KR20140111019A - 함침사 천 및 함침사 천의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

함침사를 직포로 한 함침사 천을 제조할 때에 있어서, 양호한 조형성을 가지면서, 강화 섬유 다발의 코가 촘촘하고, 또한 강도적으로 우수한 성형체를 얻는다. 본 발명의 함침사 천(1)의 제조 방법은, 20회/m 이상이며 700회/m 이하인 꼬임을 섬유 다발(2)에 추가하면서 또는 추가한 다음, 섬유 다발(2)을 열가소성 수지(5)가 용융 상태에서 저류된 수지조에 함침시킴으로써 함침사(3)를 형성하고, 형성된 함침사(3)를 편직해서 함침사 천(1)을 얻는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

함침사 천 및 함침사 천의 제조 방법{IMPREGNATED-YARN CLOTH AND PROCESS FOR PRODUCING IMPREGNATED-YARN CLOTH}
본 발명은 함침사를 직포로 한 함침사 천 및 이 함침사 천의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 섬유 강화 수지의 성형품을 성형할 때의 원 재료로서, 프리프레그 등의 시트 형상의 함침 천이 사용된다. 이 함침 천은, 미리 섬유 다발을 편직한 편직포를 기재로 하여, 이 기재의 표면을 열가소성 수지로 피복한 것이다. 이 함침 천을 가열하면 기재의 표면을 피복하는 열가소성 수지가 용해하고, 열가소성 수지에 의해 구속되어 있던 기재의 변형(조형)이 가능하게 된다. 그리고, 함침 천을 원하는 형상으로 성형하고 나서 열가소성 수지를 냉각·응고하면, 시트 형상의 함침 천을 성형체로 성형할 수 있다.
그런데, 최근에는 자동차의 내장재나 바디 등과 같이 복잡한 형상의 성형체를 성형하는 경우가 늘어나고 있으며, 함침 천에도 이러한 복잡한 형상에 추종할 수 있는 높은 조형성이 요구된다.
그런데, 상술한 함침 천과 같이, 먼저 섬유 다발을 편직하고 나서 열가소성 수지를 코트하면, 코트한 열가소성 수지를 가소화하지 않는 한 기재의 변형이 곤란해진다. 이 결과, 함침 천을 임의의 형상의 성형체로 변형시키는 것이 곤란해진다.
따라서, 특허문헌 1에서는, 섬유 다발을 천 상태로 편직하기 전에 섬유 다발의 하나하나를 열가소성 수지로 미리 피복해서 함침사로 하고, 이 함침사를 편직해서 함침사 천으로 하는 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 평04-185313호 공보
그런데, 특허문헌 1의 방법으로 얻어지는 함침사 천은, 함침사의 하나하나를 비교적 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 상술한 함침 천에 비해서 변형시키기 쉬우며, 조형성에 대해서는 양호하다.
그러나, 이 함침사 천을 구성하는 하나하나의 함침사는, 한 방향을 따라서 꼬이지 않게 정렬시킨 단섬유를 묶은 섬유 다발을 열가소성 수지로 피복해서 굳힌 것이어서, 매우 강직하여, 자유롭게 구부릴 수 없다. 즉, 이러한 구부리기 어려운 함침사를 편직해서 형성한 함침사 천은, 단섬유의 파손을 피하기 위해서 필연적으로 코의 크기가 커져 버린다. 그 결과, 성형체 중에서의 섬유 다발의 밀도가 부족하여, 강도가 높은 성형체를 얻는 것이 곤란해질 우려가 있다.
또한, 코의 크기를 작게 하기 위해서 함침사를 억지로 휘게 하거나 구부리거나 하면, 함침사에 불필요한 자국이 생겨 버리거나, 열가소성 수지가 섬유 다발의 표면으로부터 박리되어 버리거나 해서, 오히려 함침사 천이나 성형체의 강도를 저하시키는 경우도 있다.
또한, 이와 같이 구부리기 어려운 함침사를 사용한 편직 작업에는 매우 손이 많이 가서, 함침사 천의 생산성을 높이는 것도 어려운 경우가 많다.
본 발명은, 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 양호한 조형성을 가지면서, 함침사의 코의 크기가 작고 또한 강도적으로도 우수한 성형체를 생산성 높게 얻을 수 있는 함침사 천의 제조 방법 및 함침사 천을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 함침사 천의 제조 방법은 이하의 기술적 수단을 강구하고 있다.
즉, 본 발명의 함침사 천의 제조 방법은, 20회/m 이상이며 700회/m 이하의 꼬임을 섬유 다발에 가하면서 또는 가한 다음, 당해 섬유 다발을 열가소성 수지가 용융 상태에서 저류된 수지조에 함침시킴으로써 함침사를 형성하고, 형성된 함침사를 편직해서 함침사 천을 얻는 것을 특징으로 하는 것이다.
바람직하게는, 코의 크기가 0㎜ 이상이며 10㎜ 이하로 되도록, 상기 함침사를 편직하면 된다.
한편, 본 발명의 함침사 천은, 열가소성 수지가 표면에 피복된 섬유 다발이 서로 편직되고, 또한 상기 섬유 다발이 20회/m 이상이며 700회/m 이하로 꼬여져 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
바람직하게는, 코의 크기가 0㎜ 이상이며 10㎜ 이하로 편직되어 있으면 된다.
본 발명의 함침사 천의 제조 방법 및 함침사 천에 의하면, 양호한 조형성을 가지면서, 섬유 다발의 코가 촘촘하고, 또한 강도적으로 우수한 성형체를 생산성 높게 얻을 수 있다.
도 1a는 본 발명의 함침사 천의 평면도.
도 1b는 도 1a의 A-A선 단면도.
도 1c는 도 1a의 함침사 천으로 성형된 성형체의 평면도.
도 2는 본 발명의 함침사 천 및 성형체의 제조 방법을 나타내는 플로우차트.
도 3은 함침사 천의 제조에 사용되는 제조 장치를 도시하는 사시도.
도 4a는 섬유 다발이 유리 섬유의 경우의 함침사의 꼬임 횟수에 대한 인장 강도의 변화를 도시하는 도면.
도 4b는 섬유 다발이 탄소 섬유의 경우의 함침사의 꼬임 횟수에 대한 인장 강도의 변화를 도시하는 도면.
본 발명의 실시 형태를, 도면을 기초로 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 부품에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 그들의 명칭 및 기능도 동일하다. 따라서, 그들에 대한 상세한 설명은 반복하지 않는다.
도 1a 내지 도 1c에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태의 함침사 천(1)은, 열가소성 수지(5)가 표면에 피복된 섬유 다발(2)(강화 섬유 다발)로 이루어지는 함침사(3)를 사용해서 형성된 것이며, 복수개의 함침사(3)를 편직함으로써 구성되어 있다. 즉, 본원 발명의 함침사 천(1)은, 수지 복합 재료인 함침사(3)를 직포 함으로써 얻어진 것이다.
이어서, 본 발명의 함침사 천(1)을 구성하는 함침사(3)와 이 함침사(3)의 편직 상태에 대해서 이하에 상세하게 설명한다.
함침사 천(1)을 구성하는 함침사(3)는, 성형체(4)의 기계적 특성(인장 강도 등)을 높이는 섬유 다발(2)과, 이 섬유 다발(2)의 표면(주위)을 길이 방향에 걸쳐서 피복하는 열가소성 수지(5)를 갖고 있다.
섬유 다발(2)은 단섬유를 후술하는 개수만큼 묶은 것이며, 단섬유는 매트릭스인 열가소성 수지(5)를 보강 가능한 섬유로 형성되어 있다. 이 섬유 다발(2)에는, 예를 들어 유리 섬유, 탄소 섬유, 혹은 아라미드 등의 섬유를 사용할 수 있다.
섬유 다발(2)은 상술한 단섬유를 500tex 이상이며 15000tex 이하(JIS L 0101)로 묶은 것이며, 섬유 다발(2)에 1개당 외경(직경)은 0.3㎜φ 이상이며 3.0㎜φ 이하로 되어 있다.
열가소성 수지(5)는 함침사(3)의 섬유 다발(2)의 표면을 피복하는 것이다. 이 열가소성 수지(5)는, 성형체(4)를 성형할 때는 서로 편직된 섬유 다발(2)끼리의 사이에 개재되어 이들을 결착하는 바인더로서도 기능한다. 구체적으로는, 열가소성 수지(5)로서는, 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀계 수지를 사용할 수 있으며, 또한 폴리올레핀계 수지 이외에도 나일론 등의 폴리아미드계 수지, PET, PBT, PEI, PEEK 등의 수지를 사용할 수 있다.
이어서, 함침사(3)의 편직의 방법에 대해서 설명한다.
상술한 함침사(3)를 편직하는 경우에는, 떠 넣어도 되고, 넣어 짜도 된다. 예를 들어, 함침사(3)를 떠 넣는 경우에는, 평 뜨기, 메리야스 뜨기, 고무 뜨기, 사슬 뜨기, 혹은 가터 뜨기와 같은 뜨기 방법을 채용할 수 있다. 또한, 함침사(3)를 넣어 짜는 경우에는, 도 1에 도시한 바와 같은 평직 이외에도, 사문직, 새틴직 등과 같은 짜기 방법을 채용할 수 있다. 이와 같이 편직 방법을 상술한 종류 중에서 변경함으로써, 함침사 천(1)의 조형성을 향상시키는 것이 가능하게 되기 때문이다.
그런데, 종래의 함침사(3)에서는, 한 방향을 따라서 꼬이지 않게 정렬시킨 단섬유 주위를 열가소성 수지(5)로 피복해서 굳힘으로써, 하나하나의 함침사(3)가 형성되어 있었다. 이러한 방법으로 얻어지는 함침사(3)는 강직해서 유연성이 없고, 편직하더라도 코의 크기가 커지기 때문에 함침사 천(1)으로서 충분한 강도를 얻지 못할 가능성이 있다. 또한, 종래의 방법으로 얻어지는 함침사(3)는 편직 시에 있어서 구부러지기 어려우므로, 함침사 천(1)을 효율적으로 생산하는 것이 어려운 경우도 있다(발명이 해결하고자 하는 과제의 설명을 참조).
따라서, 본 발명의 함침사 천(1)에서는, 꼬임수가 20회/m 이상이며 700회/m 이하, 바람직하게는 20회/m 이상이며 200회/m 이하로 되도록 복수개의 단섬유를 꼬아서 형성된 섬유 다발(2)을 함침사(3)에 사용하고 있다. 이와 같이 섬유 다발(2)의 꼬임수를 20회/m 이상이며 700회/m 이하, 바람직하게는 20회/m 이상이며 200회/m 이하로 하면, 하나하나의 함침사(3)의 유연성이 높아지므로, 함침사 천(1)으로 편직했을 때의 코의 크기를 작게 할 수 있어, 함침사 천(1)의 기계적 강도(인장 강도)를 종래보다 향상시킬 수 있다. 또한, 함침사(3)의 유연성이 높아지면, 편직 시에 있어서 함침사(3)를 굽히는 것도 간단해져서, 함침사 천(1)으로 편직할 때의 생산성을 높이는 것도 가능하게 된다.
구체적으로는, 본 실시 형태의 함침사(3)는, 섬유 다발(2)을 꼬임수 20회/m 이상이며 700회/m 이하(바꿔 말하면, 20회/m 이상, 및/또는 700회/m 이하), 바람직하게는 20회/m 이상이며 200회/m 이하(바꿔 말하면, 20회/m 이상, 및/또는 200회/m 이하)로 되도록 꼰 것이다. 이 섬유 다발(2)이 꼬임 방향은 오른 꼬임이든 왼 꼬임이든 상관없다. 또한, 1개의 함침사(3)에 사용되는 섬유 다발(2)의 개수는 2개 이상이며 10개 이하로 되는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 함침사 천(1)은, 상술한 바와 같은 꼬임수의 함침사(3)를 사용해서 편직됨으로써, 코의 크기가 0㎜ 이상이며 10㎜ 이하로 편직되어 있다. 이러한 코의 크기의 함침사 천(1)이라면, 성형체(4) 중에 섬유 다발(2)을 충분한 밀도만큼 공급하여, 기계적 강도가 우수한 성형체(4)를 성형할 수 있다.
이어서, 상술한 함침사 천(1)을 실제로 제조하는 방법, 바꿔 말하면 본 발명의 함침사 천(1)의 제조 방법에 대해서, 설명한다.
도 2의 플로우차트에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 함침사 천(1)의 제조 방법은, 열가소성 수지(5)가 용융 상태에서 저류된 수지조(함침부(12))에 섬유 다발(2)을 함침시킴으로써 섬유 다발(2)에 꼬임이 추가된 함침사(3)를 형성하는 제1 공정(7)과, 제1 공정(7)에서 형성된 함침사(3)를 편직해서 수지 복합 재료의 함침사 천(1)을 얻는 제2 공정(8)을 구비하고 있다.
제1 공정(7)의 내용을 설명하기에 앞서, 먼저 제1 공정(7)에 사용되는 제조 장치(9)의 설명을 행한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제조 장치(9)는 열가소성 수지(5)의 펠릿을 공급하는 호퍼(10)를 갖고 있다. 이 호퍼(10)로부터 공급된 열가소성 수지(5)의 펠릿은 호퍼(10)에 인접해서 배치되는 혼련부(11)에서 혼련된다. 혼련부(11)에서 가소화된 열가소성 수지(5)는 함침부(12)로 보내져서, 함침부(12)에서 저류된다.
이 함침부(12)는, 가소화된 열가소성 수지(5)를 저류 가능하도록, 상하 방향으로 축심을 향하게 한 긴 바닥이 있는 원통 형상으로 형성되어 있으며, 상방을 향해서 개구되어 있다. 그리고, 이 상측 개구로부터 함침부(12)의 내부에, 함침부(12)의 측방에 배치되는 보빈으로부터 권출된 복수개의 섬유 다발(2)이 송입되고 있다.
이들 복수개의 섬유 다발(2)은, 이 섬유 다발(2)의 개수에 대응해서 동일수만큼 설치된 보빈으로부터 각각 공급되고 있으며, 프리히터(13)로 예열된 후에 상측의 가이드 롤(14)을 경유해서 함침부(12)로 송입되고 있다.
함침부(12)의 하측에는 상측 개구로부터 송입된 섬유 다발(2)을 함침부(12)의 외측으로 취출하는 다이 노즐(15)이 설치되어 있으며, 이 다이 노즐(15)을 사용해서 섬유 다발(2)의 표면에 열가소성 수지(5)를 소정의 두께만큼 피복할 수 있게 되어 있다. 또한, 함침부(12) 내이며 상측 개구와 다이 노즐(15) 사이에는, 섬유 다발(2)을 걸어 회전시킨 상태에서 이송하는 하측의 가이드 롤(도시 생략)이, 용융된 열가소성 수지(5)에 함침된 상태에서 배치되어 있다.
이 함침부(12)의 하류측에는, 섬유 다발(2)의 표면을 피복하는 열가소성 수지(5)를 냉각·경화를 촉진시키는 수조(16)가 설치되어 있다. 또한, 수조(16)의 하류측에는, 수조(16)에서 냉각된 섬유 다발(2)에 꼬임을 가하는 인취기(17)(꼬임 롤러 장치)가 설치되어 있다. 이 인취기(17)는, 섬유 다발(2)의 이송 방향에 대하여 직교하는 방향을 향하는 축 둘레에 롤러(언코일러)로 섬유 다발(2)을 권취함과 함께, 이 롤러를 섬유 다발(2)의 이송 방향을 향하는 축 둘레로 비틀어지도록 회전시키는 구성으로 되어 있다. 이러한 인취기(17)로 섬유 다발(2)을 권취하면, 상술한 바와 같이 20회/m 이상이며 700회/m 이하, 바람직하게는 20회/m 이상이며 200회/m 이하인 꼬임을 섬유 다발(2)에 부여하면서 함침사(3)를 형성할 수 있다.
제2 공정(8)은, 제1 공정(7)에서 형성된 함침사(3)를 편직해서 함침사 천(1)을 형성하는 것이다. 이 제2 공정(8)에는 공지된 편직기나 방직기를 사용할 수 있으며, 편직기나 방직기를 사용해서 함침사(3)를 원하는 뜨기 방법이나 짜기 방법으로 편직함으로써 함침사 천(1)이 형성된다. 또한, 제2 공정(8)에 사용되는 편직기나 방직기에 대해서는, 도시를 생략한다.
이와 같이 해서 제2 공정(8)에서 편직에 의해 형성한 함침사 천(1)을 원하는 형상을 따르게 하면서 열 프레스하면, 도 2에 점선으로 나타낸 바와 같이 함침사 천(1)으로부터 성형체(4)를 형성하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 함침사 천(1)은, 이 함침사 천(1)을 구성하는 하나하나의 섬유 다발(2)이 20회/m 이상이며 700회/m 이하, 바람직하게는 20회/m 이상이며 200회/m 이하로 꼬여져 있다. 그로 인해, 한 방향을 따라 꼬이지 않게 정렬시킨 것에 비해 섬유 다발(2)의 유연성이 높아, 함침사(3)로 한 경우에도 자유롭게 구부리거나 휘게 하거나 하는 것이 가능하게 된다. 당연히, 이와 같이 유연한 함침사(3)로부터 편직된 함침사 천(1)에서는 코의 크기도 작게 할 수 있어, 함침사(3)의 코를 좁힘으로써 함침사 천(1)의 기계적 강도(인장 강도)를 종래보다 향상시킬 수 있다.
또한, 함침사(3)의 유연성이 높아지면, 편직 시에 있어서 함침사(3)를 굽히는 것도 간단해져서, 함침사 천(1)으로 편직할 때의 생산성을 높이는 것도 가능하게 된다.
또한, 이러한 꼬임을 갖는 함침사(3)는 인장 강도 등의 기계적 강도도 우수하며, 함침사 천(1) 자체의 강도도 높아진다. 그로 인해, 본 발명의 함침사 천(1)을 사용하면, 도 1c에 도시한 바와 같이 섬유 다발(2)이 치밀하게 배치되고 또한 강도적으로도 우수한 성형체(4)를 얻는 것이 가능하게 된다.
실시예
이어서, 실시예를 사용하여, 본 발명의 함침사 천(1)의 작용 효과를 더욱 상세하게 설명한다.
먼저, 섬유 다발(2)의 꼬임수가 함침사(3)의 인장 강도에 미치는 영향을 검토하기 위해서, 이하로 나타내는 실시예 1 내지 실시예 3을 준비했다.
구체적으로는, 실시예 1의 함침사 천(1)에 사용되는 섬유 다발(2)은 유리 섬유의 단섬유를 4620tex의 번수로 되도록 묶은 것이며, 그 외경은 3.0㎜φ로 되어 있다. 또한, 실시예 2의 함침사 천(1)에 사용되는 섬유 다발(2)은 유리 섬유의 단섬유를 575tex의 번수로 되도록 묶은 것이며, 그 외경은 1.05㎜φ로 되어 있다. 또한, 실시예 3의 함침사 천(1)에 사용되는 섬유 다발(2)은 탄소 섬유의 단섬유를 15000tex의 번수로 되도록 묶은 것이며, 그 외경은 1.7㎜φ로 되어 있다.
이들 실시예 1 내지 실시예 3의 섬유 다발(2)에 대하여, 인취기(17)에서의 꼬임수를 0 내지 120회/m의 범위에서 변화시키면서 열가소성 수지(5)(폴리프로필렌)로 피복을 행하여, 섬유 다발(2)이 25 내지 30vol% 포함된 함침사(3)를 제작했다. 이와 같이 해서 얻어진 함침사(3)에 대해서는, 인장 시험기를 사용해서 인장 강도를 계측했다. 계측 결과를, 도 4a 및 도 4b에 나타낸다.
도 4a에 검게 칠한 마름모형으로 나타나는 실시예 1의 결과를 보면, 인취 장치에서의 꼬임수가 0회/m로부터 25회/m까지 증가하면, 이 증가에 맞추어서 인장 강도도 커진다. 그리고, 꼬임수가 25 내지 70회/m의 범위에서는 비교적 큰 인장 강도가 유지되고 있다. 그러나, 인취 장치에서의 꼬임수가 70회/m를 초과하면, 꼬임수의 증가에 반해 인장 강도가 급격하게 작아진다.
한편, 도 4a에 검게 칠한 네모로 나타나는 실시예 2의 결과에서도, 꼬임수가 10 내지 80회/m의 범위에서는 비교적 큰 인장 강도가 유지되고 있지만, 꼬임수가 이 범위보다 작거나 크면 인장 강도는 작아진다. 또한, 도 4b에 검게 칠한 동그라미로 나타나는 실시예 3의 결과에서도, 동일한 경향이 얻어지고 있어, 꼬임수가 18 내지 60회/m의 범위에서 비교적 큰 인장 강도가 유지되고 있다.
이러한 점에서, 실시예 1 내지 3 모두에 대하여 함침사(3)에서의 섬유 다발(2)의 꼬임수를 20 내지 50회/m의 값으로 하면, 인장 강도를 높게 할 수 있다고 판단된다.
한편, 섬유 다발(2)의 꼬임수를 30회/m로 한 실시예 1 내지 실시예 3의 함침사(3)에 대하여, 굽힘 반경을 계측했다. 이 굽힘 반경의 계측은, 예를 들어 곡률 반경이 다른 원기둥에 대해서 함침사를 구부려 가서, 손상이 없이 구부러지는 곡률 반경을 계측한다. 이 곡률 반경을 굽힘 반경이라 하였다. 또한, 비교예로서, 꼬임을 추가하지 않고 평행 그대로 단섬유를 같게 한 섬유 다발(2) 주위에 열가소성 수지(5)를 피복한 함침사(3)(꼬임수=0회/m)를 사용했다. 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예의 함침사(3)에 대하여 굽힘 반경을 계측한 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1에서 명확해진 바와 같이, 「꼬임 없음」에 비해 「꼬임 있음」은 굽힘 반경이 적어도 1/3정도까지 작게 되어 있어, 구부리기 쉽게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 점에서, 「꼬임 있음」의 함침사(3)에서는 「꼬임 없음」에 비해, 조형성도 양호해지고 있다고 판단된다.
또한, 금회 개시된 실시 형태에 있어서, 명시적으로 개시되어 있지 않은 사항, 예를 들어 운전 조건이나 조업 조건, 각종 파라미터, 구성물의 치수, 중량, 체적 등은, 당업자가 통상 실시하는 범위를 일탈하는 것은 아니며, 통상의 당업자라면 용이하게 상정하는 것이 가능한 사항을 채용하고 있다.
1 : 함침사 천
2 : 섬유 다발
3 : 함침사
4 : 성형체
5 : 열가소성 수지
7 : 제1 공정
8 : 제2 공정
9 : 제조 장치
10 : 호퍼
11 : 혼련부
12 : 함침부
13 : 프리히터
14 : 상측의 가이드 롤
15 : 다이 노즐
16 : 수조
17 : 인취기

Claims (4)

  1. 20회/m 이상이며 700회/m 이하의 꼬임을 섬유 다발에 가하면서 또는 가한 다음, 당해 섬유 다발을 열가소성 수지가 용융 상태에서 저류된 수지조에 함침시킴으로써 함침사를 형성하고, 형성된 함침사를 편직해서 함침사 천을 얻는 것을 특징으로 하는, 함침사 천의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    코의 크기가 0㎜ 이상이며 10㎜ 이하로 되도록, 상기 함침사를 편직하는 것을 특징으로 하는, 함침사 천의 제조 방법.
  3. 열가소성 수지가 표면에 피복된 섬유 다발이 서로 편직되고, 또한 상기 섬유 다발이 20회/m 이상이며 700회/m 이하로 꼬여져 있는 것을 특징으로 하는, 함침사 천.
  4. 제3항에 있어서,
    코의 크기가 0㎜ 이상이며 10㎜ 이하로 편직되어 있는 것을 특징으로 하는, 함침사 천.
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