CNF(Cellulose Nano Fiber)는 적용범위가 대폭 확대될 것으로 예상된다.
일본에서는 펄프섬유를 1개씩 풀어내 직경을 대폭 줄인 싱글 CNF 개발이 잇따르고 있다.
TEMPO 촉매산화공법을 시작으로 Oji Holdings의 인산에스테르화공법, Rengo의 잔데이트(Xanthate)기 도입공법 등 다양한 프로세스가 등장하고 있으며, Daio Paper는 최근 아인산에스테르화공법을 통해 직경이 3-4nm로 투명도가 매우 높은 CNF를 개발했다.
고기능성 첨단소재에 적합한 싱글 CNF는 모집단이 확대됨에 따라 용도 개척이 가속화될 것으로 예상되고 있다.
야노, 2030년 일본시장 600억엔 예측
일본은 CNF 출하금액이 2030년 600억엔에 달할 것으로 예측된다.
야노(Yano) 경제연구소에 따르면, 일본 CNF 시장규모는 2017년 생산기업 출하량 베이스로 20톤, 금액은 4억엔을 기록한 것으로 추산된다.
2018년에는 생산기업들의 생산체제 정비, 채용 확대 등이 이루어지며 출하량이 50-60톤, 출하금액은 5억-6억엔에 달한 것으로 추정하고 있다.
대부분의 용도에서 출하가 진행되는 2030년에는 출하량이 5만톤, 출하금액은 600억엔으로 급증할 것으로 예상하고 있다.
CNF는 2015년부터 2017년 초까지 양산이 시작되지 못했으며 CNF 생산기업들은 모두 소규모 연구실, 파일럿 플랜트에서만 생산하며 한정된 수요처에게만 샘플을 공급하는데 머물렀다.
채용은 일상용품 등이 대부분이며 본격적인 실용화를 위한 준비단계로 파악되고 있다.
자동차 적용하면 급성장 “안정성 향상이 과제”
2017년 말에는 CNF 양산 플랜트의 생산능력이 고형분 환산으로 700톤에 달했다.
제지, 화학기업들이 TEMPO산화공법, ACC공법, Kyoto 프로세스 등을 활용해 상업화에 나선 영향이 큰 것으로 판단된다.
고형분 환산으로 생산능력 10-100톤 정도의 파일럿 플랜트를 갖춘 생산기업도 다수 있으며 2017년 이후에는 폭넓은 수요처들에게 샘플을 출하하고 있다.
CNF 생산기업들은 각각 주력하는 볼륨존에 맞추어 생산체제를 정비하고 있으며 다양한 분야에서 CNF가 채용될 수 있도록 구체화에 박차를 가하고 있다.
CNF를 사용한 부품, 소재의 시험제작도 진전되고 있다.
특히, 자동차 용도에서는 도어트림, 인테크매니폴드, 트렁크 패널, 본넷 등에 적용된 사례가 각종 전시회에서 소개됐다.
수지와 잘 맞고 복합화하기 쉽다는 점, 복합수지 성능 및 성형성, 코스트 문제가 아직 많이 남아 있으나 생산기업들은 복합화를 위한 파우더 그레이드, 마스터배치 개발을 추진하며 일부는 상업생산하고 있다.
자동차 이외 분야에서는 고기능 런닝슈즈의 미드솔 부재에 CNF를 배합한 특수 폴리머 발포체가 채용되고 있다.
또 증점제, 분산제 등 기능성 첨가 용도에서는 화장품 원료로 샘플 출하가 이루어지고 있다.
현재 시험제작 및 샘플출하 단계에서도 자동차 관련 분야에 대한 기대가 확산되고 있다.
CNF를 사용함으로써 2020년 자동차 중량을 10% 경량화하기 위한 산·관·학 연계 프로세스가 일본 환경성 주도 아래 출범했으며 2018년 6월 엔진커버, 트렁크리드에 CNF를 채용한 제1세대 모델이 소개됐다.
그러나 실제 자동차 등록을 위해서는 내충격성, 공법·형상안정성 등 안전성과 관련된 성능을 비롯해 성형성, 생산성 등 다양한 개선점이 필요한 것으로 파악된다.
Ube, 나일론수지 채용 강화수지 개발
우베코산(Ube Kosan)은 나일론수지(Nylon Resin) 사업을 통해 축적한 소재 기술을 활용해 CNF 실용화 기술 개발에 박차를 가하고 있다.
CNF는 셀룰로오스를 이용해 지름을 나노미터(nm) 단위로 줄인 극세섬유로 무게는 강철의 20%에 불과하나 강도는 5배 이상으로 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
일본에서는 2016년 교토대학 연구팀이 CNF 강화수지 생산기술인 Kyoto 프로세스를 개발했다.
Kyoto 프로세스는 수지와의 밀착성을 향상시키는 화학처리를 실시한 소수 변성 펄프를 이축혼련 압출기에 투입한 후 혼련 시 펄프를 해섬해 수지 속에 분산시키는 기술로 CNF 강화수지의 제조코스트를 절감할 수 있는 혁신적인 프로세스로 평가받고 있다.
우베코산은 2017년부터 교토대학, 제지기업 등이 참여하는 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 고기능성 리그노셀룰로오스 나노섬유의 일관 제조 프로세스 및 소재화 기술 개발 프로젝트에 위탁기업으로 참여하고 있다.
해당 프로젝트는 kg당 수천-1만엔에 달하는 CNF 제조코스트를 1300엔으로 감축하겠다는 목표를 세우고 있으며 우베코산은 나일론수지를 채용한 CNF 강화수지의 양산기술 개발을 담당하고 있다.
우베코산은 나일론수지에 유리섬유 및 첨가제를 혼합한 컴파운드를 사출성형용으로 공급하고 있다.
혼련기술은 높은 분산성과 생산속도라는 상반되는 특성을 양립시키는 것으로 우베코산의 노하우가 CNF 강화수지 양산화에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다.
CNF 강화수지도 CNF를 균일하게 분산시켜 수지 속에 네트워크 구조를 형성함으로써 강도, 경량성 등 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 파악되고 있다.
그러나 나일론수지 컴파운드에 혼련하는 유리섬유는 다발 모양이며 지름이 10마이크로미터, 길이가 3-4밀리미터로 파악되고 있다.
자동차에는 CNF 컴파운드 적용 추진
Kyoto 프로세스는 소수 변성 펄프를 나노 수준으로 해섬한 후 수지 속에 주입해야 하기 때문에 혼련공정에서 실시되는 다양한 처리에 대한 최적의 조건 도출이 양산화의 기술적 장벽으로 자리 잡고 있다.
이에 따라 우베코산은 우베 소재 연구개발센터에 실증설비를 도입해 이축혼련 압출기에 장착하는 스크류의 구성, 회전수, 온도 등 최적의 조건을 도출하기 위한 검토를 시작했으며 높은 분산성을 양립시키는 작업을 진행하고 있다.
우베코산은 CNF 강화수지 생산능력을 1만톤에서 5만톤으로 확대하겠다는 목표를 세우고 있다.
아울러 자동차 경량화에 따라 이산화탄소(CO2) 배출량을 감축하기 위해 CNF 소재 개발·실장을 추진하는 일본 환경성의 NCV(Nano Cellulose Vehicle) 프로젝트 가운데 교토대학, Toyota Motor East Japan 등 연구기관 및 관련기업으로 구성된 컨소시엄에 2018년부터 참여하고 있다.
CNF는 비중이 1.5로 2.55인 유리섬유에 비해 가볍고 탄성률은 2배에 달함에 따라 유리섬유 등을 사용한 컴파운드로 성형하는 자동차 소재를 CNF 컴파운드로 전환함으로써 차체 무게를 줄일 수 있는 것으로 판단되고 있다.
2020년까지 대당 약 10%의 경량화를 목표로 하고 있다.
우베코산은 사용부품 및 부위에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 나일론수지 컴파운드를 개발해 참여기관에 공급하고 CNF 강화수지 기술을 토대로 자동차 소재로 적합한 물성을 발현할 수 있도록 부원료 등을 선정해 컴파운드를 생산할 계획이다.
식물 베이스 CNF도 자동차 소재로…
일본 Toyota Auto Body(TAB)는 식물섬유강화수지 브랜드 TABWD를 의장용으로 공급함과 동시에 정숙성 니즈에 대응하기 위해 독자적으로 개발한 100% 펄프 흡음재를 제안할 계획이며 독자기술을 토대로 CNF에 대한 연구개발을 가속화하고 있다.
식물소재는 영하 200℃부터 영상 200℃까지 광범위한 온도영역에서 매우 안정적인 특징이 있는 물질로 독자적인 대책에 따라 다양한 가능성을 추구할 방침이다.
개발 및 실용화를 담당하고 있는 식물소재개발실은 실장을 시작으로 농학박사 학위를 보유한 직원으로 구성됨에 따라 자동차부품 및 식물소재에 대한 이해도가 높은 강점이 있으며 식물소재는 부패한다는 인식에 대응하면서 공업소재로 보급하기 위한 연구개발에 주력하고 있다.
2013년에는 열가소성 수지 보강재에 식물섬유를 채용한 사출성형소재 TABWD를 개발했다.
식물섬유는 일반적인 보강재인 유리섬유, 탈크(Talc)에 비해 비중이 가벼운 특징이 있다.
2015년에는 강도, 내열성에 이어 난연성을 부여함에 따라 온도가 높은 엔진 주변에서 사용하는 와이어하니스 프로텍터의 경량화에 기여하고 있다.
최근에는 모재를 재착수지로 배합하는 톱밥 사이즈를 변경함과 동시에 금형을 이용한 표면처리 등을 통해 목질 스타일의 의장소재로 내장부품에 대한 채용을 목표로 하고 있다.
펄프 성형체를 응용한 흡음재는 셀 모양으로 형성하는 공극 사이즈 및 배치에 대한 노하우를 보유하고 있어 수요처가 요구하는 바에 따라 흡음특성을 컨트롤할 수 있는 특징이 있다.
내수성은 식물에 관한 지식을 토대로 셀룰로오스의 친수기를 소수기로 치환함에 따라 코팅처리 등을 실시하지 않고 성능을 확보한 것으로 알려졌다.
펠트 등 섬유계 소재와 달리 소재 자체가 일정수준의 강도를 보유하고 있어 보강 등을 통해 차별화도 추진하고 있다.
전기자동차(EV) 보급으로 내부 정숙성에 대한 니즈가 높아짐에 따라 가볍고 친환경적인 특징을 강조하며 제안을 강화할 방침이다.
CNF는 TABWD를 통해 축적한 기술을 소수화 처리 등에 응용하며 균일분산기술 등을 개발하고 있다.
식물소재는 실용화 초기 단계로 관련지식이 충분히 공유되지 않고 있는 것으로 파악되고 있다.
이에 따라 Toyota Auto Body는 공급제품과 함께 보유지식 및 노하우를 제공함으로써 식물소재를 활용한 자동차부품 설계방식을 정착시키는데 주력할 방침이다.
미세화한 싱글제품 개발 잇달아
Daio Paper는 수분산액, 수지, 고무의 복합화에 적합한 건조체, 고강도에 열적 특성이 뛰어난 성형체 등 각종 CNF를 공급하고 있는 가운데 최근 화학펄프를 원료로 사용하는 아인산에스테르화공법을 적용해 싱글 CNF 브랜드 Ellex-☆를 개발했다.
직경은 수십nm에 달하던 것을 3-4nm로 미세화했고 0.2% 수분산액 광투과율을 약 5%에서 약 92%로 끌어올렸으며 2018년 9월부터 고형분 농도 1.0% 그레이드의 샘플작업을 시작한 것으로 알려졌다.
셀룰로오스 결정을 최소단위로 풀어낸 싱글 CNF는 가시광 파장에 비해 작고 외관이 투명한 특징이 있다.
Daio Paper는 화장품, 페인트, 잉크 등 의장분야, 필름 및 디스플레이 등 광학분야의 투명성 니즈에 대응할 방침이다.
과학적 처리에 따른 싱글 CNF는 직경이 수십nm 이상인 기계적 해섬에 비해 소량 첨가만으로도 강도, 증점 등 높은 물성을 부여할 수 있어 고기능성 첨단소재에 적합한 것으로 평가되고 있다.
프로세스로는 TEMPO 촉매산화공법이 시장 형성을 선도하고 있다.
가장 먼저 TEMPO 촉매산화공법을 도입한 Nippon Paper는 종이기저귀, DKS는 볼펜잉크로 실용화에 성공했으며 카오(Kao) 등도 응용 개발 및 용도 개척에 나서고 있다.
Oji Holding은 독자적으로 인산에스테르화공법을 개발해 슬러리, 습식 파우더, 투명연속 시트를 라인업하고 있으며 다양한 수요처와 공동으로 실용화를 위한 연구개발을 추진하고 있다.
Rengo는 2018년 7월 셀로판(Cellophane) 제조공정에서 생성되는 잔데이트화 셀룰로오스를 이용해 싱글 CNF 브랜드 XCNF를 개발했다.
잔데이트기의 특성을 활용할 뿐만 아니라 잔데이트기를 이탈한 순수한 셀룰로오스로 이루어진 타입을 포함해 용도 개척을 시작했다.
친수성 CNF는 원래 수계 용도에 적합하나 수지, 극성용제 등에 배합할 때 균일하게 분산하기 어려운 문제점이 있어 소수 변성 처리한 소재가 등장하는 등 다양한 싱글 CNF 소재 개발이 활발해지고 있다.
기계적 해섬에 따른 CNF도 수지 구조소재 등의 보강 및 경량화 용도에 대한 연구가 가속화되고 있다.
대표적으로는 수지와 변성펄프를 압출기로 혼련해 CNF 펠릿을 생산하는 Kyoto 프로세스가 있으며 Seiko PMC가 2018년 6월 아식스(Asics)의 러닝화에 적용해 실용화하는데 성공했다.
