반 폴리에스테르 원사의 가격에 비하여 현저히 고가이기 때문에 직물내의 특수효과사로 일부 적용하여 고기능성 차별화 인테리어 제품군으로 개발함이 바람직하다.

[그림 5] 광섬유가 적용된 직물의 빛 발현¹⁴⁾

자동차 한 대를 기준으로 섬유소재가 차지하는 섬유소비량은 25kg으로서 대략 80여개의 부품에 사용되고 있고, 그 가운데 자동차 시트에 내장재로서의 원단소비량이 가장 많은 비율을 차지하고 있다¹⁵⁾. 자동차 시트 내장재에 관한 국내외 개발 트렌드는 고기능성, 안전성, 친환경성 등¹⁶⁾에 중점을 둔 디자인 컨셉으로 원단을 디자인 개발하고 있다. 노의경 등(2011)은 현대인들의 자동차 시트 커버 소재에 대한 선택기준으로 안락감과 고급스러운 이미지를 가장 중요히 여기며 시트커버 표면이 부드럽고 표면탄력이 있는 두께감이 있는 소재를 선호한다는 결과를 도출하여¹⁷⁾, 현 소비자들은 안락함의 고기능적 측면뿐만 아니라 고급스러움과 같은 감성적인 측면도 중요시함을 알 수 있었다.

전 세계적으로 자동차 시트 내장재의 90% 이상이 폴리에스테르 섬유인데, 이는 저렴한 가격대비 일광, 마모 등에 강한 특성을 보유하고 있기 때문이다¹⁸⁾. [표 1]에서 보는 바와 같이, 자동차 시트 내장재는 제조방법에 따라 크게 직조(woven), 편물(knit), 부직포(non-woven)로 나눌 수 있는데, 직조 직물은 도비(dobby), 자카드(jacquard), 직물 표면에 파일이 있는 모켓(moquette) 등 있고 편물은 경편물인 트리코트(tricot)와 더블라셀(double raschel)과 환편물인 서큘라니트(circular knit)와 싱커파일(singer file) 등이 있다. 또한 부직포는 건식, 습식, 습건식 형태로서 인공피혁용으로서 사용되고 있다¹⁹⁾. 특히, 자동차 시트 내장재로서 직조직물은 편물에 비하여 신율이 적고 조직이 안정되며 일반적으로 편물에 비하여 강도가 크고 경제적인 장점이 있으므로²⁰⁾ 경차에서부터 준중형 자동차까지 다양하게 적용되고 있다.

카시트 직물 종류		장점	단점
플랫우븐		-패턴표현 용이 -경량화 유리 -원단관리 용이	-고급스러움 부족 -터치감 떨어짐 -신율조정 어려움
모켓		-터치감 우수-파일의 임모성 양호 -상품성 우수	-신율조정 어려움-파일 빠짐 발생 -가격이 높음
더블랏셀		-터치감이 우수 -신율 조정 가능 -상품성 우수	-패턴표현 어려움 -큰패턴 표현불가 -가격이 높음
트리코트		-패턴표현 용이 -신율이 우수 -가격경쟁력 양호	-고급스러움 부족 -터치감 떨어짐
싱카파일		-패턴표현 용이 -신율이 우수	-올 풀림 발생 -강도 약함

80년대 전자공학의 급격한 발달로 종래에 수공적인 핸드 드로잉(hand drawing)에만 의존했던 텍스타일 분야에도 점차적으로 CAD(computer aided design) 시스템이 도입됨으로써²²⁾ 시간과 비용을 절감할 수 있고 소량다품종의 제품생산으로 디자인 경쟁력을 향상 시킬 수 있었다. 이러한 캐드 시스템을 통한 디자인 작업은 자동차 내장재의 카시트 디자인 산업 분야에 있어서도 매우 보편화되고 있는 실정이며, 이의 국내 주요 자동차용 시트커버 생산업체들은 코오롱글로텍, 대우인터내셔널, 일정실업, 두올, 한서실업이 있고 이중 코오롱글로텍이 가장 높은 시장점유율을 차지하고 있다²³⁾. 자동차 시트 내장재는 시트 완제품 장착까지의 공정이 길고 까다로운 고도의 기술력이 요구되며 생산을 위한 시트원단의 디자인과 물성 등 자동차 부품으로서 요구조건을 반드시 충족시켜야만 한다. [그림 6]은 자동차 시트 직물 내장재의 일반적인 개발 생산 공정을 나타낸 것이며, [그림 7]은 현재 국내의 자동차 내장재 생산업체들에서 진행되고 있는 디자인 캐드 시스템을 활용한 시트직물 내장재의 디자인 개발 프로세스이다. 이의 캐드 활용을 통하여 직접 직물제직을 진행하지 않고도 디자인 컨셉에 따른 다양한 디자인을 전개하고 실 제직 기반의 직물시뮬레이션을 통한 사전 제직 검증 및 디자인 품평을 진행함으로써 한정된 시간 안에 자동차 업체들의 다양한 요구에 부합하는 샘플을 제작하여 소량다품종의 고효율적인 직물생산화를 이루고 있다.

[그림 6] 자동차 시트 직물 내장재 제조 공정²⁴⁾

[그림 7] 텍스타일 캐드 기반의 자동차 직물 내장재의 디자인 프로세스

본 연구를 위하여 [표 2]의 빛 발현 효과가 있는 직경 0.5mm의 모노(mono) 광섬유 사를 효과사(effect yarn)로서 적용하였으며, 이의 카시트 직물 제직의 소재 Spec.은 [표 3]과 같다. 직물 제직에 이용된 직기는 광섬유의 인장강력에 적합한 위사 송출장치를 개조한 직기에서 제직 하였으며 자카드 2400구(2400 hooks)의 그로세(Grosse) 전자식 직기가 적용되었다.

광섬유 물성 분석			SEM 단면사진
섬도	d	550
fil.수	본	1
강력	g	556
강도	g/d	1.01
신도	%	81.8
초도	g/d	27
mp	℃	126	배율 295

본 연구를 위해 적용된 직물 조직은 [표 4]와 같이, 이중 직물구조(double weave structure)를 응용한 복합조직이었다. H사의 준중형 자동차의 우븐(woven) 직물을 기준으로 하여, 그레이칼라(grey color)의 폴리에스터 경사와 톤 온 톤(tone on tone) 다크 그레이 칼라(dark grey color)의 폴리에스터 위사가 1차 지사(地絲, ground yarn)로서 바탕조직에 적용되었다. 빛 발현 효과가 있는 광섬유는 2차 효과사(effect yarn)로서 8매~16매의 뜨는 조직(floating weave structure)을 적용하여 일루미네이팅 효과가 발현되도록 직물 설계하였다.

직물 조직	적용 직물 조직(weave structure)
복합조직(Compound Weave)
	Ground weave	Effect weave

본 연구의 광섬유를 적용한 카시트 직물의 디자인 컨셉은 2011 푸랑크푸르트 및 제네바 모터쇼 분석자료²⁵⁾를 토대로 하여 자동차디자인 트렌드의 친환경화, 고효율화, 고급화, 다양화, IT기술의 융합디자인화 등의 컨셉을 반영하였다. 카시트 원단디자인의 분석 자료에서 나타난 표면 조직감, 도비(dobby) 조직, 도트(dot)의 포인트 효과, 도형화된 작은 사이즈의 기하학적인 패턴 경향을 바탕으로 하여 패턴디자인을 전개 하였고, 이의 디자인 컨셉과 관련된 2011 푸랑크푸르트 및 제네바 모터쇼 카시트 원단의 패턴유형 예는 [그림 8]과 같다.

[그림 8] 2011푸랑크푸르트/제네바모터쇼 카시트패턴

광섬유를 적용한 카시트 직물의 직조디자인(weave design)을 한정된 시간 내에서 소량다품종으로 다양하게 전개하고 손쉽게 수정하기 위하여, 직조(Jacquard weave) 전용 디자인 툴(design tool)인 독일 Designscope사의 EAT WEAVE CAD 시스템을 활용하여 기하학적인 작은 사이즈의 패턴을 중심으로 패턴디자인 전개하고 직조의장(織造意匠)을 통하여 직물을 완성하였다. 본 디자인 작업의 결과로서 최종적으로 5점 디자인의 광섬유 적용 카시트직물을 완성하였고, 이의 패턴디자인과 직물시뮬레이션은 [표 5]와 같다.

size(inch)	Pattern Design	Fabric Simulation
2.4×2
2.4×2.5
4.8×7.5
3.2×10
4.8×5

광섬유를 적용한 카시트 직물디자인의 전개 완료 후, 최종 선정된 5점 직물의 자동차 시트 완제품의 상용화 사전검증을 위해서 EAT CAD 시스템의 직물시뮬레이션(real fabric simulation) 데이터를 Tex-pro CAD와 Photoshop 7.0에서 카시트 3D 맵핑(Mapping) 작업을 함으로써 예상되는 카시트 완제품을 파악할 수 있었다. 이와 관련된 카시트 직물시뮬레이션 및 상용화 카시트 3D 맵핑(Mapping) 작업 결과는 [표 6]과 같다.

최종으로 선정된 카시트 직물디자인 5점은 생산 가능한 카시트 원단 스펙에 맞추어 EAT WEAVE CAD 시스템의 직조의장(織造意匠) 작업을 통하여 완성하였으며, 이의 직물들은 자카드 2400구(2400 hooks)의 그로세(Grosse) 전자식 직기에서 제직하였다. 이와 관련된 결과로서 실 제직 된 광섬유 카시트 직물의 결과는 [표 7]과 같다.

본 연구의 제직 결과 완성된 광섬유사 적용 시트 직물 5점을 마틴데일법에 의하여 40000회까지 원단의 마모 강도(KS K ISO 12947-1)를 측정한 결과, 모든 시험원단이 30000회 이상의 마모횟수에서 마모가 시작되는 것으로 분석되어 전반적으로 본 연구의 직물들은 자동차 시트 적용이 가능한 시험결과로 나타났다.

Fabric Design No. 1201	Fabric Design No. 1202
Fabric Design No. 1204	Fabric Design No. 1205

No.	fabric simulation	woven car seat fabric
1201
1202
1203
1204
1205

[그림 9] 광섬유 적용 카시트 내장재의 빛 발현

[그림 9]에서 보는 바와 같이, 본 연구에서 디자인 개발된 광섬유 적용 카시트 직물 5점을 광섬유 부분에 빛 발현이 가능하도록 고안한 광섬유 커넥터를 직조된 광섬유 부분에 장착시켜 LED 테스트를 진행시킴으로써 에칭된 광섬유에 색광에 따른 빛 발현 효과를 검증하였다. 이의 결과를 토대로 자동차 시트의 사이드 볼스터(Side-bolster) 부분에 광섬유 카시트 직물원단을 봉제하고 광섬유 커넥터에 장착시켜 광섬유 카시트직물의 일루미네이팅 효과를 확인하였다. 본 연구의 광섬유 카시트 직물 원단을 통한 빛의 발현으로써 자동차 시트디자인에 광섬유를 시각적인 인테리어 변화 효과에 적용이 가능 할 수 있다. 또한 본 연구의 광섬유 카시트 직물 개발을 통하여 카시트 원단의 물성 기준에 보다 충족시키기 위하여 카시트 후가공의 고온 조건에 견딜 수 있는 고내열 광섬유 개발 및 후가공 조건 확립, 빛 발현을 위한 광섬유 에칭기술 등에 관한 연구 개발이 지속적으로 필요함을 파악할 수 있었다.