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Nikkei X-TECH_2023.3.27

CNF, '나노'보다 '마이크로'로 먼저 실용화
제조 비용의 저감과 수요처 개척이 필요

셀룰로오스 나노 섬유(CNF)는 목재 등의 식물에서 채취되는 셀룰로오스를 수십 nm로 미세화해 만드는 섬유다. CNF의 특징은 다음과 같다. (1) 강철의 1/5로 가벼우면서도 5배 이상의 강도를 갖춘, (2) 열변형이 작고, (3) 표면적이 크며, (4) 투명도가 높고, (5) 액체에 틱소트로피(Thixotropy) 성질(정지상태로 굳어져 힘을 가하면 유동한다)을 부가할 수 있고, (6) 기체차단특성(Gas Barrier Properties)을 갖는다. CNF는 일본발 고기능 재료로서 큰 기대를 모았으며, 12년 시점에서 경제산업성은 2030년에 1조엔의 국내 관련 시장을 창조한다는 목표를 제시했다.

<표> 셀룰로오스 나노 섬유(CNF)

투명성이나 증점(Thickening) 효과, 높은 분산 안정성 등을 활용한 기능성 첨가제로서 조금씩 채택하고 있지만 적은 사용량으로 높은 효과를 얻을 수 있기 때문에 첨가제로서 대량 생산하는 상황에는 이르지 못했다. 한편, 사회적인 탄소중립에 대한 의식 고조와 함께 자동차부품이나 가전제품에서 플라스틱의 강화 재료로서 이용되기 시작했다. 식물 유래로 환경 부하가 적고 재사용했을 때 강도가 잘 떨어지지 않는다는 장점이 평가를 받게 되었기 때문이다.

-- 고농도로 사용할 수 있고 재이용 가능 --
CNF는 원래 지름을 ‘나노(nm)’ 크기까지 잘게 만든 것을 가리키지만 플라스틱의 강화 용도에서는 ‘마이크로(µm)’ 레벨로 다소 큰 셀룰로오스 섬유를 사용하는 경우가 있다.

그 한 예인 Panasonic Production Engineering(오사카부)의 ‘kinari’는, 섬유 전체는 µm 레벨의 크기이며, 말단을 갈라 nm 레벨까지 미세하게 만든 셀룰로오스를 사용하고 있다. 이를 파나소닉 프로덕션 엔지니어링은 ‘나노’를 생략하고 ‘셀룰로오스 섬유’라고 부른다.

다양한 CNF의 특성은 나노 레벨의 미세함으로 인해 얻어지는 것이 많지만 시장의 조기 확대를 위해 “나노에 집착해서는 안 된다”는 의견이 제기되고 있다. 마이크로 레벨의 셀룰로오스는 폴리프로필렌(PP) 등의 플라스틱에 대량으로 섞어도 성형 재료로 이용 가능하며, 셀룰로오스의 질량비가 90%에 이르는 성형 재료의 시작(試作) 사례도 있다.

셀룰로오스의 비율이 높으면 그만큼 석유 유래인 플라스틱의 사용량을 줄일 수 있다. 식물 유래 플라스틱, 폴리유산(PLA)에 셀룰로오스를 섞어 거의 100% 식물 유래의 성형 재료로 만드는 시도도 진행되고 있다.

게다가 셀룰로오스로 강화한 플라스틱은 재사용에 적합하다. 같은 섬유강화플라스틱이라도 유리섬유의 경우는 재사용을 위해 용융/재성형하는 과정에서 섬유가 부러져 재생품의 강도는 떨어진다. 그러나 셀룰로오스는 잘 부러지지 않기 때문에 재생품의 강도가 거의 떨어지지 않는다. 자동차회사, 자동차부품업체, 가전업체 등이 이 특징에 주목하게 되었다.

대조적으로 나노 레벨까지 미세하게 만든 CNF는 플라스틱에 혼입 가능한 양이 기껏해야 50% 정도에 그치고, 게다가 펄프를 잘게 해서 CNF를 제조하는 과정에 큰 에너지가 필요하기 때문에 이산화탄소(CO2) 배출 감소 효과가 약화된다.

그보다는 제조 공정에서의 CO2 배출량이 적고, 대량으로 사용할 수 있는 마이크로 레벨의 셀룰로오스로 일단 이용량을 확대하고, 그 후에 대량 생산에 의해 나노 레벨을 포함한 셀룰로오스의 가격 저감을 도모하는 것이 좋지 않을까 생각하게 되었다. 파나소닉 이외에도 스미토모화학 등이 마이크로 레벨의 셀룰로오스를 사용하는 시도를 시작했다.

다만 셀룰로오스는 목재와 마찬가지로 너무 가열하면 타버린다. 이 때문에 조합할 수 있는 플라스틱에는 제한이 있다. 예를 들어 내열성이 높은 엔지니어링 플라스틱은 융점이 높기 때문에 셀룰로오스를 섞으면 성형할 때 눋기 때문에 변색이나 냄새 발생의 원인이 될 수 있다.

-- 정보 공유가 과제 --
앞으로 실용화가 진전되기 위해서는 CNF의 제조 비용이 싸져야 하며, 이를 위해서도 수요처를 개척해야 한다. 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)가 22년에 개최한 심포지엄에서는 CNF의 용도 개발에 관해 관련 기업 간 정보 공유의 필요성을 지적하는 목소리가 많이 나왔다.

CNF는 제지회사 등이 생산하고 있으나 CNF의 크기나 해섬(解纖)의 상태 등에 따라 다양한 것이 있다. 그러나 성형품 등에 이용하기를 원하는 기업들은 CNF의 상세 정보를 모르는 경우가 있다. “자동차 안과 밖, 위와 아래에 따라서도 부품 재료에 요구되는 요건은 크게 달라진다. 그 요건에 재료의 특성을 잘 연결시키고 싶은데, 그 때 과제가 될 만한 정보를 알려 줬으면 좋겠다”(자동차 업체).

“좋은 재료가 완성됐다고 해서 평가를 진행해도 여러가지 과제를 발견하는 것이 보통이다. 그럼에도 유저가 평가를 진행해서 처음 알게 되는 정보 중 몇 가지는, 재료업체가 처음부터 알고 있는 정보도 있을 것이다.

그런 정보는 알려주지 않으면 시간을 낭비할 수밖에 없다”(자동차 업체). 그러나 유저가 시행착오 과정에서 얻은 과제나 문제의 데이터가 나오는 경우도 적어 ‘같은 시행착오나 실패를 다른 유저 기업이 반복하게 된다’는 지적도 있다.

교토대학 생존권연구소 생물기능재료분야의 야노(矢野) 교수는, CNF를 사용한 콘셉트카를 개발하는 환경성의 사업 ‘Nano Cellulose Vehicle(NCV)’ 프로젝트를 경험한 입장에서 “재료 개발만 노력해도 안 되고 부재로서 완성하기 위해서는 재료 개발, 가공 기술, 설계가 삼위일체가 되지 않으면 안 된다”고 지적한다.

현재로서는, 예를 들어 Panasonic Production Engineering처럼 재료 개발과 이용 모두를 직접 전개하는 등의 방법으로 정보 측면에서 우위성을 얻고 있는 기업이 실용화에서 앞서고 있는 상황이라고 할 수 있다.

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