한국화학연구원, 셀룰로오스 나노결정체 제조 공정 원천기술 개발

[인더스트리뉴스 전시현 기자] 한국화학연구원 신지훈 박사(환경자원연구센터장) 연구팀은 차세대 나노 소재로 주목받고 있는 ‘나노셀룰로오스’를 친환경적으로 제조할 수 있는 공정을 개발했다. 연구팀은 기존 황산 공정 대신 전자빔과 고압균질기를 활용했다. 나노셀룰로오스는 나무의 구성 성분인 셀룰로오스를 10억분의 1로 쪼개 나노화한 물질이다. 분자간 결합력이 탁월해 강도가 높고, 친수성이  뛰어나서 여러 산업에 응용될 것으로 기대되고 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. 연구팀은 세 번째 형태인 나노셀룰로오스 결정체(Cellulose NanoCrystals, CNCs) 제조 기술을 개발했다.
   
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 필요하여 제조 과정에 제한이 있다.

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.

황산 처리를 대체할 수 있는 친환경 공정을 개발한 것은 본 연구팀이 처음이다. 기존 공정의 단점을 극복하기 위해 연구팀은 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 활용했다. 분자량이 줄어들면 셀룰로오스를 나노화하는 데 도움을 준다. 또한 연구팀은 입자마다 동일한 음전하를 띠게 해서, 같은 전하끼리 밀어내는 성질을 이용해 물질을 쉽게 분산시켜 나노화했다. 

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.

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.

신지훈 박사 연구팀은 차세대 나노 소재로 주목받고 있는 ‘나노셀룰로오스’를 친환경적으로 제조할 수 있는 공정을 개발했다. 연구팀은 기존 황산 공정 대신 전자빔과 고압균질기를 활용했다. 나노셀룰로오스는 나무의 구성 성분인 셀룰로오스를 10억분의 1로 쪼개 나노화한 물질*이다. 분자간 결합력이 탁월해 강도가 높고, 친수성이  뛰어나서 여러 산업에 응용될 것으로 기대되고 있다. 

나노셀룰로오스의 형태와 제조 방법은 세 가지로 나뉜다. 첫 번째는 펄프를 갈아 기계적 처리를 해서 분지화*된 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. 한국화학연구원 연구팀은 세 번째 형태인 나노셀룰로오스 결정체(Cellulose NanoCrystals, CNCs) 제조 기술을 개발했다.
 
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 필요하여 제조 과정에 제한이 있다.

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.

황산 처리를 대체할 수 있는 친환경 공정을 개발한 것은 본 연구팀이 처음이다. 기존 공정의 단점을 극복하기 위해 연구팀은 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 활용했다. 분자량이 줄어들면 셀룰로오스를 나노화하는 데 도움을 준다. 또한 연구팀은 입자마다 동일한 음전하를 띠게 해서, 같은 전하끼리 밀어내는 성질을 이용해 물질을 쉽게 분산시켜 나노화했다.  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.

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.

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