바늘땀 직물의 원통형 압축 거동과 주름 형성 메커니즘

초록

본 연구는 원통형 강체에 감긴 평직 니트 원단을 축방향 압축했을 때, 가늘게 감긴 경우와 넓게 감긴 경우에 나타나는 주름 패턴의 차이를 체계적으로 조사한다. 가로(와일)와 세로(코스) 스티치 수를 변형시켜 루프 기하학이 전단력, 피크 압축력, 주름 각도 등에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고, 제조 과정에서 발생하는 미세 비대칭이 헬리컬 주름을 유발한다는 결론을 도출한다.

상세 분석

이 논문은 니트 직물의 미세 루프 구조와 매크로 버클링 거동 사이의 연결 고리를 정량적으로 밝히는 데 중점을 둔다. 실험 샘플은 직경 70 mm의 강체 위에 평직(plain‑knit) 형태로 제작했으며, 와일 수(Nw)를 4060, 코스 수(Nc)를 Nw·0.52.0 비율로 조절해 총 12가지 조합을 만든다. 와일 수가 작을수록(즉, 원통에 더 촘촘히 감길수록) 루프 간 접촉 면적과 마찰이 증가해 압축 초기의 강성 상승을 보이며, 압축 변위가 20 % 정도일 때부터 급격한 피크 압축력(Fpeak)이 나타난다. Fpeak은 Nw가 작고 Nc/Nw 비율이 클수록 크게 증가하는데, 이는 루프가 서로 얽히면서 발생하는 비선형 굽힘·마찰 저항이 전체 구조 강성을 강화하기 때문이다.

주름 형성 메커니즘은 두 가지 전형적인 모드로 구분된다. (1) “앱코드형” 주름은 와일 수가 작고 원통에 강하게 고정된 경우, 압축면에서부터 순차적으로 수직 주름이 전파되며, 각 주름은 원통 축에 거의 수직으로 배열된다. 이때 주름 간 거리는 루프 길이와 거의 일치하고, 주름 전파 속도는 압축 속도와 비례한다. (2) “헬리컬형” 주름은 와일 수가 크고 원통에 느슨하게 감긴 경우에 관찰되며, 한쪽 방향(대부분 시계 반대 방향)으로 전체 표면에 동시에 나타난다. 헬리컬 주름의 피치와 각도는 Nc/Nw 비율에 따라 선형적으로 증가하고, 초기 형성 시점은 압축 변위 30 %에 근접한다.

흥미로운 점은 헬리컬 주름이 제조 과정에서 발생하는 미세 비대칭, 즉 실의 텐션 차이와 편직 방향에 의해 선행 토크가 남는 현상과 직접 연관된다는 것이다. 실험에서는 동일한 편직 파라미터라도 롤러 전진 속도와 텐션 설정을 미세하게 바꾸면 주름의 회전 방향과 각도가 변하는 것을 확인했다. 이는 루프 자체가 비대칭적인 Ω‑형태를 띠게 되어, 압축 시 전단 변형이 비균일하게 전파되고, 결과적으로 전체 구조가 헬리컬 형태로 전이한다는 메커니즘을 시사한다.

또한 이미지 분석을 통해 개별 루프의 가로·세로 길이(w, c)와 곡률 반경을 추정했으며, 압축 전후 루프 변형량이 Fpeak과 강하게 상관함을 보여준다. 루프가 크게 굽혀지면 접촉 면적이 급증해 마찰 저항이 비선형적으로 증가하고, 이는 피크 압축력 상승과 주름 형성 시점 지연으로 이어진다. 이러한 결과는 기존의 2차원 연속체 모델이 설명하기 어려운, 루프 수준의 기하학적 비선형성과 마찰 효과를 고려한 새로운 모델링 필요성을 강조한다.

요약하면, (i) 와일 수와 코스 수 비율이 버클링 모드와 피크 압축력에 결정적 영향을 미치며, (ii) 제조 시 남는 잔류 토크가 헬리컬 주름을 유도하고, (iii) 루프 굽힘·마찰이 매크로 거동을 지배하는 비선형 메커니즘을 제공한다는 점이다. 이러한 인사이트는 의료용 압축 텍스타일, 착용형 로봇 구조물, 그리고 3D 패턴을 의도적으로 설계하고자 하는 스마트 섬유 분야에 직접적인 설계 지침을 제공한다.