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나노셀룰로스
나노셀룰로스(nanocellulose)는 나무의 구성 성분인 셀룰로스를 10억분의 1로 쪼개 나노화한 고분자 물질이다. 나노셀루로스 또는 나노셀룰로오스라고도 한다. 복합소재로 만들면 가볍고 강도가 높아지는 데다 친환경적이어서 미래 성장 가능성이 주목받고 있다. 특히 일본은 나노셀룰로스를 4대 미래 신소재 중 하나로 선정하고 '제2의 탄소섬유'로 만들기에 공을 들이고 있다. 한국은 나노셀룰로스 후발주자지만 한솔제지, 국립산림과학원 등이 연구개발(R&D)에 속도를 내고 있다. 한솔제지는 2010년부터 종이 원료인 펄프로부터 나노셀룰로스를 개발하기 위한 투자에 주력, 2018년 말부터 연 30톤 규모의 생산 체제를 구축했다. 한솔제지는 수분산 형태의 나노셀룰로스를 만들어 타이어 경량화와 내마모 향상, 자동차 부품 경량화 및 강도 향상, 화장품 보습성 향상 등에 나노셀룰로스 적용을 확대하고 있다. 국립산림과학원은 배터리 분야 적용을 위해 2007년부터 연구를 시작했다.[1]
개요
나노셀룰로스는 식물 세포벽에 기계적 또는 화학적 처리를 통해 얻어낼 수 있는 지구 상에서 가장 얻기 쉬운 천연 고분자로 알려져 있으며 높은 투명성, 재생 가능성, 생분해성, 생체적 안정성, 높은 열 안정성, 용이한 성형성 등의 장점으로 친환경적인 제조기술과 고기능성의 신소재로서 최근 들어 크게 각광 받고 있다.
나노셀룰로스의 높은 기계적 강도와 높은 친수성의 특성으로 인해 필름이나 종이의 형태로 제작되어 센서, 물 정화 필터, 건축자제의 강화재료 등으로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 플렉서블 배터리에 대한 연구가 활발해 지면서 현재 사용되어지고 있는 유기 바인더를 대체할 친환경 차세대 소재로 주목 받고 있다. 생체 적합성과 생분해성의 특성을 가지며 의학 분야에서 약물 전달체, 이식 보조 물질, 상처 치료 등에 사용하려는 연구가 진행되고 있다.
장점
- 사이즈가 4~20nm정도로, 강철의 1/5의 무게로 5배 이상의 강도를 가지는 차세대 신소재이다.
- 유리섬유보다 단단하고, 강하고, 튼튼한 물질이다.
- 무엇보다도 셀룰로스 나노 화이버는 식물, 나무 등의 바이오매스에서 추출이 가능하기 때문에 환경 친화적이며, 원료 자체가 식물, 나무이므로 원자재 자원의 확보에 있어서 여타의 인공 생산물과는 비교가 되지 않는다.
- 투명하며, 열팽창 계수가 낮고, 리사이클이 가능하다. 표면적이 넓고, 높은 흡수력을 가지고 있다.
- 여러가지 플라스틱 레진과도 잘 섞인다.
종류 및 특성
셀룰로스 나노 섬유
셀룰로스 나노 섬유(CNF, Cellulose Nano Fiber)는 보통 직경이 5~100 nm, 길이가 수에서 수십 ㎛인 섬유로서 주로 기계적 파쇄 처리를 이용하여 제조된다. 보통 목재 혹인 비목재 바이오매스에서부터 점점 작은 크기로 파쇄 해나가며 만드는데, 원료가 되는 이 물질들에는 셀룰로스 외에 헤미셀룰로오스와 리그닌 같은 물질이 상호 결합하여 단단한 구조를 이루고 있기 때문에 이를 효율적으로 파쇄하기 위한 다양한 방법들이 연구되어지고 있다.
셀룰로스 나노 크리스탈
셀룰로스 나노 크리스탈(Cellulose Nano Crystal)은 직경이 2~20 nm인 나노 결정으로써 화학적인 처리 방법으로 얻을 수 있다. 셀룰로스는 결정영역과 비결정영역으로 구성되어 있는데, 이에 산을 가하게 되면 상대적으로 분자가 규칙적으로 배열되어 있지 않은 비결정질 영역에 하이드로늄 이온 (H₃O⁺)이 침투하고, 이때 셀룰로스 사슬 사이에 들어간 하이드로늄 이온들이 글리코시드 결합의 가수분해를 촉진하게 되며 이에 따라 시간이 흐를수록 비결정질 영역이 점점 사라지고 결정질 영역 즉 셀룰로스 나노결정 부분만 남는다.
지금까지 염산, 황산, 인산, 브롬화수소산, 질산 등 다양한 강산이 사용되어 왔었지만, 황산으로 만들어진 나노결정이 다른 강산으로 만들어진 나노결정에 비해 잘 분산되고 서로 응집하지 않아 황산이 보편적으로 사용되어왔다. 산의 농도, 가수분해 온도, 시간에 따라 셀룰로오스가 완전히 단당류 형태로 분해되거나, 가수분해가 덜 되어 섬유들끼리 응집되는 현상이 발생하기도 하여 순수한 셀룰로오스 나노결정을 얻기 위한 최적의 조건을 찾는 연구들이 진행 되고 있다.
셀룰로스 나노 크리스탈, 음극·양극 활물질, 탄소나노튜브의 복합재료를 사용하여 현재 리튬 2차전지에 사용되고 있는 전극의 계면 접촉 특성 한계점을 극복하여 대체할 수 있는 차세대 고출력/플렉서블 전지 개발의 기초 연구에 성공했다.
제조 방법
- 펄프를 갈아 기계적 처리를 해서 분지화된 섬유질 형태의 나노셀룰로스를 만드는 방법이다.
- 화학 처리하여 단일 섬유 형태로 만드는 방법이다.
- 펄프에 고농도의 황산을 사용하여 펄프의 비결정 영역을 제거하고 결정 영역만 남겨 결정체 형태의 나노셀룰로스를 만드는 것이다. 나노셀룰로스 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 필요하여 제조 과정에 제한이 있다. 한국화학연구원은 전자빔과 고압균질기 공정을 통해 황산을 투입했을 때처럼 셀룰로스의 비결정 영역을 제거하고 결정영역만 남기는 나노셀룰로스 결정체 제조공정을 개발했다.[2]
응용
2014년 산림청 산하 국립산림과학원은 나노셀룰로스로 만든 분리막과 전극을 일체화시킨 3차원 구조의 플렉서블 종이 배터리를 개발, 상용화하는 공동 연구를 추진 중에 있다.
2017년 왕중린 중국과학원 베이징 나노 에너지 및 시스템 연구소 교수 연구팀은 걷기만 해도 충전이 되는 종이 배터리를 개발했다. 이 종이 배터리는 탄소나노튜브(6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1나노미터 크기의 미세한 분자)를 셀룰로스 종이와 결합해 만들었다.
그 외에도 나노셀룰로스 기술은 세계적으로 생체의학, 나노 복합 재료 개발 등에 쓰이고 있다. 현재 핀란드와 스웨덴, 미국, 일본에서는 IT와 종이를 접목한 복합체를 개발하는 연구가 한창이다. 생물학적 센서를 가진 '바이오 액티브 종이'가 그것이다. 세균이나 독성물질을 감지할 수 있는 이 종이를 포장지로 쓸 경우, 유통되는 제품의 품질을 철저하게 관리할 수 있다.[3]
동영상
각주
- ↑ 윤건일 강해령 기자, 〈(나노코리아 2020) "나노셀룰로오스, 우리도 키운다"…'소재 기술 자립' 한 목소리〉, 《전자신문》, 2020-07-02
- ↑ 전시현 기자, 〈지속가능 미래 소재 ‘나노셀룰로오스’, 친환경‧고효율 제조 공정 기술 개발〉, 《인더스트리뉴스》, 2018-06-11
- ↑ 산소통, 〈종이로 만든 친환경 배터리, 나노셀룰로오스〉, 《네이버 블로그》, 2017-10-26
참고자료
- 윤건일 강해령 기자, 〈(나노코리아 2020) "나노셀룰로오스, 우리도 키운다"…'소재 기술 자립' 한 목소리〉, 《전자신문》, 2020-07-02
- 전시현 기자, 〈지속가능 미래 소재 ‘나노셀룰로오스’, 친환경‧고효율 제조 공정 기술 개발〉, 《인더스트리뉴스》, 2018-06-11
같이 보기
