글로벌 나노셀룰로스(Nano Cellulose) 시장은 2020년부터 2030년까지 연평균 19% 성장해 2020년 1조원(1만3000톤)에서 2025년 2조5000억원(3만톤), 2030년 6조원(7만6000톤)에 달할 것으로 예상된다.
전통적인 소재 강국 일본이 나노셀룰로스 기술에서 앞서가고 있으며, 한국은 첫발을 내딛는 단계로 평가된다.
일본 세이코PMC(Seiko PMC)는 신발 브랜드 아식스(Asics)와 함께 나노셀룰로스를 적용해 신발창 무게를 50% 이상 줄인 러닝화를 개발했고, 오사카(Osaka)대학은 전자종이를 개발하고 태양전지, 트랜지스터 등에 적용하는 방안을 연구하고 있다.
유럽에서는 목재 강국 핀란드에서 연구가 활발하게 전개되고 있다. 제지기업 UPM은 나노셀룰로스를 활용해 상처 치유 효과를 높인 창상피복제(습윤밴드)를 개발했고, 스토라엔소(Stora Enso)는 우유팩을 더 가볍고 단단하게 생산하는 방법을 개발한 것으로 알려졌다.
선진국들이 나노셀룰로스 상업화를 서두르는 것은 강화되는 환경규제 영향이 크게 작용하고 있다.
제2의 탄소섬유로 불리지만 탄소섬유가 석유화학 베이스인 반면 나노셀룰로스는 나무 등 식물자원 기반이어서 환경친화적이기 때문이다.
일본‧미국‧유럽 중심으로 기술개발 본격화
나노셀룰로스는 생분해가 가능해 환경친화적이고 자동차, 화학, 의료, 스포츠, 미용 등 다양한 분야에 응용이 가능한 전천후 첨단소재로 일본이 가장 적극적으로 개발하고 있다.
일본은 나노셀룰로스를 제2의 탄소섬유, 철강을 대체할 미래 4대 소재로 지정하고 정부 주도로 소재 개발 및 산업화를 이끌고 있으며, 경제산업성은 산업계, 학계, 정부로 구성된 컨소시엄 나노셀룰로스 포럼 설립을 통해 활발한 교류의 장을 구축하고 있다. 
일본 제지기업 일본제지(Nippon Paper)는 화장품 생산기업과 공동으로 나노셀룰로스를 적용한 로션을 내놓고 반응을 살펴보고 있고, 볼펜잉크와 성인용 기저귀, 항균시트에도 나노셀룰로스를 응용하려는 시도가 잇따르고 있다.
일본 교토(Kyoto)대학 컨소시엄이 2019년 11월 도쿄모터쇼에서 나무로 제조한 미래 자동차를 선보여 주위를 놀라게 할 정도이다.
나무에서 추출한 친환경 첨단소재 나노셀룰로스를 자동차에 적용한 NCV(Nano Cellulose Vehicle) 프로젝트의 결과물로 2년이 지난 지금은 자동차 무게 10% 경량화를 목표로 차체, 엔진 등 뼈대를 이루는 중요한 소재에 나노셀룰로스를 접목하는 식으로 프로젝트를 발전시키고 있다.
일본은 나노셀룰로스 복합소재 상용화를 가속화하고 있는 가운데 NCV 개발도 정부가 주도하고 있는 것으로 알려졌다.
미국은 민관 파트너십 성격의 P3Nano 프로젝트를 구성해 관련기업, 정부, 학계가 협업할 수 있는 플랫폼을 가동하고 있다.
미국 농무부(USDA)는 나노셀룰로스 상업화에 수천억원을 쏟아부은 것으로 알려졌다. 메인대학에 하루 생산능력 300kg의 시험설비를 구축했고 2021년 2월에는 나노셀룰로스를 활용해 포름알데히드(Formaldehyde)를 함유한 합성수지를 사용하지 않고 파티클 보드를 제조하는 기술 개발에 성공했다.
펄프·제지산업이 발달한 핀란드, 스웨덴 등 유럽 국가들도 2000년대 중반부터 정부가 산업계 및 연구기관에 상당한 투자를 이어가고 있다.
다이셀, 혁신적 초산셀룰로스 제조공법 개발
일본에서는 다이셀(Daicel)이 다품종 소량생산을 전제로 파인셀룰로스(Fine Cellulose)를 실용화하기 위한 혁신적 프로세스 공업화를 추진하고 있다.
목재를 고온‧고압 상태에서 용해할 필요가 없는 신규 프로세스를 개발하고 가나자와(Kanazawa)대학과 신규 공법에 대응하는 중간 수준의 플랜트를 건설하고 있다.
초산셀룰로스(Cellulose Acetate)를 비롯한 대량생산제품과는 달리 생분해성, 친수성 등 기능을 조절할 수 있는 셀룰로스 유도제품 생산을 구상하고 있다.
교토대학 등 다른 대학과도 유사한 프로세스에 대해 공동연구를 진행하고 있으며 장기적으로는 유연한 생산을 위해 여러 곳에 생산체제를 구축할 방침이다.
다이셀은 목질 소재 등 지속가능한 자원으로부터 화학제품을 정제하는 신규 바이오매스 제조공정 실용화를 추진하고 있는 가운데 셀룰로스 프로세스 연구개발(R&D)이 공업화 실증단계에 들어간 것으로 평가되고 있다.
초산셀룰로스는 제조공정에서 대량의 증기를 소비함에 따라 경제성과 환경부하 저감을 양립할 수 있는 신규 프로세스를 구축할 방침이다.
다양한 대학과 제휴하고 있으며 가나자와대학과는 응용영역을 중심으로 연구를 진행하고 있다.
2021년 7월에는 가나자와대학의 가쿠마(Kakuma) 캠퍼스에서 산학제휴 연구시설 건설에 착수했으며 공동개발한 셀룰로스 상온용해법의 중규모 플랜트를 도입할 계획이다.
이미 용해공정 개발을 완료했으며 생산능력을 수천톤으로 확대하는 준공업화 단계를 진행하고 있는 것으로 알려졌다.
투자액은 약 30억엔으로 2022년 가을 준공을 목표로 하고 있다.
파인셀룰로스 실용화로 화학 패러다임 전환
다이셀은 초산셀룰로스 사업에서 신규 용도를 개척할 때 벌크제품에 집중했으나 파인셀룰로스를 실용화함으로써 패러다임 전환을 기대하고 있다.
신규 프로세스는 펄프와 칩 상태의 목질 소재를 원료로 바이오매스 소재 특유의 과제인 물성 불균형을 줄여 균질한 셀룰로스를 정제하는 방식으로 초산셀룰로스를 생산할 때 대량의 에너지를 소비하는 고압증기가 거의 불필요하며 주로 교반에 따른 고수율 용해를 실현한 것으로 파악되고 있다.
반응성, 수율을 향상시킴으로써 이산화탄소(CO2) 감축에도 기여하는 것으로 알려졌다.
고온에서 압력을 가해 셀룰로스 변질을 피할 수 있을 뿐만 아니라 균질성 확보로 분자설계 자유도가 향상됨에 따라 생분해성 등 다양한 기능성을 부여할 수 있는 이점도 부각되고 있다.
이에 따라 친수성을 조절해 필터로 다양한 선택지를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있으며 석유 베이스 플래스틱과 비슷한 물성의 기능성 대체소재로 실용화하는 방안도 검토하고 있다.
교토대학과는 2020년부터 공동연구에 착수했으며 2021년 가을에는 공동연구 강좌를 개설할 예정이다.
다이셀과 교토대학은 용해 전단계인 무손상 파쇄법을 개발하고 있으며 펄프를 경유하지 않는 정제공법을 실용화하고 저온에서 용해하는 기술을 개발할 계획이다.
다이셀은 다양한 산학협력을 통한 프로세스 개발에 따라 반응성, 성형성, 물류특성 등 다양한 문제를 해소할 수 있을 것으로 기대하고 있으며 앞으로는 신규 생산 프로세스의 소규모 및 중규모 플랜트 건설에 집중할 방침인 것으로 알려졌다.
최근에는 도쿄(Tokyo) 대학과 마이크로리액터를 활용해 반응‧정제공법 개발 등을 진행하고 있으며 기존 플랜트에 비해 100분의 1에서 1000분의 1 수준으로 줄인 모듈화 플랜트를 늘림으로써 에너지 절약을 실현함과 동시에 지리‧환경적인 제약을 완화한 다거점 생산체제로 유연성을 확보할 방침이다.
한솔제지에 무림P&P도 CNF 개발‧실용화
한솔제지는 2020년부터 친환경 첨단소재 나노셀룰로스섬유(CNF)를 자동차 소재에 적용하는 연구를 진행하고 있다.
구동벨트 및 시트, 흡음재 등을 만드는 자동차 소재 생산기업들과 함께 나노셀룰로스를 활용해 소재의 친환경성, 강도 향상 및 경량화를 실현하는 것이 목표이다.
한솔제지는 무광 폴리우레탄(Polyurethane) 코팅제 생산기업과 협업해 자동차 내장재 및 가구 적용에 이어 2차전지, 화장품, 자동차 소재 등에서 새로운 사업 기회를 모색하고 있다.
무림P&P는 최근 화장품 생산기업과 공동으로 나노셀룰로스를 화장품 원료로 쓴 친환경제품 개발에 들어갔으며, 높은 점도와 보습성을 활용한 기능성 화장품, 산소나 수분의 투과를 막는 차단필름 형태의 의약품‧식품 포장재, 플래스틱 대체용 자동차 내장재 등을 개발하고 있다.
무림P&P는 국내 유일의 펄프 생산기업으로 건조 펄프가 아닌 생 펄프에서 직접 나노셀룰로스를 추출할 수 있는 원천기술을 보유하고 있어 품질 및 원가 경쟁력에서 우위가 있는 것으로 평가된다.
무림P&P는 친환경 위생용기로 사용되는 접시, 도시락 용기, 테이크아웃 컵 뚜껑 등 펄프몰드를 개발하고 울산공장에 국내 최대 설비를 구축한 후 펄프몰드를 본격 생산할 계획이다.
펄프몰드는 PE(Polyethylene) 코팅을 하지 않아 분리수거가 쉽고 재활용이 가능하며, 물과 기름에 강해 각종 음식물의 위생적인 보관이 가능할 뿐만 아니라 영하 40도 이하 온도를 견디고 전자레인지에서도 사용할 수 있는 것으로 알려졌다. 무림P&P는 2021년 하반기 울산공장에 전용설비를 도입하고 국내 최대 펄프몰드 생산에 착수할 예정이다.
나노셀룰로스는 나무 등 식물에서 추출한 셀룰로스(섬유소)를 나노미터(10억분의 1미터) 크기로 쪼갠 천연 나노 소재로 머리카락의 10만분의 1 굵기에 불과할 정도로 얇으면서도 방탄재료 케블라(Kevlar) 섬유와 비슷한 높은 강도를 지닌 것으로 평가된다. 무게는 철의 5분의 1에 불과하나 강도는 5배 이상이다.
특히, 3차원(3D) 그물망 구조로 분산 및 열 안정성, 점도 조절성, 친수성이 우수하고 강철보다 단단하면서 동시에 외부 작용에 따라 변화가 자유로운 것으로 알려졌다.
나노셀룰로스가 주목받기 시작한 것은 2000년대 초반으로, 자연에서 생분해가 가능한 친환경 소재라는 점이 부각되고 있고 미용, 의료, 스포츠 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
