[쿠키과학]철보다 5배 강한 셀룰로오스 상용화 길 열었다

UST-KRICT 스쿨, 기본 물성 유지하는 셀룰로오스 나노결정체 소수화 성공
차세대 신소재 셀룰로오스, 자동차, 포장재 등 산업 전반 광범위 활용 기대

기사승인 2024-08-14 18:45:43

차세대 소자인 셀룰로오스 나노결정체(CNCs)는 철보다 강도가 5배나 높아 철은 물론 플라스틱 대체재로도 주목받고 있다.

그러나 셀룰로오스 나노결정체는 물에 분산되는 친수성을 지녀 소수성 소재로 활용하는데 제한이 있어 이를 극복하기 위한 연구가 세계적으로 진행 중이다.

나노셀룰로오스 상용화 길 열다

과학기술연합대학원대학교(UST)는 한국화학연구원(UST-KRICT) 스쿨 이현호 화학소재및공정 통합과정 신지훈 교수, KAIST 유석렬 박사과정 연구팀이 셀룰로오스 나노결정체의 표면을 효과적으로 소수화하고, 이를 활용해 탄성체 인장강도 등 기존 성질을 유지하면서 강도는 14배 높이는 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

이번 기술은 셀룰로오스 나노결정체의 친수성을 극복, 자동차나 포장재 등 산업 전 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

피커링 에멀전 방법과 열 에스테르화 반응으로 셀룰로오스 나노결정체를 소수화한 모식도. UST

셀룰로오스 나노결정체는 목재, 면직물 등 셀룰로오스가 풍부한 원료의 산 가수분해로 생성되는 재생가능하고 생분해가 가능한 막대형태의 나노 물질이다.

이는 표면에 수많은 수산기와 황산 에스터기가 존재하기 때문에 물에 균일하게 분산된다. 그러나 셀룰로오스 나노 결정체의 표면 친수성은 플라스틱이나 고무 같은 소수성 소재의 응용을 제한하는 단점이 있다.

연구팀은 섞이지 않는 두 액체 사이 계면에 고체입자가 흡착돼 안정화된 액성 혼합물 상태인 ‘피커링 에멀전(Pickering emulsions)’을 활용했다.

이를 강한 소수성을 갖는 물질 ‘테트라드시닐 무수물(TDSA)’을 셀룰로오스 나노결정체 표면에 균일 도포해 나노 입자를 제조하고, 용매 추출법으로 열가소성 탄성체와 섞어 나노복합탄성체를 개발했다.

연구팀이 개발한 나노복합탄성체를 물방울 표면각 측정실험으로 확인한 결과 처리 전보다 소수성이 최대 90까지 증가했다.

또 이를 열가소성 탄성체에 첨가하면 기계적 물성평가에서 기존 탄성체의 신율과 인장강도를 유지하면서도, 저장탄성률은 14배, 영률은 4배나 향상되며 물성이 강화된 것을 확인했다.

특히 소수화된 셀룰로오스 나노결정체를 첨가한 나노복합탄성체는 탄성체 고유의 신율과 인장강도를 유지하면서 저장탄성률과 영률 등 특정 물성만 강화돼 접착제, 포장재, 자동차 등 산업 전반에서 광범위한 활용을 기대할 수 있다.

아울러 이번 연구에 사용한 피커링 에멀전 기법은 기존 방법보다 효과적으로 셀룰로오스 나노결정체의 표면을 소수화할 수 있어 향후 다른 연구에도 활용도가 높을 전망이다.

이현호 학생은 “기존 복잡했던 셀룰로오스 나노결정체의 소수화 공정을 획기적으로 간소화하고, 낮았던 소수화 반응성도 크게 향상시켰다”며 “이번 연구가 복합소재 분야에 활용돼 과학 및 산업 분야 발전에 기여하길 바란다”고 말했다.

한편 이번 연구는 UST-KRICT 스쿨 이현호 통합과정과 KAIST 유석렬 박사과정이 제1저자로, UST-KRICT 스쿨 신지훈 교수와 박세흠 화학연 선임연구원, KAIST 박윤수 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 연구결과는 국제학술지 ‘컴포지트 파트 비: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)’ 8월호에 게재됐다.