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환경오염의 주범 플라스틱, 바이오 소재 셀룰로오스로 대체 가능
등록일 : 2018-07-20 16:16 | 최종 승인 : 2018-07-20 16:16
김성은
▲셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 생체 재료다(출처=블루다이아몬드갤러리)

[리서치페이퍼=김성은 기자] 셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 생체 재료이지만, 최근까지도 이를 활용하기 위한 기술은 존재하지 않았다. 최근 몇 편의 논문에서는 셀룰로오스를 3D 프린팅과 전자부품에 활용하기 시작했으며, 세상에서 가장 강한 생물 추출 섬유를 만들어 내기도 했다. 셀룰로오스는 매우 풍부할 뿐 아니라 원료의 비용이 낮기 때문에, 적극적으로 활용한다면, 획기적인 비용 절감으로 이어질 것으로 보인다.

풍부한 생체 재료 셀룰로오스

포도당이 한 줄로 이어진 사슬인 셀룰로오스는 이 행성에 존재하는 생물이 만들어내는 가장 흔한 화학 물질이다. 식물, 조류, 난균류 등은 시멘트와 같이 세포들을 높은 인장강도로 붙드는 역할을 하는 세포벽의 구성 물질로 셀룰로오스를 생산한다. 몇몇 종의 세균은 바이오필름을 형성하기 위해 셀룰로오스를 분비하기도 한다.

제조업에서 셀룰로오스의 활용은 종이, 셀로판과 레이온 등의 종이 관련 제품, 그리고 최근 에탄올 바이오정제 분야에서만 한정적으로 이루어져 왔다. 산업에 활용되는 셀룰로오스는 일반적으로 목재와 목화에서 추출하고 있다.

셀룰로오스의 성질을 결정하는 정확한 배열 즉, 사슬 길이나 연결도는 셀룰로오스를 추출한 원자재와 관련되어 있다. 예를 들어, 목재에서 추출한 셀룰로오스는 일반적으로 목화에서 추출한 셀룰로오스에 비해 사슬의 길이가 짧다. 난균류에서 추출한 셀룰로오스는 진균 특유의 고분자 키틴질, 즉 생물이 생산하는 지구상에서 두 번째로 흔한 화학 물질과 함께 복잡한 구조를 가지고 있다.

3D 프린팅을 위한 진균성 접착물질(FLAM)

▲목재, 목화에서 추출하는 셀룰로오스

셀룰로오스를 포함한 재료는 톱밥과 같은 산업 부산물에서 얻을 수 있다. 키틴질의 파생 물질인 키토산이라는 이름의 물질은 해산물 업계의 부산물인 새우와 기타 갑각류 껍질을 수산화나트륨과 같은 강한 염기성 물질로 처리해 얻을 수 있다.

싱가포르 기술디자인 대학교의 하비에르 G. 페르난데즈 교수와 그의 동료들은 진균성 접착물질(FLAM)로 불리는 새로운 생체재료를 발명했다. 셀룰로오스와 약 10%의 키토산으로 이루어져 있으며, 셀룰로오스와 키틴질을 연결하는 난균류의 세포벽에서 영감을 얻었다고 한다. 이름 ‘Fungal-like adhesive material’에는 혼동의 여지가 있는데, 실제로 대부분 진균류는 세포벽에 셀룰로오스를 사용하지 않고 키틴질만을 사용한다.

연구팀은 새로운 소재와 함께, FLAM을 사용해 터빈 날을 만들 수 있는 3D 프린팅 기법과 첨가물 제조기법, 그리고 시연 사례를 사이언티픽 리포트 저널에 출판했다.

FLAM의 가격은 kg당 2달러로, 3D 프린팅에 가장 흔하게 사용되는 폴리락틱산(PLA)과 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)의 가격이 kg당 20~30달러임을 감안할 때 10분의 1에 불과하다. FLAM의 성질은 시제품용으로 흔히 사용되는 고밀도 목재나 고밀도 폼과 유사하다. FLAM은 또한 자연 분해된다.

FLAM은 건축, 우주항공, 생체의학 등 여러 산업 부문에 걸쳐 혁신적인 기술이 될 수 있다. 완벽한 생체 적합성을 가지고 있으며 독성이 없다. 이 분야에서 키토산을 대체할 가능성이 있는 식 세포벽 주요 구성성분으로는 리그닌이 있다.

▲목재 기반 나노셀룰로오스의 3D 세포 배양(출처=위키미디어 커먼즈)

플라스틱 대체 가능한 방수 셀룰로오스 나노종이

셀룰로오스 나노종이(CNP)는 균질기를 사용해 나무의 주성분인 셀룰로오스를 나노 수준으로 분해한 고분자 물질 나노 셀룰로오스로 만든다. 이 나노섬유는 공기를 포함한 모든 물질로부터 수분을 흡수할 수 있는 친수성 소재다. CNP는 투명한 성질과 높은 강도 덕에 전자부품, 디스플레이 기판, 배터리, 장벽 자재 등의 분야에서 활용될 가능성이 있다. 또한 재활용이 가능하며 가볍다.

중국 과학원의 칭다오 생체에너지 및 생체처리기술연구소 산하의 CAS 생체기반소재실험실 소속 연구원인 후이 펭과 그의 동료들은 최근 연구에서 리그닌을 활용해 내수성을 가지는 보다 높은 강도의 CNP를 만들어내는 새로운 기법을 개발하는데 성공했다. 새로운 소재는 자외선을 차단할 수 있다. 연구 결과는 마테리얼 케미스트리 저널에 출판되었다.

리그닌은 생체 정제 및 기타 산업 공정에서 다량 생산되는 부산물로, 몇 가지 용도가 있다. 이 새로운 기법은 폐기물로 리그닌을 만들어 신기술인 CNP의 가치를 높여준다. 한편, 최근 개발된 셀룰로오스 기반 제품이 거미줄을 제치고 세상에서 가장 강한 생체물질 자리를 차지했다.

스웨덴 스톡홀름에 위치한 스웨덴 왕립공과대학교 소속 L. 다니엘 소더베르그가 주도한 연구팀은 셀룰로오스 나노입자에서 세상에서 가장 강한 생체소재를 만드는데 성공했다. 그의 팀은 1㎜ 넓이의 채널을 사용해 물속에 떠다니는 셀룰로오스 나노섬유를 자가 조립 실의 형태로 정렬하는 수력학적 집속법이라고 불리는 기법을 활용했다.

이 섬유는 86GPa(기가파스칼)의 인장강성과 1.57GPa의 인장강도가 특징인데, 이는 천연 드래그라인 거미줄 섬유의 여덟 배에 달하는 인장강성과 더 높은 강도를 가지고 있음을 의미한다. 또한 유리 섬유를 포함해 강철과 기타 금속 및 합금 등 대부분의 인공 소재보다 강하다. 연구 결과는 ACS 나노 저널에 출판되었다. 이 섬유는 항공기, 자동차, 가구, 그리고 기타 제품 소재를 대체할 수 있다.

[researchpaper 리서치페이퍼=김성은 기자]

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