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셀룰로오스 나노섬유 기술 및 시장동향

1. 셀룰로오스 나노섬유의 개요

나노기술은 21세기 국가 과학기술경쟁력을 좌우할 핵심기술로 인식되고 있으며, 이

를 이용한 나노소자와 나노소재에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있으며 나노소

자는 기존의 반도체 제조공정의 극미세화의 진행과 더불어 나노공정화로 이어지고

있고, 소재분야에서는 고분자, 금속, 세라믹의 경계가 허물어지는 복합화 현상과 더

불어서 각 나노섬유화, 나노분말화, 나노구조화 등의 다양한 형태로 진행되고 있다.

최근 섬유산업에서도 나노기술을 기반으로 기존소재의 성능 한계를 초월하는 초

경량, 극한기능, 복합기능, 친환경 등과 같은 고성능과 다기능을 만족하는 새로운

개념의 소재 및 응용기술이 개발되어, 환경 및 에너지(ET), 바이오(BT), 우주항공

(ST) 등 21세기 첨단 분야에서 차세대 신기술 및 신소재로 자리매김하고 있다.

[그림] 나노섬유 기반의 미래 신소재의 개발 방향

그 중에서 최근 핫 이슈가 되고 있는 것이 바로 셀룰로오스 나노섬유 분야이다.

셀룰로오스는 목재, 면 등과 같은 천연물을 이루는 주성분으로, 글루코오스(glucose)

가 연속적으로 결합된 구조로 이루어져 있다. 이러한 연속된 결합이 모여 식물 세

포벽 내에서 마이크로피브릴(microfibril)이라는 하나의 구조체를 이룬다. 마이크로피

브릴 사슬은 접힘이 없고 결점도 매우 적기 때문에 이를 셀룰로오스의 결정(crystal)

이라 부르는데, 이러한 구조적 특성은 셀룰로오스의 물리적 성질을 좌우하는 중요

한 요소가 된다.

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셀룰로오스의 나노구조를 살펴보

면 α 1→4 linkage로 연결된 글

루코오스가 결정과 비결정 구역

으로 연결되어 있으며, 분자간 in

terfibrillar bonds가 화학처리를

통해 제거될 경우 나노 크기의

마이크로피브릴이 형성되어 분리

가 된다. 셀룰로오스의 나노구조

를 이루는 Nanocrystal의 크기는

리소스(Resources)에 따라 크기가

다양한데, 특히 목재의 경우 길이

가 100~300 nm, 직경이 3~5 nm,

종회비(L/D)가 30~70 정도인 것으로 알려져 있다.

[표] 셀룰로오스 리소스에 따른 셀룰로오스 Nanocrystal의 크기

셀룰로오스 Nanocrystal을

황산 가수분해 방법에 의해

제조할 경우 사용한 황산의

농도에 따라 셀룰로오스의

나노섬유의 결정크기 및 결

정화도 달라짐이 보고되어

있으며, 고농도의 황산을 사

용해 결정 크기 및 결정화도

가 높은 Nanocrystal을 제조

할 경우 중합도(DP)가 100

수준으로 매우 낮아진다고

알려져 있다.

Cellulose source Length, L (nm) Cross section, D (nm) Axial ratio, L/D

Wood 100–300 3–5 30–70

Cotton 100–400 7–15 10–20

Algae (Valonia) 100 nm to µm 10–20 N/A

Bacterial cellulose 100 nm to µm 5–10 N/A

Tunicate cellulose 100 nm to µm 10–20 67

Sugar beet pulp 210 5 40

Wheat straw 220 5 45

[그림] 셀룰로오스 나노구조 모식도(a) single cellulose chain repeat unit, (b) cellulose microfibri,

(c) cellulose nanocrystals

[그림] 황산 농도에 따른 셀룰로오스의 나노섬유의 결정크기 및 결정화도

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아래 사진에는 한국생산기술연구원에서 제조한 셀룰로오스의 나노섬유의 주사전

자현미경(SEM) 사진을 나타내었는데, 목재 펄프로부터 직접 얻어진 나노섬유 형상

은 Spaghetti-like한 장섬유 구조를 보이고 있으며, 독일 JRS社의 Microcrystalline

Cellulose(MCC)를 이용해 제조한 나노섬유 형상은 Rice-like한 단섬유 구조를 띔을

알 수 있다.

[그림] 원료 종류에 따른 셀룰로오스의 나노섬유의 현미경 사진

나노크기로 피브릴화된 셀룰로오스는 150~200GPa의 고탄성률과 5GPa 이상의 고

강도를 갖는 것으로 알려져 있으며, 이는 일반적인 탄소섬유와 아라미드 섬유에 비

견할 만한 기계적 특성으로, 이러한 뛰어난 특성 때문에 최근 식물로부터 마이크로

피브릴을 분리하여 셀룰로오스 나노섬유(Cellulode Nanofiber, CNF)를 제조하는 연구

가 활발히 진행되고 있다.

[그림] 셀룰로오스 나노섬유의 특성

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(a) 셀룰로오스의 나노섬유의 인장강도와 탄성률

(a) 셀룰로오스의 나노섬유의 산소투과도와 수분투과도

[그림] 셀룰로오스 나노섬유의 물성

또한, 작은 직경크기, 낮은 열팽창계수, 경량성, 환경친화성 및 재사용성 등의 장

점을 가지므로 복합재료 산업에서 유리섬유를 대체할 가능성이 매우 크다고 할 수

있으며, 일반 포장용 고분자 재료에 비해 산소투과도가 매우 낮아 배리어 소재로서

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의 가능성이 매우 큰 장점이 있다고 알려져 있다. 본 자료에서는 셀룰로오스 나노

섬유의 제조기술 및 시장 동향을 정리하여 관련 분야 종사자들에게 정보를 제공하

고자 한다.

2. 셀룰로오스 나노섬유의 제조 및 응용기술 개발 동향

2-1. 셀룰로오스 나노섬유의 제조기술

셀룰로오스 나노섬유는 여러 제조방법이 알려져 있는데, 현재까지 알려진 NFC

제조기술은 주로 셀룰로오스 현탁액을 효소처리하거나 촉매, 산화처리 등 화학적

으로 전처리한 후 저농도로 희석하여 리파이닝(refining), 고압 호모게나이징(high pr

essure homogenizing), Cryo-crushing, 그라인딩(grinding), 밀링(milling) 등의 후속공

정에 의해 기계적 분쇄하는 처리방법을 통해 제조방법이 알려져 있다.

셀룰로오스 나노섬유는 제조방법에 따라 다양한 이름으로 불리고 있다.

◦ 나노피브릴화 셀룰로오스(NFC : NanoFibrillar Cellulose)

◦ 나노결정 셀룰로오스(NCC : NanoCrystalline Cellulose)

◦ 박테리아 셀룰로오스(BC : Bacterial Cellulose)

특히 일반적으로 잘 알려져 있는 방법은 리파이닝(refining)이나 호모게나이징(ho

mogenizing)과 같은 기계적 처리를 통해 식물 세포벽으로부터 분리하여 나노크기의

마이크로피브릴화 셀룰로오스(microfibrillated cellulose, MFC)의 형태로 제조하거나,

정제과정을 거쳐 미세결정셀룰로오스(microcrystalline cellulose, MCC)의 형태로 제조

할 수 있다.

[표] 셀룰로오스 나노섬유 명칭 분류

명 칭 약 자 크 기 (nm)제조방법(원료물질)

Cellulose nanocrystals,nanocrystalline cellulose,nanocrystallites of cellulose,crystalline cellulose, cellulosenanowhiskers

CNCs, NCCs,CNXLs, XNLs,CNWs

Ÿ Length: 50–500Ÿ Width: 3–15

Acid hydrolysis (wood, cotton,rice, ramie, sisal, tunicates)

Cellulose nanofibers,nanofibrillated cellulose,nanofibrous cellulose

CNFs, NFCsŸ Length: 50–3000Ÿ Width: 5–50

Mechanical treatment (wood,microcrystalline cellulose,tunicates)

Bacteria cellulose, bacterialcellulose, bacterialnanocellulose, bacteriananofiber

Bacteria CNs,BNCs, BNFs

Ÿ Length: 200–3000Ÿ Width: 10–75

Bacteria

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셀룰로오스 나노섬유 관련 특허, 논문 등 연구 간행물 수는 지난 10여 년간 크

게 증가하였는데, 한국의 연구 간행물 수 실적은 미국(약 500건), 중국, 일본, 프랑

스, 스웨덴, 캐나다 다음으로 7위(2012년 기준)에 위치하며, 3위와 7위의 격차는 약

70여건으로 향후 지속적인 연구개발로 지식재산권 분야의 상위 선점이 가능한 분야

라 판단된다. 하지만 국내의 경우 특허 및 연구 간행물 수에 비해 셀룰로오스 나노

섬유를 대량으로 제조하는 국내업체는 전무한 실정이고, 대량생산기술은 주로 북미

와 유럽에서 확보하고 있는 상황으로, 현재까지의 기술력으로는 1일 제조량이 적기

때문에 제품의 단가가 매우 고가이며, 주로 현탁액의 상태로 판매하기 때문에 국내

반입 또한 수월하지 않은 실정으로 국내 독자적인 제조기술 확보가 시급한 실정이

다.

2 4 5 7 5 13 10 14 1435

6096

153

225

291

420

639

19951996

19971998

19992000

20012002

20032004

20052006

20072008

20092010

20110

100

200

300

400

500

600

700

Num

ber o

f pub

licat

ions

Year[그림] 1995 ~ 2011년 셀룰로오스 나노섬유 관련 연구 간행물 발간 현황

아래 표에는 문헌상에 알려진 셀룰로오스 나노섬유 다양한 제조방법을 요약 정

리하였다.

[표] 연구 문헌상의 셀룰로오스 나노섬유 제조방법

○ 기계적 처리방법

원료제조방법 CNF 직경

(nm) 참고문헌전처리 기계적처리

Potato pulp Blender Homogenizer ~ 5 Dufresne et al. (2000)Kraft pulp Refiner Homogenizer - Nakagaito et al. (2004)Kraft pulp Refiner Homogenizer 50~100 Iwamoto et al. (2005)Soybean stock Cryo-crushing Defibrillator 50~100 Wang et al. (2007)

Wheat straw Cryo-crushing Disintegrator 20~120 Alemdar et al. (2012)Wood pulp Super grinder 20~90 Taniguchi et al. (1998)Hemp pulp Cryo-crushing 5~80 Bhatnagar et al. (2005)Sugar beet pulp Ultra-turrax mixer Homogenizer 30~100 Leitner et al. (2007)

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아래 표에는 셀룰로오스 나노섬유를 제조하는 대표 기업 및 타겟 용도를 요약하

여 정리하였다.

[표] 셀룰로오스 나노섬유를 제조하는 대표 기관 및 타겟 용도

노르웨이 PFI (Paper and Fibre Research Institute) 연구팀은 셀룰로오스 나노섬

유를 다양한 응용분야에 사용하기 위해서는 저렴한 가격으로 상업적 생산이 가능해

야 하는 점에 착안하여 에너지 소비가 낮으면서(1,600 kWh/ton) 대량생산(1.5

ton/day)이 가능한 공정을 개발하고, 20 nm 이하의 직경을 갖는 셀룰로오스 나노섬

유의 대량생산 가능성 확보하였다. 셀룰로오스 나노섬유를 열처리 기계펄프에 혼입

한 후 강도가 상당히 개선되는 결과를 최초로 확인하였으나, 셀룰로오스 나노섬유

○ 화학적 처리방법

원료제조방법 CNF 직경

(nm) 참고문헌전처리 기계적처리

Sulfite/Kraft pulp TEMPO-mediatedoxidation Blender ~ few Saito et al. (2006)

Sugar beet pulp BlenderHomogenizer &TEMPO-mediated oxidation

- Habibi et al. (2008)

○ 촉매 전처리방법

원료제조방법 CNF 직경

(nm) 참고문헌전처리 기계적처리

Kraft pulpEnzymatic pre

treatment by fungusOS1

Disintegrator 10~250 Janardhnan et al. (2006)

Sulfite softwoodcellulose pulp

Refiner &endoglucanasetreatment &

enzymatir treatment

Refiner 5~30 Lopez-Rubio et al.(2007)

Softwoodsulfite pulp

PFI mill &Novozyme 476treatment

PFI mill 5~30 Henriksson et al. (2007)

구분 연구기관 및 타겟 용도

유형

· 대형 다국적 셀룰로오스 나노섬유 생산업체: Borregaard(노르웨이), Nippon Paper(일본), Stora Enso(핀란드) J.Rettenmaier &Sӧhne(독일), Innventia AB(스웨덴), Daicel Chemical(일본),UPM-Kymmene(핀란드), Melodia(다국적)

· 중형 셀룰로오스 나노섬유 생산업체 : Celluforce(캐나다), Bio VisionTechnologies(캐나다)

· 파일롯 규모의 제조가 가능한 정부지원 실험실 및 대학 연구센터: US Forest Service Labs(미국), Alberta Innovates technology(캐나다), FPInnovations(캐나다)

최종용도

포장재, 인쇄용지, 안료 및 잉크, 방지막, 접착제, 의료용 복합재, 제약 및 약물전달용, 섬유, 건축자재, 운송산업, 식품 첨가물, 화장품 증점제, 보호필름 등

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가 물을 다량 흡수하여 초지기에서 습지의 탈수 문제로 상용화에는 어려움을 겪고

있다. 스웨덴의 Innventia社에서는 효소처리에 의한 가수분해와 기계적 처리에 의해

셀룰로오스 나노섬유를 제조하여 연구결과를 발표하고 있는데, 효소처리한 다음 수

분산된 셀룰로오스를 고압 호모게나이저(high pressure homogenizer)를 이용하여 고

압의 미세노즐을 통과시킬 때 발생하는 충격력, 전단력, 캐비테이션(cavitation) 및

이러한 공정의 반복으로 셀룰로오스를 피블릴화하여 나노섬유를 제조하는 공정을

개발하였다. 한편 한국생산기술연구원에서는 고압 호모게나이저 기술과 암모니아

Fiber Expansion 기술을 융합하여 효소 전처리 없이 펄프로부터 셀룰로오스 나노섬

유를 직접 제조할 수 있는 독자적인 신기술을 개발하였다.

2-2. 셀룰로오스 나노섬유의 응용기술

노르웨이 PFI는 오보 아카데미(Abo Akademi)와의 공동연구로 나노 종이의 부드

러운 표면과 낮은 기공도로 인해 셀룰로오스 나노섬유의 잠재적인 응용분야로 등장

하고 있는 전자 종이(paper electronics)를 개발하였고, 고강도, 투명성, 생분해성 및

재생 가능성을 갖는 인쇄 전자 기판으로 응용분야를 확대할 것으로 보인다. 노르웨

이 과학기술대학(NTNU)와의 공동연구로 셀룰로오스 나노섬유의 고유 강도와 자체

결합으로 고밀도의 높은 나노 차단성을 갖는 나노 복합체를 제조하였고, 셀룰로오

스 나노 섬유와 필름의 표면 개질을 통해 표면의 소수성을 조절하여 식품 포장용으

로 개발하였다. 일본의 미쓰비시화학은 자사의 플라스틱 소재 가공 기술과 왕자제

지의 목질 펄프 소재 기술을 결합하여 셀룰로오스 나노섬유 복합재료를 연구개발하

고 있으며, 고강도와 고투명성을 활용하여 OLED용 플렉서블 기판 및 LED 봉지재

등에 적용이 가능할 것으로 보고 있다. 스위스의 EMPA는 CNF를 기반으로 하는 복

합재료 제조기술을 개발하였고, 나노 물질과 복합화하여 운송, 풍력 터빈, 스포츠

및 의료용에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 유리 및 탄소섬유 강화 플라스틱을

대체하기 위한 연구를 지속하고 있다. 미국의 Forest Products Laboratory(FPL)과 위

스콘신대학교 연구자들은 유연성을 지닌 전자기기의 기판재료로서의 용도를 개발하

고 있으며, 일본 동경대에서는 TEMPO-산화 셀룰로오스 나노섬유와 Sigle-Wall CNT

나노복합소재를 개발하였는데, 투명성, 전도성, 강성 등이 전자 디바이스로 응용이

가능할 정도로 우수함을 보고하였다. 한국 서울대학교 산림과학부는 한솔제지와 함

께 셀룰로오스 나노섬유 제조기술과 슈퍼컴포지트 응용연구를 추진하였으며, 강원

대학교에서는 예지를 활용한 대량생산기술을 연구하였다. 한편 국립산림과학원은

CNF 복합재료를 활용한 고부가가치의 용도 개발을 목표로 전극과 세퍼레이터에 3

차원 구조 CNF를 적용, 「종이 배터리」를 개발 중에 있다.

셀룰로오스 나노섬유 관련 특허, 논문 등 연구 간행물을 기준으로 살펴보면,

Composites 분야(38%)가 선두를 차지하고 있으며, Nonwoven, Absorbent Webs 분야

(18%), Paper and Boards 분야(16%)로 그 뒤를 따르고 있다.

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이밖에 셀룰로오스 나노섬유의 우수한 강도 및 물리적 특성을 활용한 나노 복합

재료의 연구개발이 활발히 진행되고 있는데, 기존 천연선유 강화 복합재료의 고성

능화 이외에도 생체적합성, 생분해성 등의 장점을 이용한 분야에서의 잠재력이 매

우 크다고 알려져 있다. 예를 들면 자동차, 건축물의 내외장재, 항공우주재료, 연료

전지 분리막, 신장투석, 역삼투막, 단백질 분리, 투과증발막 등 전자부품, 의료기기

등의 다양한 분야에서의 연구개발이 시도되고 있다.

2-3. 셀룰로오스 나노섬유의 개질기술

현재까지 보고된 셀룰로오스 나노섬유의 화학적인 개질기술들은 히드록실기

(hydroxyl groups)의 화학적인 개질에 집중되고 있는데, TEMPO 산화, 에스테르화,

카티온화, 그라프트 공중합 등이 알려져 있다. 이러한 화학적인 개질을 통해 친수성

(hygroscopic)인 셀룰로오스 나노섬유의 특성을 개선하고, 기능성 소재를 도입함으로

써 새로운 용도를 찾으려는 연구가 계속되고 있다.

[그림] 셀룰로오스 나노섬유의 일반적인 화학적 표면개질 기술

* FITC: fluorescein-5-isothiocyanate

또한 최근에는 이온성 액체(ionic liquids) 기반의 용매를 사용하여 화학적인 표면

개질 기술을 활용하여, 술폰화, 아민화, 카보닐화 등 다양한 시도가 이루어지고 있

다.

3. 셀룰로오스 나노섬유의 용도

셀룰로오스 나노섬유는 소재의 형상에 따라 다양한 용도로 사용 잠재력을 가지

고 있음이 알려져 있다.

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[표] 셀룰로오스 나노섬유 소재 형상에 따른 용도

소재 형상 응용 분야섬 유 fiber, reinforcement material, biomaterial, magnetic paper 등

필름/멤브레인drug delivery, separation, water treatment, package, optical media,biomembrane, adsorption 등

나노컴포지트biomaterials, drug delivery, reinforcement material, barrier film,membrane, conductive material, adhesion 등

기 타 drug delivery, biomaterial, water treatment, thickener, stabilizer 등

[표] 셀룰로오스 나노섬유 소재 구조/특성에 따른 용도

현재까지 상업적으로 알려진 셀룰로오스 나노섬유의 용도는 아래 그림과 같이

나노컴포지트, 필터, 가스차단 필름 등의 분야로 이에 대한 상용화기술 개발 연구가

지속적으로 이루어지고 있다.

[그림] 셀룰로오스 나노섬유의 대표적인 용도

Future Markets社에 의하면 셀룰로오스 나노섬유의 잠재적인 용도는 매우 다양

한데, 2012년 수요 기준으로 분석해 보면 Composites(30%), Paints, films and

coatings(15%), Paper and pulp(14%), Rheological modifiers(8%), Filtration(8%),

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Medicine and life sciences(7%), Electronics(7%), Aerogels(5%), Construction(4%),

Oil(2%) 순으로 분석되었다.

그밖에도 아래와 같은 다양한

용도에서 나노 소재로서의 잠재

적인 가치가 매우 높기 때문에

관련 시장 전망이 매우 밝다고

할 수 있다.

• Food packaging• Printing papers• Pigments and inks• Paper and board packaging• Barrier films• Adhesives• Biocomposites for bone replacement and tooth repair• Pharmaceuticals and drug delivery• Textiles• Water soluble polymers• Construction materials (Concrete additives)• Recyclable interior and structural components for the transportation industry• Rheology modifiers• Low-calorie food additives• Cosmetics thickener• Pharmaceutical tablet binder; bioactive paper• Pickering stabilizer for emulsion and particle stabilized foams• Paint formulations• Enhanced oil recovery• Films for optical switching• Detergents• Energy• Oil recovery• Iridescent and protective films

4. 셀룰로오스 나노섬유의 생산 현황

현재 전 세계적으로 CNF는 노르웨이의 Borregaard社를 필두로 일본, 북유럽, 북

미의 기업체들을 중심으로 하여 상용화 단계에 접어들고 있다. 특히 스웨덴의

Innventia AB는 CNF를 제조하는 세계 최초의 파이로트플랜트 설비를 통해 하루

100kg을 생산하고 있으나, Innventia AB의 NFC 제조방법은 기계적 전처리와 촉매

전처리 또는 기계적 전처리와 carboxy- methylation 단계를 포함하여 공정이 복잡하

고 제품의 단가가 상승하는 단점을 가지고 있다.

일본 Nippon Paper는 연간 50톤 규모의 실증 플랜트 가동을 기회로 용도 개발에

[그림] 2012년 수요 기준 셀룰로오스 나노섬유의 용도

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속도를 내고 있는데, 2013년 11월 TEMPO 산화 CNF의 실증 플랜트 가동, 2016년도

내에 양산화 목표 사업화를 위해 전문조직을 신설을 통한 양산화 기술 개발에 노력

하는 한편, 일본 약 200사에 샘플을 제공하여 기능성 첨가제 용도를 선행 개척중이

다. 제조 코스트 500엔/㎏의 사업화계획을 추진중에 있다.

[표] 셀룰로오스 나노섬유의 대표 제조사 및 생산량

제조사 (국가) 생산량Borregaard (노르웨이) 150 tons/yearNippon Paper (일본) 50 tons/yearOji Paper (일본) 40 tons/year

US Forest Service / University of Maine (미국) 500 kg/dayInnventia AB (스웨덴) 100 kg/day

Alberta Innovates-Technology Futures(AITF) (캐나다) 100 kg/day

Future Markets社에 의하면 2012년 기준 셀룰로오스 나노섬유의 생산량 비중을

조사한 결과 NFC가 66%로 2/3 규모에 달하였으며, 그 뒤를 NCC(Nanocellulose

Crystal)이 약 34%를 차이하고 있으며,

BC(Bacterial Cellulose)는 1% 미만임을

알 수 있다. 그밖에 일본의 오지홀딩스

㈜는 “인산에스테르화법”으로 고투명

도, 고점도의 셀룰로오스 나노섬유를

제조하여 「CNF시트」와 「증점제」

개발을 추진하고 있으며, 도미오카 공

장에 40t/년 규모의 실증 생산설비 도입

하여 2016년 후반을 목표로 가동 예정이다. 직경 3~4 nm, 고투명, 고점도의 습식 파

우더 형태로 출하도 가능한데, 화학 메이커, 화장품 원료 메이커인 닛코케미칼 등

다른 분야의 기업과 공동으로 용도 개발이 진행 중이다. 다이오제지㈜는 여러 가지

원료 펄프를 이용해 특성이 다른 4종의 셀룰로오스 나노섬유를 개발하고, 2016년

여름에 나노 셀룰로오스 실증 설비를 가동하여 일관생산 체제 구축 중에 있다. 특

히 가스 배리어 필름 제조에 종이를 활용, 뛰어난 배리어 특성 실현하였고, 나노 셀

룰로오스 적층시트는 표면 인쇄도 가능한 것으로 알려져 있다.

5. 셀룰로오스 나노섬유의 시장 현황 및 전망

현재까지 전 세계의 셀룰로오스 나노섬유의 생산량은 현재 소규모이지만, Future

Markets社의 조사보고서에 따르면 2012년 대비 2014년에는 생산량이 700% 증가할

전망이며, 2017년까지 최소 1,100%(최대 2,000%) 증가할 것으로 예상된다.

[그림] 셀룰로오스 나노섬유 종류별 생산비중

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9 17 41150

350

1100 11391378

1667

9 17 41175

380

1350

1688

2447

3548

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 20170

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Tons

per

yea

r

Year

Conservative estimateOptimistic estimate

[그림] 셀룰로오스 나노섬유의 생산량 현황 및 전망

셀룰로오스 나노섬유의 시장 전망에 대해서는 다양한 보고서가 나와 있는데,

MarketsandMarkets社의 전망에 따르면 2019년 약 2.5억$ 규모로 2014~2019년 사이

에 연평균 19% 증가하는 것으로 예상하고 있다. Zion Research社의 전망에 따르면

2015년 6,500만$에서 2021년 약 5.3억$ 규모로 2016~2021년 사이에 연평균 30% 급

성장하는 것으로 예상하고 있다. 후지 키메라 종합연구소는 미래 수요산업의 고기

능화, 고부가가치화 니즈의 증가로 2020년 약 12억 엔으로 2015년 대비 약 24배가

증가하는 것으로 분석하고 있으며, 야노경제연구소는 2017년부터 세계적으로 생산

설비 증설에 속도가 붙어 2030년까지 약 250억엔의 시장규모를 예측한다는 보고하

고 있다.

6. 셀룰로오스 나노섬유의 표준화 현황

Tappi에서는 ASTM, ISO와 함께 2011년부터 셀룰로오스 나노섬유 관련 표준화를

추진해 왔는데, 2016년 4월 28일 ISO/TC 229 Nanotechnologies 위원회에서 「ISO/T

R 19716:2016 “Nanotechnologies - Characterization of cellulose nanocrystals”」을

통해 셀룰로오스 Nanocrystal(CNC)의 분석방법과 물성 측정방법에 대해 샘플 제조

방법, 측정법, 데이터의 해석 등의 방법을 표준화하여 발표하였다. 셀룰로오스 Nano

crystal(CNC)의 성능과 평가방법을 요약하여 정리하면 다음 표와 같다.

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[표] ISO/TR 19716의 셀룰로오스 Nanocrystal의 기본성능 평가방법(안)

성능 평가방법 기존 표준

Particle Morphology:· Size (Length, Width,Diameter, AspectRatio)

· Distribution

· AFM, SEM, TEM (identify standard for –supporting substrate, loading & Stainingapproaches)

· DLS, Laser scattering (can be used for relativedistribution), www.nanosight.com

· Light microscopy (with or without fractionationby centrifugation)

· Morphological Analyzer (digital image analysis)

Identifyusefulstandardsfrom ASTM,TAPPI, ISO,PAPTAC,SCAN testsand others.

Surface Chemistry

· Functional Group – FT-IR, NMR, Ramanspectroscopy

· Inverse Gas Chromatography· Sulphur analysis by ICP· Charge determination- Zeta potential (Coulter DelsaTM)- Conductimetric titration

Molecular MassSEC-MALS· Viscosity· TGA

Surface Area

· Congo red adsorption· BET surface area· N2 gas adsorption (solvent exchange andfreeze drying, super critical dryingpretreatment)

· Theoretical calculation based on particlemorphology by electron microscopy

Rheology:viscosity, gel point

· Low shear viscosity (modified Brookfield)· Drainage time

CrystallinityI-Alpha, I-Beta, II

· WAXS· SAXS· Raman· IR· Solid state NMR· TGA

Density Methods to be proposed in the futureExplosion Potential(powder)

Deflagration Index (Kst) ASTM E1226-1

KTDI Info-Tex

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[표] ISO/TR 19716의 셀룰로오스 Nanofibril의 주요성능 평가방법(안)

성능 평가방법 기존 표준Particle Morphology:· Size (Length, Width, Diameter, AspectRatio)

· Distribution· Degree of branching

· Transmittance spectroscopy (UV/VIS)· AFM/SEM/TEM· Light microscopy (with/without fractionationby centrifugation)

· Viscosity (for aspect ratio)

Identifyusefulstandardsfrom ASTM,TAPPI, ISO,PAPTAC,SCAN testsand others.

Surface Chemistry

· Functional Group – FT-IR, NMR,Raman spectroscopy

· Inverse Gas Chromatography· Sulphur analysis by ICP· Charge determination- Zeta potential (Coulter DelsaTM)- Conductimetric titration

Amount of Nanomaterials· Fractionation by centrifugation· FFF

Rheology: viscosity, gel point· Low shear viscosity (modified Brookfield)· Drainage time

Dissolved (colloidal)Substance (amount and quality)

· CE· SEC· HPLC· AFM/SEM/TEM

CrystallinityI-Alpha, I-Beta, II

· WAXS· SAXS· Raman· IR· Solid state NMR· TGA

Specific Surface Area SAXSExplosion Potential(powder) Deflagration Index (Kst) ASTM E1226-1

그밖에 추진되고 있는 표준화 관련 활동을 아래에 정리하였다.

l ISO TC 6 Paper, Board and Pulp – 캐나다에서 개최된 위원회. The

committee focuses on products.

l ISO has 230 TC’s and 8, Developing standards and guides in various

areas

l OECD WPMN(Working Party on Manufactured Nanomaterials), Testing and

assessment methods in implications on the safety of human health and the

environment associated with the use of nanomaterials.

l CEN TC 352 'Nanotechnologies' - 2005년 설립. standards addressing the

following aspects of nanotechnologies: a) classification, terminology and

nomenclature; b) metrology and instrumentation, including specifications for

reference materials; c) test methodologies; d) modeling and simulation; e)

science-based health, safety and environmental practices; and f)

nanotechnology products and processes.

KTDI Info-Tex

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7. 결 언

셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부하게 존재하는 천연고분자로서, 현재 제지

및 섬유산업을 비롯하여 전자산업 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 생산기술

이 개발됨에 따라 셀룰로오스 나노섬유의 소비량도 급속하게 증가할 것으로 예측되

고 있다. 특히 첨단 기술 및 산업분야의 새로운 소재로서 가치가 매우 높기 때문에

상용화를 위한 생산기술의 확보가 매우 중요한 시점으로, 관련 분야에 대한 연구개

발이 시급하므로 섬유분야 연구자들과 기업의 관심과 노력이 필요한 상황이다.

참고문헌

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Reinforcement", Adv. Eng. Mater, 2004, 6, 754-761

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2004, 37, 7683-7687

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Composites from Polylactic Acid(PLA) and Microcrystlline Cellulose(MCC)", J Appl

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Composites from Polylactic Acid(PLA) and Microcrystalline Cellulose (MCC)", J

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12. John Rojas, Mauricio Bedoya and Yhors Ciro, Chapter 8. Current Trends in the

Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical

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Matheus Poletto and Heitor Luiz Ornaghi, ISBN 978-953-51-2229-6, 2015

13. Istvάn Sirό et. at., Cellulose, 17, 459-494, 2010

14. http://www.nipponpapergroup.com/english/research/ organize/cnf.html

15. NANOCELLULOSE: A TECHNOLOGY AND MARKET STUDY, FUTURE

MARKETS, INC., 2012

16. THE GLOBAL MARKET FOR NANOCELLULOSE TO 2017, FUTURE MARKETS,

INC., 2012

17. Xiaoyun Qiu and Shuwen Hu, “Smart” Materials Based on Cellulose: A Review

of the Preparations, Properties, and Applications, Materials 2013, 6(3), 738-781

임대영 박사한국생산기술연구원