연구팀은 기존 황산 공정 대신 전자빔과 고압균질기를 활용했다. 황산 처리를 대체할 수 있는 친환경 공정을 개발한 것은 연구팀이 처음이다. 기존 공정의 단점을 극복하기 위해 연구팀은 국내 타산업에서 널리 사용되고 있는 전자빔과 고압균질기를 활용했다. 기존 산 중화 수처리 공정이나 초음파 분쇄가 필요 없어 친환경적이고 효율이 높다.
연구팀은 물질에 전자빔을 투사하면 분자량이 저감되는 원리를 활용했다. 분자량이 줄어들면 셀룰로오스를 나노화하는 데 도움을 준다.
또한 연구팀은 입자마다 동일한 음전하를 띠게 해서, 같은 전하끼리 밀어내는 성질을 이용해 물질을 쉽게 분산시켜 나노화했다.
이와 함께 고압균질기를 사용해서 나노셀룰로오스 입자가 물리적으로 작고 고르게 나올 수 있도록 했다. 이러한 전자빔과 고압균질기 공정을 통해 황산을 투입했을 때처럼 셀룰로오스의 비결정 영역을 제거하고 결정 영역만 남겼다.
기존 황산처리로 제조된 나노셀룰로오스는 외부 열에 상대적으로 취약하지만 이번 연구로 개발된 나노셀룰로오스 열에 안정적이다. 또한 간단한 화학 처리를 통해 물질 표면의 전하를 원하는 대로 바꿀 수가 있어 산업적으로 다양하게 응용할 수 있다. 수율도 45~60%로 늘렸다.
결정형 나노셀룰로오스는 결정체로 이루어져 있기 때문에 결합력과 강도가 높아서 향후 센서, 건축자재 강화재료, 액상 정화 필터 등에 활용될 것으로 기대되고 있다. 또한 식물로부터 유래된 당 구조(글루코오스)를 가지고 있기 때문에 신체에 해가 없어 약물 전달체, 이식 보조물질, 피부 보습제품 등 의료 바이오 분야에도 활용될 수 있다.
화학연 신지훈 박사는 “이 연구를 통해 다량의 강산 화학적 처리를 하지 않고 전자빔과 고압균질기 공정만을 통해서 분산성과 나노화가 확보된 셀룰로오스 나노결정체 친환경 고효율 제조 공정을 개발했다”며 “이는 원천소재 대량생산 기술 연구가 미약한 국내 연구 환경에서 큰 의미를 가질 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.
/대전=박희윤기자 hypark@sedaily.com
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