I.Introduction

환경과 건강에 대한 관심의 증가와 현대인에게 아토피 등과 같은 피부질환자의 증가로 인해 인체친화성에 대한 관심이 높아지고, 건강을 중심으로 한 기능성 소재의 활용범위가 확대되면서, 섬유영역에 있어서도 친환경적 제품군에 대한 소비자의 요 구가 증대되고 있으며, 이에 따라 전통적인 천연염색에 대한 관심이 높아지고 있다.

또한 섬유 관련 분야에서는 천연섬유에 비하여 인 조섬유의 사용량이 증가되고, 외의류뿐만 아니라 내 의류에도 인조섬유가 많이 사용됨에 따라 피부 자극 이나 독성과 같은 장해가 거의 없고 항균 등 여러 가 지 생리적 기능을 지닌 천연물의 활용이 활발해지고 있다. 이때 천연염료는 종류에 따라서는 항균, 소취 등의 생리적 기능과 항염 등의 약리 작용을 나타내는 것으로 알려져 있다(Hong, Jeon, Kim, & Jeon, 2005; Hwang, 2009; Oh, Park, & Park, 2005; Park & Yoon, 2009). 그런데 대부분의 천연염료는 염색성과 염색견 뢰도가 낮아서 금속매염제를 사용하여 염색성과 항 균성을 향상시키고자 하는데, 이 때 항균성을 부여하 기 위해 사용해온 금속매염제 중에서 중금속 성분에 의한 환경오염과 인체유해성을 우려하였다(Shin & Chung, 2013).

인조섬유 중에 레이온과 라이오셀과 같은 재생 셀 룰로오스 섬유는 천연 셀룰로오스인 면, 마섬유와 동 일한 화학적 조성을 가지고 있으며, 대두 섬유와 같 은 재생단백질 섬유는 천연단백질 섬유인 양모와 견 섬유 등과 같은 화학적 조성을 지니고 있어서, 섬유 의 화학적 성질인 흡습성이나 염색성이 유사한 것으 로 알려져 있다(Kim, 2009). 또한 합성섬유인 나일론 섬유는 산성염료에 염색되며, 대부분의 천염염료들이 산성염료의 구조를 가지고 있으므로, 천연염료에 대 한 염색성을 기대할 수 있다. 전통적으로 천연염료는 주로 천연섬유에 염색되어 왔으나, 최근 인조섬유에 염색하는 연구가 시도되었다. 인조섬유에 대한 천연 염색성에 관한 선행연구로는 대두섬유, 대두/면 혼방 섬유, 나일론섬유, 스판덱스/나일론 혼방섬유 등 질소 함유 섬유에 헤나염색성 및 항균성에 관한 연구(Oh et al., 2005)가 있으며, 나일론과 대두섬유에 솔잎 추 출물의 염색성 및 기능성을 분석한 연구(Jeon & Park, 2013; Joen & Park, 2009, 2010) 결과를 통하여 인조섬유의 천연염색성이 매우 우수한 염색성과 기능 성이 있음을 보였다. 따라서 오배자 염료의 경우에도 인조섬유의 염색 가능성을 예상할 수 있다.

오배자를 이용한 염색성에 관한 연구는 오배자의 염색성에 관한 연구(Chu, 1998)와 오배자에 의한 회 색계열 염색에 관한 연구(Shin, Kim, & Cho, 2005) 등이 있으며, 면, 마, 견과 같은 천연섬유와의 염색성 을 고찰한 것이 대부분이다. 오배자 염료에 대한 기 능성에 관한 선행연구를 보면, 오배자 추출물로 염색 했을 때 염색되었을 뿐만 아니라, 항균성도 있고, 그 세 탁견뢰도도 4~5급으로 우수하였음을 알 수 있다(Hong et al., 2005, Hwang, 2009; Park, 2008). 그러나 모두 천연섬유를 이용하였으며, 최근에 많이 사용되는 인 조섬유에 대한 염색성 및 기능성 관련 연구는 미흡함 을 알 수 있다.

따라서 본 연구에서는 선행연구를 통하여 천연염 료 중에서 매염제를 쓰지 않고도 염색물이 항균성을 보이며, 세탁견뢰도가 우수한 오배자를 선택하여 실 험의 재료로 선택하여 질소성분이 함유된 인조섬유에 대한 염색성과 항균성을 알아보고자 하였다. 친환경 천연염료 재료의 이용에 의한 무매염 염색 시 발생되 는 환경오염을 감소시키고자 하며, 오배자의 인조섬 유 종류별 최적 염색조건을 분석하고, 오배자의 염색 특성과 항균성을 측정하여, 오배자로 천연염색된 인 조섬유를 실생활에 사용가능 여부를 평가하고, 활성 화하는데 도움을 주고자 한다.

Ⅱ.Experiment

1.Materials

1)Test fabrics

본 실험에 사용한 시료 직물의 원료인 인조섬유(합 성섬유와 재생섬유)는 총 5종류로서, 의류시험검사소 에서 구입한 시험용표준백포 100% Nylon, 100% Rayon 섬유와, 신진텍스에서 제공한 100% Tencel과 60/40% Tencel/Modal 혼방을 이용하였으며, 미두에서 제공한 100% 대두섬유를 사용하였다.

대두섬유는 실 상태로 구매하였으므로, 염색을 쉽 게 하기 위하여 횡편직기를 이용하여 14게이지로 편 직하여 사용하였으며, 염색을 진행하기 전에 먼저 정 련표백을 하여 실시하였다. 염색 중에는 자연환경 보 존과 인체피해를 고려하여 중금속으로 이루어진 매 염제는 사용하지 않았다. 각종 인조섬유로 구성된 시 료 직물의 특성은 <Table 1>과 같다.

2)Natural dyes

염재는 인터넷상에서 구입한 중국산 건조 오배자 를 수세하여 사용하였다.

2.Experimental methods

1)Dye extraction

염료의 추출을 위해, 오배자 100g에 증류수 1L를 사용하여 95℃ 이상에서 1시간 동안 일정한 온도와 시간에서 추출하였다. 이때 염액의 전체량은 증발 등 을 고려하여 끊이는 중간에 물을 보충하여 최종 액비 가 50:1이 되도록 유지하였다.

2)Dyeing method

추출한 염액을 욕비 50:1로 하여, 염색온도별로 40℃, 60℃, 80℃, 100℃에서, 또한 염색시간별로 30, 45, 60, 90분간 5종류의 인조섬유 시료를 각각 염색하였 다. 이때 염액의 전체량은 증발 등을 고려하여 끓이 는 중간에 물을 보충하여 최종 액비가 50:1이 되도록 유지하였다.

3)Dye up-take measurement

염색된 시료의 염착량을 측정하기 위해 Color-Eye (Mcbeth 3000)을 사용하였으며, 겉보기 염착량은 최대 흡수파장에서 표면 반사율을 측정하여 K/S값을 산출 하고, 피염물의 염착량(표면염색농도)으로 평가하였다.

4)Color and color difference measurement

염색된 시료의 색을 측정하기 위하여 Color-Eye (Macbeth 3000) 이용하여 L＊, a＊, b＊ 값과 색차(⊿ E)를 측정하였다.

5)Antimicrobial activity determination

직물을 오배자 추출물 50.0% o.w.f를 사용하여 욕 비 50 : 1 조건으로 시간별 온도별에 따라 염색한 후 수세하였다. 오배자 추출물로 염색한 직물의 항균성 을 알아보기 위해 KS K 0693(Korean Agency for Technology and Standards, 2011)법에 의거하여 항균성을 시험하였다. 이때 사용한 균주는 공시균인 황색포도상 구균(Staphylococcu saureus)과 폐렴균(Klebsiella pneumoniae) 두 균주에 의해 실험을 실시하였고 실험에 의해 정균 감소율(%)은 항균처리가 되지 않은 대조편 의 시료에 18시간이 지난 후의 생균수와 처리 시험편 의 18시간 후의 생균수의 상대적 감소율은 다음의 식 과 같은 측정법으로 구하였다. 접종균의 농도는 황색 포도상구균의 경우 1.9×10⁴으로 하였고, 폐렴균은 2.1× 10⁴으로 하였다.

Bacteriostatic ratio(%) = (Mb-Mc)/Mc × 100

Ⅲ.Results and Discussion

1.Dye up-take on man-made fibers dyed with gallnut by dyeing conditions

1)Dyeing time

오배자 증류수 추출물로 염색시간에 따른 염색효 과를 실험한 직물의 염착량 (K/S)값은 <Fig. 1>과 같 다. 오배자 추출물로 염색한 모든 직물에 대하여 염 색시간이 경과함에 따라 염착량은 모두 증가하였는 데, 이 결과는 일반적으로 염색 시간이 경과하면 염착 량이 증가한다는 일반론과 일치하는 것을 알 수 있다 (Joen & Park, 2009; Oh et al., 2005). 그러나 레이온, 텐셀, 텐셀혼방, 나일론 섬유의 경우 시간에 따라 염 착량 증가가 미미한데 반해, 대두섬유의 경우에는 고 온에서 염색시간에 따라 급격한 증가를 보였으며, 특 히 염색시간 60분까지 염착량이 현저하게 증가하다 가, 이후 완만하게 증가하여 90분에서 최대염착량을 나타내었다. 따라서 최대 염착시간은 90분이나, 최적 염색시간은 60분으로 판단된다.

2)Dyeing temperature

<Fig. 2>는 염색온도에 따른 염착량 변화를 나타낸 것이다. 대두섬유, 레이온, 텐셀, 텐셀혼방, 나일론섬 유에 있어서 모든 섬유가 온도가 증가함에 따라 염착 량이 증가하였다. 셀룰로오스 섬유인 레이온, 텐셀, 텐 셀혼방 섬유의 경우, 온도에 의한 영향을 거의 받지 않았으나, 나일론과 대두섬유의 경우 염착량은 염색 온도가 60℃까지는 완만하게 증가하다가, 80℃와 100℃ 에 이르기까지 급격한 증가를 보였다. 따라서 오배자 의 인조섬유 종류별 최대염착을 위한 염색온도는 10 0℃로 나타났다.

위의 결과는 염색 온도가 상승하면 염색성은 향상 된다는 일반론과 일치하다는 것을 알 수 있다(Joen & Park, 2009; Oh et al., 2005). 특히 단백질섬유인 대두 섬유는 온도가 증가함에 따라 염착량이 크게 증가하 는 것을 알 수 있는데, 이 역시 위에서 설명한대로 섬 유 내 분자 운동이 더욱 활발해져서 염료가 섬유 내 부로 확산되기 때문으로 생각된다.

나일론섬유 역시, 온도가 증가함에 따라 Tg 이상 에서 염착량이 급격히 증가하여 온도의 영향이 큼을 알 수 있었다. 이는 온도가 증가함에 따라 섬유가 팽 윤하고, 비결정영역의 섬유분자의 운동이 커져서 염 료가 섬유내부로의 확산이 용이해졌기 때문으로 생 각된다(Kim, 2009).

3)Man-made fiber type

<Fig. 3>은 각종 인조섬유의 오배자 염료에 대한 염 색성을 알아보기 위해, 최적 염색조건인 염색온도 100℃, 염색시간 90분에서 염색된 각종 인조섬유의 염착량 을 나타낸 것이다. 오배자 색소는 재생 단백질 섬유인 대두섬유에 높은 친화력을 보인 반면 레이온이나 라 이오셀과 같은 재생 셀룰로오스 섬유에서는 현저히 낮은 염착량을 보였다. 이는 재생 단백질 섬유가 재생 셀룰로오스 섬유에 비하여 수산기(-OH)뿐만 아니 라, 오배자 색소와 염착량이 강한 원자단인 아미노기 (-NH₂)와 카르복실기(-COOH)가 많이 형성되어 있 기 때문으로 생각된다.

Noh and Lee(2014)의 연구에서, 질소성분이 함유 된 대두섬유의 오배자 염착 메커니즘은 대두섬유(혹 은 나일론섬유)의 아민기(peptide기의 –CONH- 및 말단기인 –NH₂)와 오배자 색소의 주성분인 탄닌의 수산기에 의한 수소결합에 기인한다고 하였다.

대두 단백질섬유는 22~55%의 아미노산(18-20종 류)을 함유하고 있으며, 특히 항산화 물질인 토코페 롤과 사포닌을 다량 함유하고 있어서 피부의 노화예 방에 좋다고 알려져 있으며, 시중에서는 속옷 재료로 이용되고 있다(Oh et al., 2005). 또한 질소성분이 함 유된 나일론 섬유의 경우 역시 염착량이 높게 나타났 기 때문에 합성섬유에 대한 천연염료의 염색성에 기 대할 만한 효과를 나타내었다.

2.Color and color difference of man-made fibers dyed with gallnut

<Table 2>와 <Fig. 4>는 오배자 염색의 최대 염착량 을 나타낸 염색온도 100℃와 염색시간 90분에 처리 한 염직물의 L*a*b* 값을 측정하여 표면색을 나타낸 것이다. 또한 X-rite사의 color I-control 소프트웨어를 이용하여 측정결과의 수치(L*a*b* 값)를 염색직물의 이미지 색으로 재현하였다. 그 결과, 오배자로 무매염 염색된 모든 인조섬유에서 갈색 색상을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

오배자의 염색성에 관한 선행연구 중(Hong et al, 2005)에서 면직물에서는 무매염의 경우 거의 염색이 되지 않아 밝은 베이지(beige)색을 띄었다. 선행연구 중(Chu, 1998; Noh & Lee, 2014)에서도 오배자로 염 색한 천연 섬유 중 갈색을 나타내어, 본 연구와 유사 한 결과를 얻었다.

또한 염색 전후의 색상을 측정하여 계산식에 의해 얻은 색차(⊿E)는 <Table 2>에 나타내었다. <Table 2> 에서 보는 바와 같이, 질소성분 함유 인조섬유인 대두 섬유와 나일론섬유에서 색차가 현저하게 차이가 남 을 알 수 있다. 이 역시 두 섬유에 함유된 아민기와의 염착메커니즘 때문으로 판단된다(Noh & Lee, 2014).

3.Antimicrobial activity of man-made fibers dyed with gallnut

<Table 3>은 오배자 추출물로 최대 염착량을 나타 낸, 염색온도 100℃와 염색시간 90분에서 염색한 각종 섬유의 항균성 시험 결과를 나타낸 것이다. 오배자 추 출물로 염색된 모든 인조섬유에서 황색포도상구균과 폐렴균 모두에서 99.9%의 정균감소율을 나타내었다.

따라서 오배자 염료는 천연항균제로서 그 항균효 과는 우수한 것을 알 수 있다. 선행연구들(Hong et al., 2005; Hwang, 2009; Oh et al., 2005; Park & Yoon, 2009) 중에서 자체적인 항균성을 갖고 있는 천연염재 는 상대적으로 많지 않았고, 대부분 매염제를 사용하 므로서 매염제에 의한 항균성을 갖고 있는데, 반면 오배자염료는 매염제없이도 오배자염료 자체적인 우 수한 항균력을 갖고 있기 때문에, 실용적인 우수한 천 연항균제로서의 이용이 충분히 가능하다고 여겨진다. 특히 <Table 3>에서 보는 바와 같이, 매우 낮은 염착 량을 나타낸 재생 셀룰로오즈 섬유(레이온, 텐셀, 텐셀 혼방)에서도 우수한 항균력을 보여, 인조섬유의 항균소 재로서의 실용화가 충분히 가능할 것으로 판단된다.

Ⅳ.Conclusion and Suggestion

환경과 인체에 유해요소를 없애고자 본 연구에서 는 천연 염재인 오배자의 무매염 염색법을 통해서 각 종 인조섬유에 대한 염색 특성을 알아보기 위해, 염 색조건(염색시간, 염색온도)에 따른 염색성 및 항균성 을 측정하였으며, 그 결과의 고찰을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.