▲ 신지훈 화학연구원 박사

나무에서 추출해 친환경적이며 강도도 높아 차세대 신소재로 각광받는 ‘나노셀룰로오스’를 친환경적이면서 고효율로 제조할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국화학연구원은 신지훈 박사(환경자원연구센터장) 연구팀이 전자빔과 고압균질기를 활용해 분산성과 나노화가 확보된 셀룰로오스 나노결정체 제조 공정을 개발했다고 11일 밝혔다.

나노셀룰로오스는 나무의 주 성분인 셀룰로오스를 10억분의 1로 쪼개 나노화한 물질이다. 분자간 결합력이 탁월해 강도가 높고, 열 안정성, 친수성이 뛰어나서 여러 산업에 응용될 것으로 기대되고 있다. 실제로 일본에서는 178개의 기업, 대학, 연구소 등이 모여 ‘나노셀룰로오스 포럼’을 조직하고 산업화에 대한 검토가 진행 중이며, 미국, 캐나다, 유럽 등에서도 나노셀룰로오스 파일럿 플랜트를 설치하여 연구·개발 및 상용화 노력에 박차를 가하고 있다.

나노셀룰로오스의 형태와 제조 방법은 세 가지로 나뉜다. 첫 번째는 펄프를 갈아 기계적 처리를 해서 분지화된 섬유질 형태의 나노셀룰로오스를 만드는 방법이다. 두 번째는 화학 처리하여 단일 섬유 형태로 만드는 방법이다. 세 번째 기술은 펄프에 고농도의 황산을 사용하여 펄프의 비결정 영역을 제거하고 결정 영역만 남겨 결정체 형태의 나노셀룰로오스를 만드는 것이다.

나노셀룰로오스 결정체를 만들기 위한 기존 황산 처리 기술은 60 wt% 이상의 농축 황산을 사용하기 때문에 산을 중화·제거하기 위한 많은 물과 에너지, 추가 투석 공정이 필요하다. 또한 황산 처리 이외에도 초음파 분쇄 과정이 필요해 제조 과정에 제한이 있으며 총 투입된 펄프의 약 30%만 최종 나노셀룰로오스로 나와 수율도 높지 않다는 문제점이 있었다.

이에 신지훈 박사 연구팀은 국내 타산업에서 널리 사용되고 있는 전자빔과 고압균질기를 활용함으로써 황산 처리를 대체할 수 있는 친환경 공정을 처음으로 개발했다. 연구팀은 물질에 전자빔을 투사하면 분자량이 저감되는 원리를 활용해 셀룰로오스를 나노화했으며, 입자마다 동일한 음전하를 띠게 해서, 같은 전하끼리 밀어내는 성질을 이용해 물질을 쉽게 분산시켰다.

또한 고압균질기를 사용해서 나노셀룰로오스 입자가 물리적으로 작고 고르게 나올 수 있도록 했다. 이러한 전자빔과 고압균질기 공정을 통해 황산을 투입했을 때처럼 셀룰로오스의 비결정 영역을 제거하고 결정 영역만 남겼다.

또한 간단한 화학 처리를 통해 물질 표면의 전하를 원하는 대로 바꿀 수가 있어 산업적으로 다양하게 응용할 수 있다. 수율도 45~60%로 늘렸다.

결정형 나노셀룰로오스는 결정체로 이루어져 있기 때문에 결합력과 강도가 높아서 향후 센서, 건축자재 강화재료, 액상 정화 필터 등에 활용될 것으로 기대되고 있다. 또한 식물로부터 유래된 당 구조(글루코오스)를 가지고 있기 때문에 신체에 해가 없어 약물 전달체, 이식 보조물질, 피부 보습제품 등 의료 바이오 분야에도 활용될 수 있다.

신지훈 박사 연구팀은 섬유 형태의 나노셀룰로오스 대량 제조 관련 연구도 진행하고 있다. 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(저비용 공정 기반 셀룰로오스 나노파이버 대량 제조 기술 개발) 과제를 2020년까지 무림피앤피㈜, 서울대학교, 세종대학교와 공동으로 추진 중이다.

신지훈 박사는 “이번 원천소재 생산 기술 연구에 관심있는 기업과 상용화를 위한 대량 생산 공정 연구에도 박차를 가할 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 영국 왕립화학회가 발간하는 청정화학 분야 세계적 권위 국제 학술지인 ‘Green Chemistry’ 2018년 10호에 게재됐다.