화학연, 셀룰로오스 나노결정체 제조 공정 원천기술 개발
화학연, 셀룰로오스 나노결정체 제조 공정 원천기술 개발
  • 김성현 기자
  • 승인 2018.06.11 15:45
  • 댓글 0
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청정화학 분야 학술지인 'Green Chemistry' 2018년 10호에 게재된 셀룰로오스 나노결정체 친환경 제조 기술.[사진=화학연 제공]
청정화학 분야 학술지인 'Green Chemistry' 2018년 10호에 게재된 셀룰로오스 나노결정체 친환경 제조 기술.[사진=화학연 제공]

[충남일보 김성현 기자] 한국화학연구원은 신지훈 박사(환경자원연구센터장) 연구팀이 차세대 나노 소재로 주목받고 있는 ‘나노셀룰로오스’를 친환경적으로 제조할 수 있는 공정을 개발했다고 11일 밝혔다.

나노셀룰로오스는 나무의 구성 성분인 셀룰로오스를 10억분의 1로 쪼개 나노화한 물질이다. 분자간 결합력이 탁월해 강도가 높고 친수성이  뛰어나서 여러 산업에 응용될 것으로 기대되고 있다. 

나노셀룰로오스의 제조 방법은 펄프에 고농도의 황산을 사용해 결정체 형태의 나노셀룰로오스를 만드는 방법 등이 있다.

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. 또 황산 처리 이외에도 초음파 분쇄 과정이 필요해 제조 과정에 제한이 있다.

아울러 총 투입된 펄프의 약 30%만 최종 나노셀룰로오스로 나와 수율도 높지 않다. 나노셀룰로오스의 표면 성질에 쉽게 변화를 주기 힘들어 응용이 제한된다는 단점도 있다.

그러나 지금까지 뚜렷한 대안 기술이 없어 황산 공정으로 제조되고 있는 상황이었다. 전 세계적으로 연구가 많이 진행되었지만, 화학물질을 사용하지 않으면서 물질을 나노화하는 과정이 어려워 대체 공정이 개발되지 못했다.

이에 연구팀은 기존 공정의 단점을 극복하기 위해 국내 타산업에서 널리 사용되고 있는 전자빔과 고압균질기를 활용했다. 기존 산 중화 수처리 공정이나 초음파 분쇄가 필요 없어 친환경적이고 효율이 높다.
    
연구팀은 물질에 전자빔을 투사하면 분자량이 저감되는 원리를 활용해 입자마다 동일한 음전하를 띠게 해서, 같은 전하끼리 밀어내는 성질을 이용해 물질을 쉽게 분산시켜 나노화했다. 
 
또 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.

기존 황산처리로 제조된 나노셀룰로오스는 외부 열에 상대적으로 취약하지만, 본 연구로 개발된 나노셀룰로오스 열에 안정적이다. 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.또 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.
 
화학연 신지훈 박사는 “황산 처리를 대체할 수 있는 친환경 공정을 개발했다는 점과 이번 연구가 원천소재 대량생산 기술 연구가 미약한 국내 연구 환경에서 이뤄졌다는 점에서 큰 의미를 가질 수 있다"며 "향후 관심있는 기업과의 상용화를 위한 대량 생산 공정 연구에도 박차를 가할 계획”이라고 밝혔다.

화학연 신지훈 박사 연구팀은 섬유 형태의 나노셀룰로오스 대량 제조 관련 연구도 진행하고 있다. 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(과제명: 저비용 공정 기반 셀룰로오스 나노파이버 대량 제조 기술 개발) 과제를 무림피앤피㈜, 서울대학교, 세종대학교와 공동으로 2016년~2020년까지 4년간 수행할 계획이다.
 
한편 이번 연구 성과는 청정화학 분야 세계적 권위 국제 학술지인 'Green Chemistry' 2018년 10호에 게재됐다.

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