나무 성분으로 첨단 신소재를 만든다는데

 

 

인류가 발전해온 길을 살펴보면 재료와 소재의 개발과 활용능력이 크게 영향을 끼쳤습니다. 21세기 산업분야의 핵심소재를 연구하는 신소재공학에서 최근 나무가 새로운 재료공급처로 떠오르고 있다는데요. 비결은 바로 나무 성분의 40∼50%를 차지하는 셀룰로오스 때문입니다. 핀란드나 스웨덴, 노르웨이, 일본 등 임업선진국에서 국가의 적극적 재정지원을 바탕으로 나노셀룰로오스 응용연구가 활발히 진행되고 있습니다. 우리나라 국립산림과학원에서도 2007년부터 기능성 첨단신소재 개발 연구를 이어왔고, 지난해 세계 최초로 나무에서 추출한 다공성 셀룰로오스 나노섬유로 리튬이온전지 분리막을 제조하는 데 성공해 그 기술을 인정받았습니다.

 

 

 

그럼 일단 셀룰로오스가 무엇인지 말씀 드릴게요. 셀룰로오스는 독특한 구조적 특성을 가지는 체인 모양의 생체고분자입니다. 주로 종이를 만드는 재료로 알고 계실 건데요. 이 물질은 식물의 세포벽에서 발견되어 식물체를 지지하는 역할을 해요. 그렇기 때문에 줄에 걸리는 힘의 크기인 장력이 아주 강하고, 여러 가지 방식으로 화학적인 변형을 가능해서 종이뿐만 아니라 다양한 강화재료로 이용될 수 있다는 사실이 밝혀져 각광받기 시작했습니다. 게다가 셀룰로오스(cellulose)는 지구상에 가장 많이 분포하는 바이오고분자라네요. 당연히 세계적으로 전기•전자재료, 생체의학재료, 나노복합재료 등 첨단 신소재 개발에 활발히 이용하게 되었죠.

세계 여러 나라에서는 셀룰로오스 나노크리스탈(cellulose nanocrystals), 전기방사 셀룰로오스 나노섬유(electrospum cellulose nanofibrils), 샐룰로오스 나노섬유(cellulose nanofibrils), 박테리아 셀룰로오스(Bacteria cellulose) 등 네 종류의 분야에서 주로 연구되고 있습니다. 셀룰로오스를 이용한 새로운 첨단소재와 관련된 기초•응용연구들이 많은 성과를 거두고 있어서 그 전망이 밝답니다. 
 

<보통은 종이의 원료로 알고 있는 셀룰로오스. 셀룰로오스를 분해한 나노셀룰로오스가 최근 많은 나라에서 이슈가 되고 있답니다 / 출처: http://www.scienceall.com>

셀룰로오스 나노섬유는 강도와 탄성계수가 높다는 장점과 함께 안정적이고 분해가 잘 되며 생체적합성이 매우 우수합니다. 따라서 녹말작물에서 추출한 알코올을 석유제품 등과 혼합한 연료인 바이오에탄올을 만들거나 생체활성이 높은 재료, 나노복합재료, 나노종이 및 전도성 필름 등에 널리 응용

될 수 있습니다. 뿐만 아니라 생체활성제로 셀룰로오스 나노섬유를 이용하면 의학용으로 많이 사용될 수 있다고 해요. 상처치료용 필름, 골 보강재, 연골과 혈관 조직 지지체가 될 수 있는데요. 나무에서 나온 재료인 만큼 안전성에 더욱 믿음이 가네요. 

또한, 셀룰로오스 나노섬유와 나노크리스탈과 같은 보강재를 응용해서 효율적인 방법으로 인장강도나 인장탄성계수와 같은 고분자의 기계적 강도 등을 크게 개선시킬 수 있어요. 산소투과도가 낮고 기계적 성질이 우수하며 투명하기 때문에 식용 및 의약품 포장재료에도 나노셀룰로오스 소재가 널리 이용될 수 있습니다. 앞에서 말씀 드렸던 것처럼 높은 강도와 탄성계수 때문에 나노셀룰로오스 소재는 전지•전자소재로써 리튬이온 전지용 분리막, 디스플레이, 태양전지, 전자종이, 센서 등에 이용될 수 있지요. 여러 가지 측면에서 나노셀룰로오스 소재는 미래의 기능성 신소재의 자질이 충분합니다.  
 

 

 

 

국립산림과학원은 지난해 세계 최초로 나무에서 추출한 다공성 셀룰로오스 나노섬유를 이용해서 리튬이온전지 분리막을 만드는 데 성공해서 큰 이슈가 되었죠. 이 프로젝트는 기존에 나노기술이 석유계 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 수지를 이용해서 만들어지는 것에 비해 100% 친환경 자원으로 만들어낼 수 있고, 기존 분리막에 비해 기계적 특성이 우수하고 고온에서 수축이 없다고 합니다. 

충전이 가능한 전지를 뜻하는 2차 전지 시장의 대부분을 차지하고 있는 리튬이온전지는 스마트폰, PC, 하이브리드 자동차 등 우리 생활에 광범위하게 사용되고 있습니다. 올해 리튬이온전지의 4대 핵심소재 양극, 음극, 전해액, 분리막의 세계시장을 1조 2,000억 원대로 전망하고 있으니 엄청난 산업이죠.

프로젝트를 진행한 국립산립과학원 이선영 박사는 "나노셀룰로오스 연구를 지속적으로 발전시켜 리튬이온전지 개발뿐만 아니라 의공학 신소재와 에어로젤을 이용한 나노복합소재 개발 시대를 열겠다"고 포부를 밝히고 있는데요. 앞으로 한국에서 세계시장을 휩쓸 수 있을 것 같습니다. 게다가 친환경 소재라는 점도 큰 매력이네요!