나노 셀룰로오즈 보강 복합재료:나노 셀룰로오즈 보강 복합재료의 제조,특성 및 응용

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나노 셀룰로오즈 보강 복합재료

나노 셀룰로오즈 보강 복합재료의 제조, 특성 및 응용

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나노셀룰로오즈 보강 복합재료의 특성 나노셀롤로오즈 보강 복합재료의 산업적 응용분야

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나노셀룰로오즈 보강 복합재료의 개요

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[그림 1] 나노셀룰로오즈 합성 기구도

자료 출처: Phil Jones, PIMA Leadership Conference 2005, June 26-29 (Nanotechnology in the forest products industry)

○ 최근 기후변화협약, 환경규제 강화 등에 의해 우수한 성능과 함께 친환경 특성을 가진 복합재료를 개발하기 위한 노력이 세계적으로 추진되고 있으며 특히, 천연소재를 기반으 로 하는 복합재료 개발이 학문적으로나 산업적으로 많은 관심을 끌고 있음.

○ 바이오복합재료(biocomposite)는 마, 면, 실크 등의 천연섬유를 보강제로 사용한 고분 자복합재료로서 현재 자동차 및 건축 산업의 내∙외장재 등 다양한 분야에 사용되고 있는 유리섬유 강화 고분자복합재료 (GFRP: Glass Fiber Reinforced Polymer Composite)를 대 체할 수 있는 첨단신소재임.

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[그림 2] 나노셀룰로오즈 제조공정

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나노셀룰로오즈 보강 복합재료의 특성

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[표 1] 나노셀룰로오즈 섬유와 합성섬유의 특성 비교 밀도 (g/cm3₎ 지름 섬유 평균 길이 (mm) 인장강도 (MPa) Young's 탄성률 (GPa) 아마(Flax) 섬유 다발 1.5 20 ㎛ 30 345-1100 100 대마(Hemp) 섬유 다발 1.3-1.4 22 ㎛ 20 690 69 나노셀룰로오즈 섬유 - 10-70 nm - 7500 130 유리섬유 2.5 9 ㎛ - 1700 70 탄소섬유 1.7 70-500 nm - 3445 230-240

자료 출처: http://www.gov.mb.ca/agriculture/crops/hemp/bko07s02.html and other sources

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[그림 3] 나노셀룰로오즈 휘스커와 다른 나노입자와의 특성비교

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New Effective Xellent Timely 10 http://Next10.yeskisti.net [표 2] 삼림자원의 종류에 따라 제조된 나노셀룰로오즈 결정의 특성 셀룰로오즈 원시료 지름 섬유 평균 길이 (mm) Aspect ratio 외피식물(tunicate) 10-20 nm 100 nm - ㎛ 5 to > 100 (high) 떡갈나무 열매(Algal) 10-20 nm > 1000 nm 50 to > 10 nm (high) 박테리아 5-10 X 30-50 nm 100 nm - ㎛ 2 to > 100 (medium) 목면 5 nm 200 - 350 nm 20 to 70 (low) 나무 3-5 nm 100 - 300 nm 20 to 50 (low)

자료 출처: Beck-Candannedo, et. al. Biomacromol. (2005) 6:1048-1054

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2 바이오 복합재료의 국내외 연구개발 동향

○ 바이오복합재료 개발연구는 환경문제를 가장 큰 이슈로 삼고 있는 유럽에서 가장 먼저 시작되었으며 현재 유럽, 북미, 아시아 등 세계적으로 실용화와 고성능화 연구가 활발하 게 추진되고 있음. ○ 유럽에서는 경량화 및 이산화탄소 배출 저감을 위해 바이오복합재료를 주로 자동차 부 품에 적용하는 연구가 많이 진행되고 있으며 북미에서는 풍부한 삼림자원을 이용하여 산 업체 인프라 구축, 자동차 부품 등 다양한 분야에 응용하기 위한 연구가 추진 중임. ○ 아시아는 2000년 중반부터 유럽, 북미와 바이오복합재료 개발을 위한 국제협동연구 추 진, 자동차, 전자부품 분야에 실용화하기 위한 연구개발을 진행하고 있음. ○ 바이오복합재료 개발연구를 추진하고 있는 세계 여러 기관의 현황을 <표 3>에 정리하였 음. 표에 제시된 기관 이외에도 세계의 많은 연구기관, 대학 및 산업체가 바이오복합재 료 개발연구를 진행하고 있음. 가

. 유럽

○ 유럽에서 바이오복합재료의 연구는 실용화와 고기능화 단계에 있음. 유럽에서의 진행되 는 바이오복합재료 연구의 특징은 유럽공동체가 학,연,산 공동으로 개발연구를 추진하며 기업체에서 바이오복합재료의 실용화 추진, 국가연구기관과 대학에서 바이오복합재료의 고기능화 연구를 추진하고 있음. ○ 현재 바이오복합재료가 가장 많이 실용화된 부문은 자동차의 내장재와 외장재로서 고성 능의 바이오복합재료를 개발하기 위해 유럽의 자동차 관련 산업체는 연구기관과 함께 EU Growth project에서 협동연구를 수행하고 있음. - 특히, 이 중에서 프로젝트 “ECOFINA(http://www.ecofina.org)"는 현재 고분자 재료와 함께 자동차 부품 제조에 사용되고 있는 무기 충진제 혹은 무기섬유를 천연소재로 대체 하기 위한 연구를 목표로 추진되고 있음.

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New Effective Xellent Timely 10 http://Next10.yeskisti.net 가 미 국 ο 미국 USDA(Pobert H. Falk) ο 미시간주립대(L.T. Drzal) ο 위스콘신대(A. Sanadi) -워싱턴주립대, Ford사

-Futuresoft Technologies Inc. -North Wood Plastic Inc.

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○ 미국에서 바이오복합재료 개발연구는 국립과학재단(National Science Foundation: NSF), 농림부(United State Department of Agriculture: U.S.D.A.), 에너지부

(Department of Energy: DOE), 환경부(Environmental Protection Agency: E.P.A) 등 정부 각 부처의 지원과 함께 활발하게 진행되고 있음. ○ 미국에서는 아이오와 주립대학, 워싱톤 주립대학, 미시간주립대학, 오레곤 주립대학, 루이지애나 주립대학, 위스콘신 대학, 메인 대학, 노스캐롤라이나 주립대학, 펜실베이 니아 주립대학, 테네시 대학, 델라웨어 대학 등 많은 대학에서 바이오복합재료 개발과 관련된 기초연구를 수행하고 있음. 이들 대학에서 는 단백질을 매트릭스로 하는 바이 오복합재료, 목분과 천연섬유를 보강제로 사용한 바이오복합재료, 생분해성 고분자를 매트릭스로 하는 바이오복합재료 등 바이오복합재료 개발 및 특성분석과 관련된 기초 연구가 진행되고 있음.

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2 나노 셀룰로오즈 보강 복합재료의 국내외 연구개발 동향

가. 유럽

○ 유럽에서 나노셀룰로오즈 개발 및 이를 이용한 바이오복합재료 개발연구와 관련된 대한 가장 우수한 개별연구팀으로는 스위스 EMPA연구소의 Tanza Zimmermann 박사와 노르웨이과학기술대학의 K. Oksman이 있음.

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2 나노 셀룰로오즈 보강 복합재료의 개발 정책 동향

[그림 6] NanoForest Roadmap 발표자료

자료 출처: 2006 International Conference on Nanotechnology(TAPPI) 발표자료 (Tom Liderstorm, STFI-Packforsk/KTH, 2006. April 26-28)

가. 유럽

○ 유럽공동체에서는 STFI-Packforsk에서 EU 6th Framework Program의 특별연구개발 프로그램 구조(the framework of the specific research and technological development programme integrating and strengthening the ERA(contract No NMP2-CT-2003-505247) 내에서 “삼림 제품 산업을 위한 나노기술 로드맵(A

nanotechnology roadmap for the forest products industry: NaNoForest)을 작성하 고 삼림자원으로부터 나노셀룰로오즈의 제조와 이를 이용한 복합재료 개발연구를 적 극적으로 추진하고 있음. ○ NanoForest의 전체적인 목적은 산림제품 분야를 실제적으로 응용하는데 적합한 관 련분야와 나노기술에서의 첨단 하이브리드 분야를 개발하고 지원하는 것임. 또한, NanoForest의 중요한 임무는 연관성이 있는 유럽공동체 상호간의 연구, 네트워킹 및 산림제품 산업체와 나노기술과 과학 관련 분야 사이의 협동을 유도하기 위한 국제협 력연구를 찾는 것임.

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New Effective Xellent Timely 10 http://Next10.yeskisti.net ○ 나노복합재료/복합재료 셀룰로오즈 재료 분야에서는 셀룰로오즈 마이크로섬유/나노 점토를 이용한 복합재료, 포장 재료에서 셀룰로오즈 마이크로 섬유의 이용에 대한 내 용을, 나노코팅 분야에서는 셀룰로오즈 마이크로섬유/나노점토를 이용한 나노코팅으로 가스, 오일, 날씨, 자외선에 대한 저항성 향상 및 초소수성을 가진 나노구조화된 표면 개발의 내용을 포함하고 있음. ○ 유럽에서 삼림제품 부문의 나노기술 정책동향에 대한 일반적인 고찰은 다음과 같음. -과학적인 호기심 보다는 산업체의 필요(예를 들면, SustainPack)에 의해 현시점에서 연구비가 지원되고 있음. -장기 패러다임 이동 기술에 대한 새로운 관심으로 산업체의 큰 관심이 있음. -유럽공동체는 나노기술을 첨단기술 산업뿐만 아니라 기반산업이라는 점에서 적극적인 지원을 하고 있음. -현재까지는 bottom-up이기 보다는 top-down 접근으로 진행되었음.

나. 미국

○ 미국에서의 바이오 복합재료 개발연구는 각 정부부처의 지원을 받고 있으며 응용분 야도 교량, 주택 등 건축 산업과 기반시설 인프라 구축 및 자동차 분야 등 다양함. 특 히, 바이오복합재료를 미국 건축 산업의 차세대에 중요한 역할을 할 수 있는 첨단 신 소재로 간주하고 각 정부부처에서 연구개발을 적극적으로 지원하고 있음.

○ 미국국립과학재단(National Science Foundation: NSF)에서는 NSF-PREMISE grant, NSF-EPA program 등의 지원을 통해 바이오복합재료 제조, 특성분석 및 LCA (Life Cycle Assessment) 연구 지원을 하고 있음. 미국 에너지부(Department of Energy: DOE)에서는 "Energy Efficiency and Renewable Energy"의 “Biobased Chemicals and Materials (http://www.eere.energy.gov/RE/bio_chemicals. html" 분야에서, 미국농림 부(United State Department of Agriculture: U.S.D.A.)에서는 ”U.S.D.A.

Certificated Biobased Product"로 바이오를 기반으로 하는 바이오복합재료의 개발과 실용화를 지원하고 있음.

○ 또한, 바이오자원으로부터 나노재료를 개발하기 위한 연구를 정부 각 부처에서 적극 적으로 지원하고 있음.

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Office of Energy Efficiency and Renewable Energy(Industrial Technologies Program)의 지 원으로 “Forest Products Industry Technology Roadmap" 최종판을 발표하였음.

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[그림 7] 고분자복합재료 및 나노 보강재료 관련 로드맵 요약문

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[그림 8] 미국의 삼림제품 산업을 위한 나노기술 연구개발 협동기관 및 내용

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[그림 9] 삼림자원을 활용한 기술의 산업과 사회에 대한 잠정적인 가치

자료: Forest Products Industry Technology Roadmap, final draft, 2006.6

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[그림 11] 나노셀룰로오즈 보강 필름의 저장탄성률 비교

자료 출처: Woodfiber05 A. Bhatnagar and M.Sain 발표자료

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참고문헌

1. Phil Jones, PIMA Leadership Conference 2005, June 26-29(Nanotechnology in the forest products industry)

2. http://www.gov.mb.ca/agriculture/crops/hemp/bko07s02.html

3. L.T.Drzal(MSU) 세미나 발표자료 4.코네틱리포트 제684호, 2005 5. http://www.daimlerchrysler.com/

6. www.N-FibreBase.net (Woodfiber2005 otremba 자료)

7. http://www.most.gov.cn/kjbgz/t20060809_35326.htm, "목질기반 복합재료 선진제조기술 연

구", 2006.8.10

8. http://www.nanotechforest.org/documents/FPNano2005Final.pdf

9. Gen Publisher Inc. A Mary Ann Liberty Inc. Industrial Biotechnology Fall 2005, vol. 1. no.3. pp.166-184.

10. Otremba, 7th International Conference on Woodfiber-Plastic Composites 발표자료, May 7, 2003: Wood Fiber and Natural Fiber Plastic Composites in China: Opportunities and Obstacles

11. Forest Products Industry Technology Roadmap, final draft, 2006.6

12. (a) K. Oksman & kvien, (b) Simonsen, 7th International Conference on Woodfiber-Plastic Composites 발표자료, May 7, 2003: Wood Fiber and Natural Fiber Woodfiber-Plastic Composites in China: Opportunities and Obstacles 발표자료

13. http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/22289/---/l=2

14. A. Bhatnagar and M.Sain, 7th International Conference on Woodfiber-Plastic

Composites 발표자료, May 7, 2003: Wood Fiber and Natural Fiber Plastic Composites in China: Opportunities and Obstacles

15. T.Corbiere-Nicollier, B.Gfeller Laban, L. Lundquist, Y. Leterrier, J.A.E. Manson, O. Jolliet, Resources, Conservation and Recycling, 2001, vol.33, 267

16. 10th European Conference on Composite Materials, June 3-7, 2002, Brugge, Belgium, "ECOFINA: Ecoefficient Technologies and Products Based on Natural Fibre Composites", Debora Puglia, Jerico Biagiotti and Jose M.Kenny (University of Perugia, Italy)

17. U.Riedel, J. Nickel, 7th International Conference on Woodfiber- Plastics Composites, 2003, May 19-20: Biocomposites State-of-the- Art and Further Perspectives

18. http://www.eere.energy.gov/RE/bio_chemicals. html

19. Wayne (Wening) Song, Duanhua Weng, 7th International Conference on Woodfiber-Plastic Composites 발표자료, May 7, 2003: Wood Fiber and Natural Fiber Woodfiber-Plastic Composites in China: Opportunities and Obstacles

20. 4th International Wood and National Fibre Composites Symposium, TRIP Report, Kassel, Germany, 2002, April 10-11

21. Nanoforest: A nanotechnology roadmap the forest products industry, STFI-Packforsk report no.48, September 2005

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