일본이 CNF(Cellulose Nano Fiber)의 상업화를 위해 민관 협력관계를 강화하고 있다.
CNF는 제조코스트가 kg당 500엔을 하회할 것으로 예상되고 있어 kg당 3000엔을 형성하고 있는 탄소섬유보다 6배 이상 낮은 것으로 나타나고 있다.
일본이 CNF 상업화 및 보급에 성공하면 국내 탄소섬유 생산기업들에는 악재로 작용할 가능성이 커 대응책 마련이 요구된다.
CNF는 식물의 셀룰로오스를 나노 사이즈가 될 때까지 풀어낸 섬유이자 식물이 태고부터 자가 보존을 위해 만들어낸 천연 기능소재로, 강도가 철의 5배이며 선열팽창성이 유리의 50분의 1에 불과한 특성을 보유하고 있다.
순도 100%의 CNF는 부품 가공에는 적합하지 않으나 수지 및 고무에 소량 첨가하면 강도를 향상시켜 부재를 박막화할 수 있고 투명소재로서 점도 조절도 가능해 자동차, 전자소재, 화장품 등 다양한 산업에서 혁신을 불러일으킬 소재로 기대되고 있다.
일본, 산·관·학 협력관계 강화
CNF는 2000년대 중반 학계에서 처음 개발한 이후 공적연구가 이루어졌으며 여러 정부 기관이 함께 협력하는 컨소시엄을 결성했다. 지방자치단체도 CNF를 산업 진흥에 활용하기 위한 활동을 활발히 해 연구개발에 박차를 가하고 있다.
일본 신재생에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)는 3월23일 교토(Kyoto)대학의 「생존권 연구소」에서 CNF 프로젝트의 성과로서 실증 생산라인을 공개했다.
CNF 원료 공급기업과 수요기업의 만남의 장인 CNF 포럼은 2014년 출범한지 2년이 지나기도 전에 참여기업·단체가 180개를 넘어섰으며, 2014년 8월 관련 정부기관 회의도 출범해 문부과학성을 비롯한 관련 부처들이 분기마다 한번씩 회의를 개최하기로 했다.
CNF는 바이오매스 자원을 활용고자 하는 일본 정부의 정책과도 일치해 2014-2015년 「일본 부흥 전략」 소재로 기재됐으며 관련 부서들은 예산 확보를 위한 활동을 활발히 하고 있다.
칸사이(Kansai) 지역에서는 「Kinki 경제산업국」이 2005년 쿄토대학의 CNF 연구에 주목해 지원 활동을 펼치고 있다.
2014년 말 설립된 「부재산업-CNF 연구회」는 실용화에 역점을 두고 있으며 대학, 관련기업 등과 협력관계를 구축하고 있다.
매력도 높은 사업으로 세계가 주목
CNF는 일본 뿐만 아니라 북미, 북유럽 국가들이 산업화를 목표로 하고 있으나 원료 공급기업과 수요기업 사이의 관계가 일본에 비해 공고하지 않은 것으로 알려졌다.
그러나 일본도 협력관계를 효율적으로 활용하기 위해서는 어플리케이션 부문에서 주도권을 확보할 필요성이 제기되고 있다.
경제산업성은 2015년 국제표준화기구(ISO)에 CNF의 표준화를 제안했으며, 평가방법을 정하고 제조공법을 블랙박스화하면 세계시장에서 우위를 차지할 것으로 기대하고 있다.
일본은 보유 자원과 우수한 기술을 활용해 제조업 경쟁력 강화를 목표로 하고 있으며 CNF를 성장 가능성이 높은 소재로 평가하고 있다.
범용수지 배합 실증 플랜트 건설
교토대학은 NEDO 프로젝트의 성과로써 CNF를 범용수지에 배합하는 실증 플랜트를 구현했다.
해당 실증 플랜트는 지역 컨소시엄인 Kinki 경제산업국의 지원을 받은 지 10년만의 성과로 2축 및 4축 압출기를 통해 펄프와 수지를 혼련하며 셀룰로오스를 나노화하는 세계 최초의 일괄 제조공정으로 앞으로는 양산화를 위한 시험에 들어갈 것으로 알려졌다.
CNF는 화학처리를 통해 해섬하는 싱글 나노 사이즈와 물리적으로 해섬하는 비교적 큰 나노 사이즈로 구분되며, 수지로서는 탄소섬유 및 유리섬유와의 경쟁이 불가피한 것으로 파악되고 있다.
교토대학의 Yano 교수는 나노화를 용이하게 하기 위해 2005년부터 혼련 해섬을 위한 연구를 지속해왔다.
CNF의 원료는 종이 펄프가 주류이나 Yano 교수는 열가소성수지 성형 시 CNF가 손상되지 않도록 리그닌(Lignin)을 남기기 위해 목재 종류부터 검토를 추진하고 있다.
경쟁기업인 Nippon Paper와 Oji Holdings의 연구진도 협력하고 있다.
Yano 교수는 Nippon Paper의 기술을 활용해 펄프화를 실현할 수 있을 것으로 평가하고 있다.
펄프화한 시트를 쉽게 풀 수 있도록 친수성 셀룰로오스를 소수성 수지에 스며들게 함으로써 내열성을 같이 높이는 것이 과제였으나 양사와 협력함으로써 화학 변성법을 발견해 문제를 해결했다.
변성 펄프와 수지를 혼련한 고농도 CNF 펠릿을 가소성 수지에 섞어 사출성형하면 강도 및 탄성을 향상시킨 부재를 만들 수 있다.
세계 플래스틱 생산량은 약 3억톤으로 kg당 단가가 1000엔 수준인 CNF가 보강소재로서 5% 가량을 대체하면 시장규모가 13조엔에 달할 것으로 기대되고 있다.
TEMPO 산화촉매 공법으로 안정 생산
도쿄대학 연구진은 3나노미터의 CNF을 안정적으로 생산할 있는 TEMPO 산화촉매 공법을 개발했다.
연구진이 개발한 TEMPO 산화촉매 공법 기반의 CNF는 첨단소재용 바이오 소재로 물리해섬의 CNF로 구분되는 것으로 알려졌다.
특허 우선 사용권을 공유하는 Nippon Paper과 Daiichi Kogyo Seiyaku는 세계 최초로 상품화를 실현했다.
도쿄대학 연구진은 교토대학 연구진과는 대조적으로 라이선스를 자유롭게 사용해 산업화에 직접 기여한 것으로 평가되고 있다.
다양한 샘플 제공 본격화
탄소섬유는 산업화에 50년 걸렸으나 CNF도 50년 후에 상업화가 이루어질 것이라고 장담할 수는 없는 상황이다.
CNF는 공적연구가 시작된지 12년이 경과했으며 일본 경제산업성이 산업계의 연구개발 진작에 박차를 가하고 있기 때문이다.
일본 제지 및 소재 생산기업들은 CNF를 부가가치 사업으로 육성하기 위해 노력하고 있으며 NEDO 프로젝트에서 창출한 성과 활용 및 대학 기술을 자사 노하우와 응용한 다양한 샘플 제공을 본격화하고 있다.
Daiichi Kogyo Seiyaku는 Mitsubishi Pencil과 CNF를 잉크에 배합한 볼펜을 상업화해 주목되고 있다.
CNF는 주로 자동차 등의 구조부재용으로 채용되기 쉬우나 대규모 프로젝트를 추진하고 있는 제지 생산기업들이 비즈니스 찬스를 틈틈이 노리고 있다.
Daiichi Kogyo Seiyaku는 수분산체를 제안하며 제어가 어려운 나노 소재의 특징을 역으로 활용함으로써 수익성을 향상시키고 있다.
Mori Machinery는 CNF의 제조장치 개발에 주력해 왔으나 3년 전 사업 방향을 전환함으로써 자사 제조장치를 통해 펄프 및 침에서 CNF를 생산하기 시작했고, 2016년 2월에는 소수화 처리를 통해 건조분말 생산을 시작하는 등 소재 개발 분야는 기존의 시스템을 넘어 확산되고 있다.
Mie현은 「Mie 셀룰로오스 나노섬유 협의회」를 조직했으며, 바이오 리파이너리 전환을 위해 시책 가운데 하나인 CNF를 첨단 분야에 전개하는 것을 목표로 하고 있다.
교토 프로세스 등 지역 특성에 따라…
CNF 연구회 프로젝트 매니저이자 교토 산업기술연구소 소속 Kawashita 연구원은 아라미드 섬유 등의 복합화를 전문으로 연구하고 있다.
Kawashita 연구원은 교토를 열가소성 및 발포 수지, 고무, 중간체 산업이 혼재한 지역으로 평가하고 CNF의 산업화가 다양하게 이루어질 것으로 예상하고 있다.
고베(Gobe)는 신발 공장이 산재해 있으며 100년 이전에 던롭(Dunlop)이 Kyokuto 공장을 건설한 이래 Nakata 지역을 중심으로 고무 가공업이 발전했다.
CNF 연구회에서 고무 가공을 연구하는 Nagatani 연구원은 고베에 위치한 관련기업과 함께 CNF를 활용하는 연구에 주력하고 있다.
칸사이는 CNF를 사용하는 플래스틱 및 고무, 부직포 가공업이 활발한 지역으로, Kinki 경제산업국이 CNF 연구회에 공설시험연구소를 도입한 것도 지역 산업과 CNF를 연계하기 위한 것으로 파악되고 있다.
Nagatani 연구원은 CNF가 크게 주목받고 있는 가운데 장점만이 부각되고 있는 점을 우려하고 있다.
친수성을 보유하고 있는 CNF는 소수성을 보유한 고무와 물-기름의 관계이며 나노소재는 큰 배표면적 등으로 응집되기 쉬워 균일하게 분산시키기 않으면 보강 효과를 얻을 수 없기 때문이다.
이에 따라 CNF를 다운스트림에 활용하는 것이 해결 과제이며 공설시험연구소도 주요 과제로 파악하고 있다.
발포수지 강도·경량 극대화
일본은 CNF에 관한 관심도가 매우 큰 것으로 파악되고 있다.
교토 프로세스 및 NEDO 프로젝트의 성과인 CNF 마스터배치는 수지에 대한 배합에 하나의 답을 제시했으며 슬러리, 젤에 이어 분말 소재도 등장해 생산·가공기업들의 개발 의욕을 향상시키고 있다.
발포수지 및 고무 생산·가공기업인 Sanwa는 신제품 개발에 박차를 가하고 있다.
발포수지는 틈이 있기 때문에 경량 부재를 만들 수 있으나 강도를 향상시키는 것이 관건이기 때문이다.
유리섬유 및 탄소섬유는 수지가 딱딱해지기 때문에 발포하지 않으며 CNF는 발포는 가능하나 분산되지 않아 성능이 제대로 나오지 않는다.
CNF의 마스터배치는 기포의 벽 부분에 스며들어 강도와 내열성을 향상시키며, 기존제품은 고온 속에서 15% 축소되는데 비해 CNF를 배합한 발포수지는 5% 미만에 그친 것으로 나타났다.
Sanwa는 난연성도 높여 자동차 및 항공기 부재에 공급하는 것을 목표로 하고 있으며 유럽의 철도차량에 관한 난연 규격의 인증도 검토하고 있다.
Hattori는 단단한 에폭시(Epoxy) 바닥재에 높은 탄성을 부여하는 등 고부가가치제품 생산에 주력하고 있다
에폭시는 중량물이 낙하하면 깨지는 특성이 있어 CNF를 활용함으로써 충격에 견딜 수 있는 강도를 구현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
교토 산업기술연구소에서 테스트를 반복하고 Yodo 공장에 소형 테스트기를 도입해 샘플작업을 추진하고 있다. Yodo 공장은 위탁생산이 80% 가량을 차지하고 있다.
고무용 중심 새로운 비즈니스 찬스…
CNF 산업은 앞으로 중간재 사업이 활발해질 것으로 예상되고 있다.
고무 구두창 생산기업인 Shinyei는 Asics 등과 공동으로 가볍고 고강도인 구두창 개발을 추진하고 있다.
다만, 고무는 주로 여러 종류를 사용해 가공함에 따라 CNF의 분산 정도가 매번 변하는 것으로 알려졌다.
공동 개발하는 Hyogo Prefectural Institute of Technolog의 Nagatani 연구원은 고무에도 마스터배치가 필요한 것으로 파악하고 수지용 기술 발전을 목표로 하고 있다.
Starlite는 CNF의 분산 과제를 역으로 활용해 자사제품의 강도를 향상시키는 연구를 실시하는 과정에서 독자적으로 분산 프로세스를 확립했다.
슬러리 상태의 CNF를 자체 개발한 고분자계 분산계 등과 스며들게 해 분산시키며 비가열 처리를 통해 건조시켜 수지 및 고무에 배합하기 쉬운 분말 상태로 제작하는 등 공정을 간소화함으로써 코스트를 절감했다.
앞으로는 마스터배치 공급 및 3D프린터 필라멘트용 비즈니스 사업화도 검토할 예정이다. <이하나: lhn@chemlocus.com>
