[KISTI 과학향기]나노 셀룰로오스, 친환경 나노 소재가 만드는 녹색 도시

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영화가 그리는 디스토피아 세계에는 공통점이 있다. 바로 자연이 없다는 것. 어둡고 칙칙한 색감의 도시에서 분열된 사람들은 무언가를 찾으려 애쓴다. 그것은 바로 녹색 유토피아다. 그렇다. 유토피아 첫째 조건은 청록빛으로 물든 자연이다.

[KISTI 과학향기]나노 셀룰로오스, 친환경 나노 소재가 만드는 녹색 도시

세계는 지금 인간이 만드는 환경 재난으로 고통을 겪고 있다. 기후 변화, 미세먼지, 전염병이라는 사례에서 보듯 자신의 삶을 더 낫게 바꾸려는 인간 활동이 거꾸로 인류 존속을 위협한다. 미래를 회색빛 디스토피아가 아니라 푸르른 유토피아로 만들기 위해서 녹색 기술이 절실하다.

◇나노 셀룰로오스의 무한한 가능성

녹색 유토피아를 만드는 친환경 나노 소재로 새롭게 주목받는 것이 '나노 셀룰로오스'다. 나노 셀룰로오스는 간단히 말해 나무 주성분인 셀룰로오스를 나노(10억분의 1m) 수준으로 분해한 고분자 물질이다. 나무를 1000분의 1로 자르면 우리가 흔히 보는 목재 칩이 된다. 이를 또 1000분의 1로 자르면 펄프가 되고, 이 펄프를 다시 1000분의 1로 쪼개야 나노 셀룰로오스다.

나노 셀룰로오스 소재는 철보다 5배나 가볍지만 강도가 높고 열을 가해도 팽창하지 않는다는 특징이 있어 '꿈의 소재'로 불린다. 무엇보다 식물에서 원료를 얻기 때문에 친환경적이다. 굳이 나무를 베지 않아도 해조류에서도 추출 가능해 산림을 훼손할 걱정도 없다.

사진 1. 현미경으로 찍은 나노 셀룰로오스 사진. 철보다 가볍지만 강도는 그에 못지 않다. (출처: 국립산림과학원)
<사진 1. 현미경으로 찍은 나노 셀룰로오스 사진. 철보다 가볍지만 강도는 그에 못지 않다. (출처: 국립산림과학원)>

나노 셀룰로오스 응용 가능성은 무한하다. 결합력과 강도가 높아 센서나 건축자재 강화재료, 연료전지, 의공학 소재 등에 활용할 수 있다. 또 식물에서 유래한 당 구조(글루코오스)이기 때문에 생체에 유해하지 않아 약물 전달체나 이식 보조물질, 피부 보습 제품 등 의료바이오 분야에도 쓰인다.

특히 요새 우리나라가 깊이 고민하는 미세먼지 저감 대책에 나노 셀룰로오스가 중요한 역할을 할 수 있다. 나노 셀룰로오스 섬유로 만든 필터는 질산염과 인산염, 불산, 황산염 등 음이온을 띠는 오염물을 흡착하는 특징이 있다. 초미세먼지(PM2.5, 2.5마이크로미터 이하 크기 입자)를 구성하는 성분 중 가장 많은 것이 황산염과 질산염이다. 따라서 나노 셀룰로오스 소재를 도입한다면 영유아부터 노인까지 안전하게 쓸 수 있는 친환경 미세먼지 필터, 마스크가 나올 것이다.

이에 국립산림과학원은 2016년부터 나노 셀룰로오스를 대량으로 생산하는 설비를 갖추고 리튬이온전지, 인체 치료제, 오염물질 광분해, 포장재, 수처리용 중금속 흡착재에 나노 셀룰로오스를 활용하는 융·복합 기술을 연구 중이다. 이선영 국립산림과학원 목재가공과 나노신소재연구실 박사는 리튬이온전지에서 전극을 분리하는 분리막을 나노 셀룰로오스로 대체하는 '다공성 셀룰로오스 나노종이 분리막'을 개발했다. 바야흐로 종이배터리 시대가 눈앞에 열린 것이다. 셀룰로오스 분리막은 기존 리튬이온전지와 달리 매우 유연해 현재 개발 중인 플렉시블 스마트 기기나 웨어러블 기기 상용화를 앞당길 수 있다.

최근에는 신지훈 한국화학연구원 박사 연구팀이 전자빔과 고압균질기를 활용해 친환경적으로 나노셀룰로오스를 제조하는 공정을 개발했다. 기존 방식처럼 황산 처리를 한 뒤 분쇄할 필요가 없고 생산수율도 두 배나 늘었다. 이번 연구는 나노 셀룰로오스를 활용한 응용 기술의 토대를 만들었다는 점에서 의의가 있다.

◇깨끗한 공기 원한다면 나노 기술 활용해야

모든 시민이 마스크를 쓰고 실내에만 붙박여 있는 장면도 디스토피아 영화에 등장하는 단골 장면이다. 따라서 이제 우리 생활 일부가 돼 버린 미세먼지를 근본적으로 줄이는 대책도 유토피아를 위한 중요한 녹색 기술이다.

미세먼지를 구성하는 주요 오염원은 질소산화물(NOx)이다. 산성비 원인이기도 한 질소산화물은 대개 화석연료 발전소와 공장, 자동차와 선박에서 배출된다. 높은 온도에서 연료가 연소할 때 질소와 산소가 반응해 만들어지기 때문이다.

사진 2. 우리나라는 오래된 디젤자동차를 단속하는 등 각족 미세먼지 저감 대책을 실행하고 있지만 아직은 역부족이다. 탈질촉매는 아주 간단한 방식으로 미세먼지의 원인이 되는 질소산화물을 분해할 수 있다. (출처:shutterstock)
<사진 2. 우리나라는 오래된 디젤자동차를 단속하는 등 각족 미세먼지 저감 대책을 실행하고 있지만 아직은 역부족이다. 탈질촉매는 아주 간단한 방식으로 미세먼지의 원인이 되는 질소산화물을 분해할 수 있다. (출처:shutterstock)>

질소산화물을 줄이기 위해 등장한 녹색 나노 기술은 촉매다. 바로 질소산화물을 인체에 무해한 질소와 수증기로 환원하는 탈질촉매(SCR)다. 촉매란 본인은 바뀌지 않은 채 다른 물질을 바꾸는 중개 물질이다. 대개 환원제로 쓰는 촉매물질은 바나듐이나 텅스텐, 티타늄이다. 이들은 매장량이 많지 않아 비싸다. 그렇기에 촉매를 사용하는 것이 부담이 된다. 이렇게 비싼 촉매를 잘게 쪼갤 수 있다면 어떨까. 훨씬 더 저렴하게 촉매를 쓸 수 있지 않을까.

김홍대 생산기술연구원 울산지역본부 선임연구원은 위의 질문을 해결했다. 마이크로 크기 기존 촉매를 나노 크기로 줄여 탈질촉매의 경제적 효율을 크게 개선한 것이다. 게다가 흑연에서 추출한 '그래핀'이라는 소재에 나노 크기로 줄인 텅스텐과 바나듐을 골고루 분산했다. 이렇게 하면 촉매 자체 양이 적어도 기존보다 더 효율적으로 오염물질에 반응하며 강도도 높다. 그 결과 동일한 조건에서 사용하는 촉매의 가격을 크게 낮춰 촉매 화용 부담을 덜었다.

디스토피아 영화는 기술이 인간 미래를 어둡게 만들 것이라고 예견한다. 하지만 이제 인류는 인간 활동이 가져오는 파괴력을 조금씩 인지하고 있다. 미래가 회색빛일지 녹색빛일지는 그 경각심을 교훈으로 삼아 기술을 어떻게 사용하느냐에 달려 있다. 그 어둠을 밝히고 있는 나노기술의 발전을 기대해 보자.

글:김민수 과학칼럼니스트

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