일본 화학기업들이 CNF(Cellulose Nano Fiber) 연구개발(R&D)을 강화하면서 외부에 대한 프로세스 공급을 본격화해 주목되고 있다.
제조 프로세스를 외부에 공급함으로써 다양한 코스트 환경, 섬유 사이즈에 대한 대응능력을 향상시켜 CNF 사업을 확대할 계획이다.
CNF는 타이어 보강재로도 주목받고 있다.
CNF를 투입해 타이어용 합성고무의 보강특성을 향상시킬 수 있다는 점을 확인했으며 물에 대한 적응성이 높고 응집이 용이한 CNF를 소수화함으로써 고형고무에 균일 분산시키는데 성공했다.

세이코, 백색·투명화 기술개발 가속화
CNF는 일본에서 개발한 교토(Kyoto) 프로세스로 펠릿을 제조할 때 셀룰로오스(Cellulose)가 열의 영향을 받아 갈색으로 변하는 단점을 보완하기 위해 수지 강화를 추진하고 있다.
세이코PMC(Seiko PMC) 등은 디자인성이 요구되는 일상용품에 사용할 수 있도록 CNF 펠릿 백색화를 추진하고 있으며, 교토대학은 PC(Polycarbonate) CNF 펠릿을 투명화해 광학부품용으로 투입하기 위한 연구개발을 진행하고 있다.
교토 프로세스는 소수·변성 펄프와 수지를 압출기로 혼련하는 공정에서 기계적으로 셀룰로오스를 나노 수준으로 해섬하는 방식이며, 본래 친수성인 CNF의 수지 배합에 활로를 연 것으로 평가되고 있다.
그러나 혼련 전 흰색인 펄프는 수지와 용융·혼련할 때 셀룰로오스가 열의 영향을 받아 갈색 펠릿을 생성하는 것으로 파악되고 있다.
셀룰로오스는 200℃에서 열분해되며, 특히 약 20% 포함된 헤미셀룰로오스는 용융온도가 낮은 것으로 나타나고 있다.
이에 따라 색감 제어 관점에서는 용융온도가 높은 고기능성 수지일수록 장벽이 높은 것으로 판단되고 있다.
최종적으로 자동차 구조소재에 대한 적용이 목표인 수지 강화 CNF는 원래 물성이 중시됐으며 외관은 부각되지 않았으나 교토 프로세스를 사업화해 2018년 아식스(Asics)의 러닝화 바닥에 투입한 세이코PMC는 아식스와 공동연구를 진행하면서 색감 문제에 직면했다.
신발은 패션성 관점에서 컬러 부여가 필수적이나 갈색 CNF 펠릿은 착색 선명도가 떨어지기 때문이다.
이에 따라 세이코PMC는 혼련공정에서 국부적으로 열부하가 가해지지 않도록 온도 분포를 최적화해 착색을 방해하지 않는 수준으로 PE(Polyethylene) 펠릿을 백색화했다.
열 스트레스를 경감시킴에 따라 물성을 개선했으나 생산성은 물론 PP(Polypropylene) 펠릿에 대해서는 아직 해결하지 못한 것으로 알려졌다.

디자인성에 물성도 개선
하지만, 일용잡화 분야에서 CNF 배합제품을 공급하고 있는 Yoshikawakuni Plastics는 외부에서 구입한 변성펄프를 이용해 PP 펠릿을 백색화하는데 성공했다.
세이코PMC와 마찬가지로 용융·혼연온도가 열쇠를 쥐고 있는 것으로 파악되고 있다.
교토 프로세스를 주도한 야노 히로유키 교토대학 교수는 CNF를 배합한 투명 PC에 대한 연구를 진행하고 있다.
내열성을 향상시키기 위해 나타데코코 베이스 박테리아 CNF를 변성시켜 벤조일화(Benzoylation)한 강화수지로 색은 여전히 갈색이나 투과성을 실현했다.
수지 강화 CNF 생산기업들은 적합소재에 최적화하기 위한 조절에 박차를 가하고 있으며 학계에서는 나노해섬 공정을 효율화하거나 CNF 본래의 기능을 끌어내는 팽윤제, 상용화제 등에 대한 탐색이 이루어지고 있다.
범용 분야에서는 코스트 측면에서 색 문제 해결이 어려울 것으로 판단되나 하나의 보급 저해요인을 제거할 수 있는 점에서 긍정적으로 평가되고 있다.
자동차 분야에서는 폐쇄적인 환경 등에 사용함에 따라 외관이 크게 중시되지 않고 있으나 부품에 따라서는 백색 및 투명성이 요구될 가능성이 있어 연구가 진전될 것으로 기대되고 있다.

다이오, 에너지 절감 프로세스 공급 검토 
일본 제지기업 다이오페이퍼(Daio Paper)는 CNF 제조 프로세스를 외부에 공급하는 방안을 검토하고 있다.
다이오페이퍼는 에히메(Ehime)의 미시마(Mishima) 공장에서 파일럿 설비를 통해 CNF 제조 프로세스에서 에너지를 대폭 절감하는데 성공했으며 2020년 양산화를 위해 CNF 생산제품군을 다양화하고 소재 베이스 사업을 개척하는데 주력하고 있다.
동시에 제조 프로세스를 외부에 판매함으로써 다양한 코스트 환경, 섬유 사이즈에 대한 대응능력을 향상시키고 CNF 사업규모 확대에 박차를 가할 계획이다.
다이오페이퍼는 2013년 CNF 샘플 제공을 시작하고 제조, 코스트 면에서 아직 과제가 많다는 결론을 내린 후 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO) 프로젝트에 참여해 에너지 절감 프로세스를 개발해왔다.
신규 개발한 프로세스는 펄프를 저가의 약품으로 전처리하고 세밀하게 해섬한 후 나노해섬까지 거치는 3단계 방식으로 이루어져 있다.
에너지 소비량이 많은 나노해섬 공정을 최소한으로 줄임으로써 에너지 원단위를 95% 절감할 수 있고 셀룰로오스 해섬 정도 역시 용도에 맞추어 선택이 가능한 것으로 알려졌다.
해당 기술을 활용해 2016년 미시마 공장에 CNF 환산 생산능력 100톤 파일럿 플랜트를 설치했다.
현재 추진을 검토하고 있는 프로세스 외부판매는 장치 생산기업의 장치를 조합해 함께 제공하고 라이선스 비용을 확보하는 방식으로 모델을 구축할 예정이다.
슬러리, 건조체, 성형체 등 다이오페이퍼가 이미 취급하고 있는 형태라면 핵심공정 외의 공정에 에너지 절약 라인을 구축할 수 있는 것으로 알려졌다.
외부판매 개시 시기는 미정이나 그동안 취급이 어려운 것으로 알려진 CNF 제조 프로세스를 공급함으로써 수요기업들이 CNF를 활용해 수월하게 사업화를 진행할 수 있도록 돕게 될 것으로 기대하고 있다.

소재 무상공급에 PP 복합펠릿도…
소재 사업에서도 용도 개척을 우선시하며 무상샘플을 제공하고 잇다.
유상제공이라면 자사 개발에 사용자 데이터 등 피드를 활용하는데 한계가 있지만 무상으로 제공함으로써 폭넓은 분야에서 접근이 가능할 것으로 기대하고 있다.
2016년 Fukuyama Medical Center, 치바공과대학 등과 공동으로 인산칼슘을 혼합해 소결하고 액체, 혈액을 통과시켜 다공질 인공골보충재를 개발하는데 성공했다.
Sumitomo Mitsui Construction과는 건조과정에서 손상을 저감시키는 콘크리트 공동개발에 착수하는 등 외부연계를 활발히 진행하고 있다.
나노사이즈까지 해섬하지 않는 셀룰로오스와 PP를 복합화한 펠릿을 개발해 2018년 11월부터 샘플 출하를 시작했다.
엄밀하게는 CNF가 아니지만 나노해섬하지 않음으로써 코스트를 낮추고 수지에 대한 배합으로 역학물성을 향상시킬 수 있는 특성을 실현했다.
CNF 요소기술도 가치를 보유하고 있다는 것을 증명했으며 유연한 발상과 용도 개척을 통해 사업화를 가속화할 예정이다.
2020년까지 진행하는 3차 중기 경영계획 중에 양산화에 착수할 계획이며 4차 중기 경영계획 이후에는 본격적인 양산에 돌입할 예정이다. ▶ 다음호에 계속