KR102366163B1 - 항균성이 부여된 천연 실크 섬유 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 항균성이 부여된 천연 실크 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 항균성이 부여된 천연 실크 섬유는 천연 실크 섬유 본연의 물성 (광택, 우수한 드레이프 및 탄성 등)은 우수하게 유지하면서도 우수한 항균성을 지니고 있어, 미생물의 생성, 번식 및 감염으로 인한 피해 (악취, 얼룩, 색상 변화 및 기계적 물성 저하 등)를 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 항균성이 부여된 천연 실크 섬유는 합성 항균제가 아닌 천연 소재의 항균제를 포함하고 있어, 인체 및 환경 친화적이며, 그 제조 과정에서도 작업자에게 무해하여 작업성이 우수하다는 잇점이 있다.
또한 본 발명의 항균성이 부여된 천연 실크 섬유에서는 천연 소재의 항균제와 천연 실크 섬유가 바인더에 의해 물리적으로 단순 부착된 것이 아니라, 화학적으로 결합되어 있기 때문에, 마찰 또는 세탁에 의하여 항균제가 소실되는 경우가 없고, 반영구적인 항균성을 가질 수 있다.

Description

항균성이 부여된 천연 실크 섬유 및 이의 제조 방법 {NATURAL SILK FIBER WITH ANTIMICROBIAL FUNCTION AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 항균성이 부여된 천연 실크 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
종래 천연실크의 누에는 단식성 곤충으로서 뽕잎을 사료로 사육하여 1령 내지 5령을 거친 후 누에고치가 만들어진다. 그 고치로부터 견사를 뽑아내는 공정을 조사(reeling)라 하고 이때 얻어진 것을 생사(raw silk)라 한다. 이 생사를 다시 비눗물 속에서 가열하여 피브로인(fibroin)의 표면을 덮고 있는 세리신(sericin)을 제거하는 과정이 정련(glossing)이다. 정련 공정을 거친 실은 정련견, 숙견, 견사 또는 연사(glossed silk)라 부른다. 생사 상태로 정련하는 방법을 선련이라 하고 생사로 만든 직물을 정련하는 방법이 후련이다. 누에고치를 80~85
Figure 112019124925018-pat00001
의 온탕에서 10분간 가열하여 세리신을 연화시킨 다음 생사를 몇 올씩 합하여 원하는 굵기의 생사로 만든다. 생사는 주로 피브로인 단백질과 상기 피브로인 단백질을 덮고 있는 세로신(sericin)으로 구성되는 천연 단백질 섬유로서, 생사 한 가닥의 굵기는 2~3d 정도인데 생사 전체의 20~30%가 세리신으로 구성되어 있기 때문에 상기 세리신을 제거하면 약 1d의 피브로인 2가닥으로 분리된다.
세리신은 생분해성, 무독성, 내산화성, 항균 활성, 자외선 저항성 및 흡습성과 같은 고유의 물성을 가지고 있지만, 생사 고유의 광택, 우수한 드레이프(drape) 및 탄성 등의 특성을 나타내기 위해서는 정련 공정을 통해 세리신을 제거해야 한다.
상기와 같이 정련 공정을 통해 얻어지는 연사(glossed silk)는 세리신이 제거되고 피브로인으로 구성된 상태이며, 상기 피브로인은 친수성기로 구성된 천연 단백질이기 때문에 저장 및 사용 시에 미생물이 성장할 수 있는 기질로 사용될 수 있고, 미생물로부터 공격을 받기 쉬운 특성을 가진다. 즉 세리신이 제거된 상태의 연사는 미생물의 생성, 번식 및 감염으로 인해 섬유 내에 악취 및 얼룩이 형성되고, 섬유의 색상 변화를 일으키고 섬유의 기계적 특성을 감소시킬 수 있다.
이와 같이 연사가 미생물의 침해를 받게 되면, 연사 및 이를 이용한 직물의 물성 저하를 일으켜 소비재로서의 가치가 하락하게 되므로, 곰팡이, 균 및 박테리아 등과 같은 미생물로부터 섬유 제품을 보호해야 할 필요성이 꾸준히 제기되고 있다.
일반적으로 화학섬유와 같은 합성 공정을 통해 제조되는 제품의 경우, 기능성을 부여하고자 할 경우는 원료 성분(예를 들면, 섬유 방사원액)에 기능성 물질(예를 들면, 항균제)을 결합시켜 화합물의 화학구조를 개질하거나, 커플링제를 사용하거나 또는 매트릭스 속으로 균일하게 분산하는 등의 결합에 의하여 최종 제품에 기능성을 부여하고 있다. 그러나, 실크 및 울 등과 같은 천연 섬유의 경우, 제조 공정 중에 기능성 물질과 천연 섬유를 물리화학적 결합에 의하여 기능성을 부여하는 기술은 난해한 기술로 알려져 있다. 즉, 천연 실크의 경우 기능성 물질(예를 들면, 항균제)을 실크의 주성분인 피브로인 단백질과 결합을 시키거나 단백질 매트릭스 속으로 균일하게 분산시키는 기술은 현재까지 어려운 실정이다.
정련 공정을 거쳐 세로신이 제거된 연사 및 이를 이용하여 제조된 직물은 항균성이 없는 상태이므로, 미생물에 의한 침투가 발생하기 쉬워, 이를 방지하기 위해서 최근에는 포름알데히드계 수지로 연사를 후가공하여 사용하고 있다.
그러나 포름알데히드계 수지로 후가공시에는 연사의 염색 불량이 발생하고, 이를 이용하에 제직된 직물의 물리적 특성이 향상되지 못하는 문제점이 있다. 또한 포름알데히드계 수지로 후가공시에는 포름알데히드 가스가 발생하여 호흡기 염증 및 통증을 유발하고, 섬유에 잔류하는 포름알데히드는 피부에 노출되었을 때 알레르기를 유발할 수 도 있다.
최근 연구에서는 포름알데히드가 인체에 암을 유발할 수 있는 개연성이 높은 물질로 분류하고 있고, 세계보건기구(WHO)는 포름알데히드가 구강인후암을 유발할 수 있다고 발표하기도 하였다.
최근 포름알데히드 사용에 대한 환경적인 규제가 엄격하게 진행되고 있기 때문에, 정련 공정을 거친 연사로의 미생물 침투를 방지하기 위해서, 새로운 환경 친화적인 항균 처리 개발이 요구되고 있다.
한국 특허출원 10-2015-0098182
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 천연 실크의 고유의 물성은 유지하면서도, 항균성을 부여하여, 미생물로 인한 피해를 방지할 수 있는 항균성이 부여된 천연 실크 섬유 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제 1 측면은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 천연 실크 섬유; 및 상기 천연 실크 섬유의 표면에 화학적으로 결합되어 있는 항균층을 포함하며, 상기 항균층은 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA)과 알로에베라 추출물을 포함하고, 상기 알로에베라 추출물은 에이스만난(aceamnnan)을 포함하는, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유를 제공한다.
본 발명의 제 2 측면은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 에이스만난을 포함하는 알로에베라 추출물; 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA); 및 인산계 촉매를 포함하는 항균성 혼합물을 이용하여 천연 실크 섬유의 표면을 처리하는 단계를 포함하는, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 항균성이 부여된 천연 실크 섬유는 천연 실크 섬유 본연의 물성 (광택, 우수한 드레이프 및 탄성 등)은 우수하게 유지하면서도 우수한 항균성을 지니고 있어, 미생물의 생성, 번식 및 감염으로 인한 피해 (악취, 얼룩, 색상 변화 및 기계적 물성 저하 등)를 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 항균성이 부여된 천연 실크 섬유는 합성 항균제가 아닌 천연 소재의 항균제를 포함하고 있어, 인체 및 환경 친화적이며, 그 제조 과정에서도 작업자에게 무해하여 작업성이 우수하다는 잇점이 있다.
또한 본 발명의 항균성이 부여된 천연 실크 섬유에서는 천연 소재의 항균제와 천연 실크 섬유가 바인더에 의해 물리적으로 단순 부착된 것이 아니라, 화학적으로 결합되어 있기 때문에, 마찰 또는 세탁에 의하여 항균제가 소실되는 경우가 없고, 반영구적인 항균성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 제조 방법의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 FT-IR 분석 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 3은 Staphylococcus aureus ATCC 6538 박테리아에 대한 항균성 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 Klebsiella pneumoniase ATCC 4352 박테리아에 대한 항균성 테스트 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구체예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구체예 및 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본 발명 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명의 제 1 측면은 천연 실크 섬유; 및 상기 천연 실크 섬유의 표면에 화학적으로 결합되어 있는 항균층을 포함하며, 상기 항균층은 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA)과 알로에베라 추출물을 포함하고, 상기 알로에베라 추출물은 에이스만난(aceamnnan)을 포함하는, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 천연 실크 섬유는 누에고치로부터 조사(reeling)를 통해 얻어지는 생사(raw silk)이거나, 정련(glossing) 공정을 통해 상기 생사로부터 세리신을 제거한 형태의 연사(glossed silk)일 수 있고, 바람직하게는 실크 섬유 고유의 광택, 우수한 드레이프(drape) 및 탄성을 나타내기 위하여, 세리신이 제거된 형태의 연사일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 천연 실크 섬유의 표면에는 항균층이 화학적으로 결합되어 있다. 상기 천연 실크 섬유의 표면과 항균층 간의 화학적 결합은 천연 실크 섬유 내의 피브로인과 항균층 내의 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(이하 "BTCA"라 칭한다) 및 에이스만난의 화학적 결합에 기인한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 BTCA는 가교제로서 기능을 수행하며, 천연 실크 섬유 내의 피브로인과 에이스만난의 가교를 위하여 SHP(Sodium hypophosphite)를 촉매로 사용하여 수행한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 알로에베라 추출물은 에이스만난을 포함하며, 구체적으로 에이스만난 이외에도 glucomannan, galactogalacturan 뿐만 아니라 glucogalactomannan과 같은 다당류가 있다.
Acemannan은 알로에 베라의 주요 기능성 성분으로, 이는 무작위로 아세틸 화 된 선형 D-mannopyranosyl 단위로 구성된 장쇄 폴리머로 면역조절, 항균, 항진균 및 항종양 특성을 가지고 있다.
상기 에이스만난은 항균, 항진균 및 항종양 특성을 가지는 물질로서, 천연 실크 섬유 내의 피브로인과 화학적으로 결합(FT-IR분석 결과 1040-1065 cm-1 피브로인과 당류 결합을 확인했으며, 1043 cm-1 에서 C-0 스트레칭 gly-ala likege 관측) 되어 있어, 천연 실크 섬유의 표면에 항균층을 형성함으로써, 미생물(예를 들면, 박테리아, 세균 및 곰팡이 등)로부터 천연 실크 섬유를 보호하는 역할을 수행한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 항균성이 부여된 천연 실크 섬유는 3 g/d 이상의 강도를 가지면서, 99.9% 이상의 항균성을 가진다.
본 발명의 제 2 측면은 에이스만난을 포함하는 알로에베라 추출물; 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA); 및 인산계 촉매를 포함하는 항균성 혼합물을 이용하여 천연 실크 섬유의 표면을 처리하는 단계를 포함하는, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 에이스만난을 포함하는 알로에베라 추출물, BTCA 및 천연 실크 섬유에 대한 설명은 앞서 항균성이 부여된 천연 실크 섬유에서 설명한 바와 같다.
본 발명의 일 구체예에서, 에이스만난을 포함하는 알로에베라 추출물을 수득하는 방법은, Metanol과 알로에베라를 1:20 Meterial to liquor ratio(MLR) 비율로 추출한다.
본 발명의 일 구체예에서, 항균성 혼합물은 상기 에이스만난을 포함하는 알로에베라 추출물, BTCA 및 인산계 촉매를 혼합함으로서 수득될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 항균성 혼합물은 항균성 혼합물 총 100 중량부를 기준으로, 알로에베라 추출물 5 중량부 내지 50 중량부, 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA) 1 중량부 내지 10 중량부 및 인산계 촉매 1 중량부 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.
상기 알로에베라 추출물의 함량이 5 중량부 미만이면, 항균성 부여 효과가 미미할 수 있고, 50 중량부 초과이면 세척에 더 많은 에너지가 사용될 수 될 수 있다.
상기 BTCA의 함량이 1 중량부 미만이면, 가교 효과가 미미하여 항균층과 천연 실크 섬유의 피브로인 간의 화학적 결합이 약할 수 있고, 7 중량부 초과이면, 직물이 뻣뻣해 질 수 있다.
상기 인산계 촉매는 1 중량부 미만이면, BTCA의 가교 효과를 높이는 촉매 역할이 미미할 수 있고, 4 중량부 초과이면, 촉매활성에 영향을 크게 미치지 못 할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 본 발명의 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 제조 방법은 전술한 항균성 혼합물로 천연 실크 섬유의 표면을 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 3 측면은 본 발명에 따른 항균성이 부여된 천연 실크 섬유를 포함하는 섬유 가공품을 제공한다.
본 발명에 따른 항균성이 부여된 천연 실크 섬유는 천연 실크 섬유 본연의 물성 (광택, 우수한 드레이프 및 탄성 등)은 우수하게 유지하면서도 우수한 항균성을 지니고 있어, 미생물의 생성, 번식 및 감염으로 인한 피해 (악취, 얼룩, 색상 변화 및 기계적 물성 저하 등)를 방지할 수 있어, 그 보관 및 사용이 용이하고, 이를 이용하여 제조되는 섬유 가공품 또한 우수한 품질을 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 본 발명의 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1: 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 제조
실크 원사에 침착 된 윤활제 및 오염물을 제거하기 위해 60 ℃에서 물질 대 액체 비 material to liquor ratio (MLR) 1:30을 갖는 비누 (1 %) 및 소다 (0.5 %)를 사용하여 세정하였다. 한편, 알로에 베라(15%)를 메탄올에 3일 동안 침지시켜 침출하였다.
알로에베라와 실크 원사의 처리는 1:20의 material to liquor ratio(MRL) 비율로 행하며, 상기 처리 전에 BTCA(6%)와 SHP(3.3%)를 알로에베라 침지 용액에 첨가하였다.
실온에서 30분동안 처리한 후 패딩 맹글(padding mangle)을 이용하여 1kg/cm2 압력하에 압착시키고, 60-65℃에서 30 분 동안 오븐건조하였다. 이후, 건조된 직물을 경화시키기 위해서 145-150℃의 온도에서 120초 동안 경화시켰다..
경화 후에 고정되지 않은 화학물질을 제거하기 위해서 30 ℃에서 온화한 비누 용액으로 세척하였다.
실험예 1: 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 FT-IR 분석
FT-IR 분석은 FTIR 분광 광도계 모델 Bruker(vertex 80v)를 사용하여 수행하였다. 미처리 및 처리 샘플을 100 ℃에서 건조 후 ATR-mode로 분석을 진행하였다. FT-IR 분석결과는 도 2에 나타내었다.
도 2를 살펴보면, 상기 처리 후 BTCA의 가교결합으로 인해 1700~1750㎝-1에서 밴드강도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 BTCA의 가교결합 및 특히 알로에베라와 실크 섬유의 결합으로 인해 형성된 카르복실기에 기인한 것으로 확인되었다. 이밖에 2798㎝-1에서의 밴드가 확인되었고, 1400~1065㎝-1에서 보이는 피크는 피브로인에 속한 당류의 결합에 해당된다. 1043㎝-1에서의 피크는 C-O 스트레칭 gly-ala likege로 확인되었다.
실험예 2: 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 항균성 테스트
항균도(%) : AATCC 100-2012균 감소율
실크 직물의 항균 특성을 분석하기 위해서 Staphylococcus aureus ATCC 6538 및 Klebsiella pneumoniase ATCC 4352 박테리아 둘 다에 대해서 AATCC 100 방법에 의해 정성적으로 분석하였다.
박테리아 감소율 공식
R (%) =100 × [(A - B)/A]
여기서 R = 감소(%), A는 시간 t = 0 (cfu/sample)에서의 대조군 샘플에서의 박테리아의 수이고, B는 시간 t = 24h (cfu/sample) 후의 처리 된 실크 샘플에서의 박테리아의 수이다. 각 균에 대한 테스트 결과를 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다. Staphylococcus aureus ATCC 6538 및 Klebsiella pneumoniase ATCC 4352균이 99% 이상 감소한 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3: 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 강도 테스트
KS K 0475: 2018 방법으로 시료에 초하중(3.5)을 주어 시험편이 절단될 때의 하중 및 신장을 측정하였다.
인장강도는 절단될 때 하중의 평균값을 정수 자리까지 표시하며, 신도는 절단될 때 신장(또는 최대 하중 시의 신장)의 물림 간격에 대한 백분율(%)을 소수점 이하 첫째 자리까지 표시하였다.
KS K 0475: 2018 Untreated(g/d) treated(g/d)
Sample 1 3.0 3.0
Sample 2 3.0 3.0
Sample 3 3.0 3.0
본 발명의 처리에 따른 화학결합 이후에도 강도가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 천연 실크 섬유; 및 상기 천연 실크 섬유의 표면에 화학적으로 결합되어 있는 항균층을 포함하며,
    상기 항균층은 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA)과 알로에베라 추출물을 포함하고,
    상기 알로에베라 추출물은 에이스만난(aceamnnan)을 포함하고,
    천연 실크 섬유의 표면과 항균층 간의 화학적 결합은 천연 실크 섬유 내의 피브로인과 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA) 및 에이스만난의 화학적 결합에 기인하는 것을 특징으로 하는, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    천연 실크 섬유는 생사(raw silk) 또는 연사(glossed silk)인, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유.
  3. 삭제
  4. 에이스만난을 포함하는 알로에베라 추출물; 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA); 및 인산계 촉매를 포함하는 항균성 혼합물을 이용하여 천연 실크 섬유의 표면을 처리하는 단계를 포함하고,
    항균성 혼합물은 항균성 혼합물 총 100 중량부를 기준으로, 알로에베라 추출물 15 중량부 내지 20 중량부, 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA) 6 중량부 및 인산계 촉매 3 중량부 내지 3.3 중량부를 포함하는, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    표면 처리 단계는 실온에서 30분동안 수행되는, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    인산계 촉매는 하이포아인산 나트륨을 포함하는, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서,
    천연 실크 섬유 내의 피브로인과 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산(BTCA) 및 에이스만난의 화학적 결합에 의하여 천연 실크 섬유의 표면과 항균층 간의 화학적 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는, 항균성이 부여된 천연 실크 섬유의 제조 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 따른 항균성이 부여된 천연 실크 섬유를 포함하는 섬유 가공품.
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