유연한 탄소섬유 플레이트: 운동화 성능 향상 및 경량화

탄소섬유 미드솔 플레이트, 생크 및 기타 구성품은 수년간 최상위 운동화의 성능을 향상시키고 무게를 줄여왔다. 그러나 카바이텍스(Carbitex Inc., 미국 워싱턴주 케네윅) 창업자 겸 회장 주누스 칸(Junus Khan)은 설명한다. 복합재를 사용하더라도 신발 개발자들은 미드솔 플레이트 소재 선택 시 일반적으로 타협해야 한다: 필요한 활동 중 발을 지지할 만큼 충분히 단단하지만 경직되고 무거운 소재, 아니면 가볍고 유연하지만 충분한 지지를 제공하지 못하는 소재 사이의 선택이다. 어느 쪽이든, 또는 그 중간에 있는 타협 소재는 신발과 착용자를 본질적으로 비효율적으로 만들며, 카바이텍스는 유연한 탄소섬유/열가소성 복합 소재 제품 라인 개발을 통해 이를 극복했다고 말한다.

하지만 칸은 원래 신발 산업을 변혁하려 하지 않았다고 말한다. 10년 조금 전, 경제학 배경을 가졌지만 자동차 산업에서 일하며 탄소섬유 복합재를 알게 된 칸은 여행 가방 시장을 보고 왜 가방 제조사들이 실제 탄소섬유 대신 발리스틱 나일론 등 직물로 탄소섬유 미학을 모방하려 하는지 의아해했다. 여행 가방 시장에 적합한 부드럽고 유연한 탄소섬유 제품을 만드는 회사를 찾지 못해 직접 만들어보기로 했다.

여행 가방에서 신발로

2010년 칸은 여가 시간에 차고에서 다양한 탄소섬유 소재를 조사하기 시작했고, 2011년 미국 에너지부 태평양 북서 국립연구소에서 첫 소재와 공정을 테스트했다. 그 시점에서 "실행 가능한 개념과 소재 공간에 대한 더 나은 이해를 갖게 되었고" 이 개념을 회사로 발전시켜 지속적 개발과 궁극적 판매를 목표로 하기로 결정했다. 카바이텍스 주식회사는 2012년 2월 설립되었다.

칸은 다른 회사들이 단일 플라이 직물을 두 열가소성 필름 사이에 현탁시키는 방식으로 반유연 탄소섬유 직물을 개발했다고 설명한다. "그러나 그 소재를 인장으로 당기면 필름이 탄소 표면에서 찢어지는 실패 모드가 발생한다"며, "박리 경향이 라미네이트에서 실제로 사용할 수 있는 유연성을 방해할 수 있다."

카바이텍스의 CX6 제품(오리지널 제품)도 탄소섬유 직물 단일 플라이를 열가소성 필름 사이에 라미네이트한 것이다. 하지만 칸에 따르면, 직물은 2015년 미국 특허 출원한 특수 개발 바인더로 먼저 처리되는데, 이는 라미네이트된 직물에 "폴리머 필름으로 라미네이트되지 않은 직물과 유사한 유연성, 향상된 접착력과 인장 강도"를 부여한다. 그는 "우리 CX6 소재를 인장으로 당기면 실패 모드가 필름 박리가 아닌 섬유 실제 파단이다. 탄소섬유의 상표 같은 강도를 진짜로 얻는 것이다." 이 소재는 다른 복합 소재 대비 매우 낮은 신율 특성을 가지며, 카바이텍스는 이를 향상된 파워 전달로 정밀 제조된 신발 구성품에 활용했다.

카바이텍스는 투미(Tumi, 미국 뉴저지주 사우스 플레인필드) 같은 회사들에 첫 CX6 제품을 여행 가방 및 핸드백 산업에 판매하기 시작했다. 그러나 빠르게 소비자 가전 등 다양한 산업에서 문의를 받기 시작했다. 성장은 흥미로웠지만, "동시에 우리가 너무 얇게 퍼지고 있음을 깨닫기 시작했다." 약 3년 전, 가장 잠재력이 큰 한 시장인 신발에 집중하기로 결정했다.

오늘날 카바이텍스는 신발 산업 전반에 탄소섬유 플레이트를 공급하며, 스노보딩, 사이클링, 수상 스포츠, 러닝, 하이킹, 패션 제품 등에 사용된다. 회사의 가장 최근이자 최고 성능 신발 애플리케이션 중 하나는 2020년 가을 아디다스가 출시한 축구화다.

AFX와 DFX: 신발 혁신

지난 몇 년간 카바이텍스는 AFX와 DFX라는 두 가지 새로운 복합 기술을 출시했다. 칸에 따르면, "일반적인 복합재"의 강성이 섬유 방향과 플라이 길이에 의해 제어되는 것과 달리, 카바이텍스 탄소섬유 시트의 강성은 길이 전체에서 균일하다. 다른 복합재가 한 종류의 수지 시스템과 섬유로 구성될 수 있는 반면, 카바이텍스 소재는 원하는 유연성 특성을 달성하기 위해 폴리머 시트와 직물 층의 복잡한 레이어링을 포함한다. "우리 AFX 소재의 매우 단순한 버전은 두 가지 다른 유형의 탄소섬유가 또 다른 두세 가지 유형의 폴리머 사이에 샌드위치된 형태일 수 있다"며, "복잡한 레이어링 시스템이고, 그 레이어들이 [필요한] 특성을 위해 어떻게 결합되어야 하는지 이해해야 한다."

일반적으로 제조 공정은 직물(바인더나 다른 직물 처리제로 처리될 수 있음)과 폴리머 시트를 패널로 레이어링하는 것으로 시작한다. 다양한 공급업체의 섬유가 사용되지만, 칸에 따르면 카바이텍스 제품 대부분은 도레이 컴포지트 머티리얼즈 아메리카(Toray Composite Materials America, 미국 워싱턴주 타코마) 섬유와 헥셀(Hexcel, 미국 코네티컷주 스탬포드)의 스프레드 토우 직물을 포함한다. 폴리머도 애플리케이션에 따라 다르지만 유연성과 성형성을 위해 일반적으로 열가소성이다. "때로는 애플리케이션에 따라 완전히 열가소성이 아닐 수도 있다."

이 패널들은 열압착 프레스에서 콘솔리데이션되며, 제거 후 개별 부품이 워터젯으로 절단되고 성형된다. 개별 부품 레이업 대신 패널로 제조하면 기존 레이업보다 높은 생산량을 얻는다고 칸은 말한다.

제조 공정

첫째, 특정 직조 직물, 프리프레그, 폴리머 필름 레이어가 패널로 적층된다.

다음, 패널이 열압착 프레스에서 콘솔리데이션된다.

경화된 패널에서 워터젯으로 특정 구성품이 절단된다.

개별 부품 레이업을 피함으로써 더 높은 처리량을 달성한다고 카바이텍스는 말한다.

결과적인 탄소섬유 복합재 미드솔(사진은 DFX 구성품)이 최종 신발 애플리케이션에 조립된다.

강성과 유연성의 균형 외에도, 신발 개발에는 추가 도전 과제가 있다: 인간의 발은 과신전이나 골절 없이 한 방향으로만 구부러질 수 있으므로, 신발 소재는 특정 방향으로만 구부러지고 다른 방향으로는 구부러지지 않는 다재다능함이 필요하다. 카바이텍스는 이를 라미네이트의 제어된 버클링(buckling), 즉 굽힘으로 달성한다고 칸은 말한다.

"일반적으로 복합재에서 '버클링'은 실패로 귀착된다"며, "하지만 우리는 섬유가 부러지지 않고 버클링되게 하는 방법을 찾아냈다." 이 발명은 처음에 우연히 이루어졌는데, 동료가 특정 섬유와 폴리머 레이어 조합이 한 방향으로만 버클링되는 소재를 만들었다는 것을 깨달았다. "그것에 어떤 이점이 있어야 한다고 깨달았다"며, "레이어들을 벗겨내 어떻게 일어났는지 배우고 어떻게 의도적으로 할 수 있는지 이해하기 시작했다."

결과물은 AFX라고 불리는데, "AF"는 "비대칭 유연(Asymmetrically Flexible)"을 의미하며 한 방향으로 구부러지지만 반대 방향으로는 완전히 강성이다. 2018년 특허 출원에 따르면, 카바이텍스 AFX 제품은 직조 직물 층, 프리프레그 층, 그 사이에 최소 하나의 폴리머 층으로 구성되며, 이를 어셈블리로 결합한 후 성형 및 경화한다. "레이어 배열은 제1 방향으로 높은 굽힘 저항, 반대 제2 방향으로 낮은 굽힘 저항을 가진다."

"우리 기술은 원하는 방향에서 강성과 보호 수준을 가능하게 한다"며, 칸은 덧붙인다. AFX 탄소섬유 미드솔을 적용한 하이킹 부츠는 예를 들어, 울퉁불퉁하거나 수직 지형에서 발이 잘못 구부러지는 것을 방지하는 데 필요한 지지력과 강성을 제공하지만, "평지에서 발을 구부려 걸을 때는 러닝화만큼 유연하다." AFX는 하이킹 부츠를 강화하는 데 자주 사용되는 보드와 고무 소재 조합보다 가볍다.

카바이텍스의 세 번째 제품은 DFX로, AFX의 파생물로 "동적 유연(Dynamically Flexible)"을 의미하며 신발 내 소재 강성이 발 움직임에 따라 변한다. DFX에서는 "특정 각도에서 초유연했다가 더 높은 각도에서 점진적 또는 기하급수적으로 더 강해지는 [신발]을 가질 수 있다"며, "신발에서 이는 성능과 직접 연관된다." 2020년 특허 출원에 따르면, DFX는 최소 3개 층이 어셈블리되어 하나로 경화된 라미네이트로 구성된다: 바인더 강화 유연 직조 직물 층, 더 강성한 직조 직물 층, 최소 하나의 폴리머 층.

칸은 러닝화나 축구화가 선수가 트랙이나 필드에 들어갈 때는 부드럽고 유연하다가, 달리기 시작하여 발이 더 높은 각도에서 구부러지면 움직임을 지지하기 위해 더 강해질 수 있다고 말한다. "기업들은 더 이상 특정 미드풋 강성을 선택하며 타협할 필요가 없다. 주어진 활동의 다양한 기능을 식별하고 그에 맞춰 강성을 엔지니어링할 수 있다."

"또 다른 관점은 DFX가 발의 성능을 증강하여, 근육이나 인대처럼 스트레칭 방향에 따라 유연하거나 강해지도록 작용한다는 것이다. AFX 소재는 팔꿈치나 발목 같은 관절처럼 작동한다 - 한 방향으로 정말 잘 구부러지도록 설계되어 있다."

각 소재 반복은 특정 성능 범위와 제조 통합 수준을 위해 특별히 설계되었으며, 특정 강성이나 내구성 요구 사항 같은 범위 내 커스터마이징 여지가 있다. 회사도 잠재 고객에게 맞춤 샘플을 제공한다. "우리 복합재가 어떻게 작동하고 왜 그런지에 대한 데이터를 지속적으로 수집하고 자체 모델링 시스템을 구축하여 필요에 따라 꽤 빠르게 다른 버전을 돌릴 수 있다. 보통 문의 접수 후 하루 이틀 내에 맞춤 샘플을 제작해 발송한다."

신발을 넘어

"현재 우리 목표는 신발 내에서 계속 확장하며 그 기회를 포착하는 것"이지만, "장기 목표는 항공우주와 의료 애플리케이션 같은 다른 산업으로 성장하는 것"이라고 칸은 말한다.

"우리 제품이 진정한 혜택을 줄 시장이고 신발과 유사점도 있는 산업 중 정말 최우선 순위는 정형외과 및 보철 분야, 어쩌면 로봇 측면도 있다"고 그는 말한다. 보철 팔다리의 동적 유연성은 현재 무겁고 비싼 전자 시스템과 유압 액추에이터로 달성된다. 칸은 카바이텍스 제품이 무릎이나 등 보호대 같은 애플리케이션에 사용되어 특정 움직임이나 과신전을 방지하면서 다른 움직임을 가능하게 할 수 있다고 구상한다. "보호대에서는 정말 나쁠 한 방향 움직임 때문에 신체 일부를 고정하는 게 일반적이다. 핵심은 그 한 방향 움직임을 제한하면서 사람이 다른 방향으로 움직일 수 있게 하는 보호대를 만드는 것이다." 이 목표에 부합하여 카바이텍스는 최근 어린이용 보호대를 만드는 회사와 애플리케이션 개발을 시작했다. 회사 소재는 등산객용 압축 슬리브용 탄소섬유 패드와 경기 중 목이 뒤로 꺾이는 것을 방지하기 위해 풋볼 선수 헬멧과 숄더 패드에 연결되는 목 보호대 개발에도 사용되었다고 카바이텍스는 말한다.

다른 애플리케이션을 추구하며, 카바이텍스는 신발에서처럼 지속적으로 열망하는 다른 산업에서도 소재 타협을 제거하길 희망한다. 칸은 "당신을 더 빠르고, 더 좋고, 더 강하게 만드는 제품을 추구한다고 말하는 게 더 멋지긴 한데, 우리는 그걸 하고 있다. 하지만 궁극적으로 우리는 항상 효율성을 추구한다."