개요
산업이 고도화되고 각종 생활이 윤택해지면서 사람들의 관심은 단순히 의식주해결이 아닌 건강 한 삶을 영위하는 방향으로 초점이 모아지고 있다.
이러한 흐름은 웰빙(well-being)시대라는 새로운 유행을 일으켰으며, 웰빙식품, 웰빙의류, 웰빙가전, 웰빙제화 등 다양한 분야에 웰빙의 개념으로 제품 화가 추진되고 있는 실정이다. 이 중에서도 각종 질병의 원인이 되는 병원균으로부터 벗어나기 위 한 다양한 항균 가공제품에 대한 수요가 폭발적으 로 증가하고 있으며, 특히 인체와 환경에 무해한 항균소재에 대한 새로운 기술의 연구개발 및 응용 제품의 개발이 활발이 진행되고 있다. 천연식물추 출물, 염소계 항균제, 무기계 항균제, 유기계 항균 제 등이 항균제품화를 위해
추진되어 왔고 또 현재 추진 중에 있으나, 위에 언급한 수 많은 항균제 중에서도 내성 이 없으며 650여 종의 다양 한 균에 대해 효능이 있는 천연항균제로 알려진 은(나 노실버)을 이용한 제품이 주 를 이루고 있다.
생활환경 및 위생에 대한
한 수요는 크게 증가하여 2000년을 기준으로 세계 시장 규모가 약 34억불(미국, Biocide Information Services)에 이르는 등 연평균 15% 이상 급신장 하고 있다. 국내의 항균시장 규모는 2000년 기준 으로 약 3,500억원에 달하는 것으로 집계되었으며, 국내 항균시장은 세계시장보다 훨씬 빠른 증가추 세를 보이고 있다. 특히, 나노실버 항균소재가 가 전제품, 섬유제품, 건축자재, 유아용품, 의료용품, 각종 생활용품 뿐만 아니라 여러 산업 분야에 폭 넓게 적용되면서 그 시장규모는 추산하기 힘들 정 도로 급속히 증가되고 있는 실정이다.
일반적으로 항생제(antibiotics)와 항균제(che- motherapeutic agents)는 세균을 억제하거나 균 을 사멸시키는 작용을 갖고 있다는 점에서 공통점
(주)엔피텍 기술연구소, [email protected]
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
24%
14%
5%
52%
전체(3,500억원)
건설, 목재, 가전,
플라스틱, 섬유, 종이,펄프 , ,
접착제, 도료,
의약,화장품, 위생관리용,
기타, 5% 10%
10%
표 1. 국내 항균제·항균가공제품의 시장규모(2000년)
을 가지고 있으나 미묘한 차이가 있다. 항생제는 미생물이 생산하는 대사산물로 소량으로 다른 미 생물의 발육을 억제하거나 사멸시키는 물질로서 페니실린계(penicillin), 세팔로스포린계(cephalo- sporin), 아미노클리코사이드계(aminoglycoside), 마크로라이드계(macrolide), 테트라사이클린계 (tetracycline)의 물질이 여기에 속한다. 반면 항 균제는 인위적으로 만들어진 합성물로 미생물의 발육을 억제하거나 사멸시키는 물질로서 설파계 (sulfa), 퀴놀론계(quinolone)의 물질 등이 있다.
항생제의 시장은 전체 의약품 시장의 약 14.5%(2001년 기준)로서 1조 300억 정도를 차지 하고 있다. 1930년대 페닐실린의 개발후 이러한 항생제는 각종 병원균을 치료하기 위해 빈번히 사 용되어 왔으나 현재는 항생제의 남용으로 인해 내 성이 생겨 기존의 항생제로서는 치료가 불가능한 슈퍼박테리아 등이 등장하고 있는 실정이다. 또한 대부분의 항생제는 특정 병원균(일반적으로는 4~5종)에 대해서는 효능이 있으나 다양한 병원 균에 대해서는 효능이 없으므로 특정균에 맞는 항 생제를 사용하여야 한다는 단점을 지니고 있다.
앞에서 언급한 것처럼 천연항균제로 알려진 은은 현재까지의 보고에 의하면 약 650여 종의 각종 병 원균에 대해 효능이 있으며, 은에 대해서는 병원 체가 내성을 갖지 못하므로 90년대에 이르러서는 은을 이용한 치료방법이 다시 주목을 받고 있다.
그러나 90년대에는 대부분의 은을 이용한 응용은 순은을 전기분해를 하여 얻어진 콜로이드 실버에 대해 초점을 맞추어져 있었다. 전기분해를 하여 얻어진 콜로이드 실버의 경우 은의 함량이 수십 ppm 이내로 국한되어 있어서 산업적으로는 경제 성이 없어서 제한적으로만 응용되어 왔다.
90년대 후반에 나노크기의 은미립자를 나노기 술을 이용하여 대량으로 생산이 가능하면서 나노 실버를 이용한 항균소재의 이용은 급물결을 타기
시작하였으며 현재는 거의 대부분의 제품에 응용 이 되고 있거나 검토중에 있는 실정이다. 나노크 기의 은미립자를 산업적으로 이용하기 위해서는 다음과 같은 요구조건이 충족되어야 한다.
1. 대량생산이 가능할 것
2. 경제성을 지닐 것(고농도의 콜로이드) 3. 응용 기술의 개발
4. 나노실버처리로 인해 기존 제품의 물성 변화가 허용범위 이내일 것
5. 기존 제품보다 효능이 탁월할 것 6. 인체에 무해할 것
(주)엔피텍은 수년간의 실버 콜로이드 및 나노 미립자 제조에 관한 노력으로 2000년 11월 수용액 내에서 은이온이 환원되어 은미립자가 형성될 때 계면활성물질을 이용하여 입자 크기의 제어가 가 능하고 고농도로 제조할 수 있는 은 나노미립자 대량생산 기술특허를 미국과 국내에 출원하여 지 난해 2월 국내 특허등록을 마쳤으며, 12월에는 미 국특허도 획득하였다. 이와 더불어 산업적 활용성 을 높이기 위해 다양한 유기용매상에 분산되어 있 는 은 나노미립자의 제조 기술, 이를 상업화하기 위해 다양한 항균제품에 활용할 수 있는 응용 기 술을 개발하여 국내에 다수의 특허를 출원하였으 며, 현재 의류, 가전제품, 용기류, 신발부직포, 스프 레이, 핸드폰 등 수십 종에 이르는 제품에 항균가 공을 하고 있다. 이와 더불어 은 나노미립자를 가 공한 항균제품의 수출에 심혈을 기울인 결과 상당 수의 해외 바이어로부터 호응을 얻고 있으며 이는 곧바로 매출과 연결될 수 있을 것으로 보여진다.
무엇보다도 (주)엔피텍의 장점은 은 나노미립자
의 크기가 작고, 균일하므로 타사의 제품보다 탁
월한 효능을 나타내며, 작업공정상에서는 고농도
로 제조되므로 경제성이 있으며, 대량생산 설비가
이미 완비되어 있으므로 언제든지 원하는 시일내
에 항균소재 제품을 공급할 수 있다는 점이다.
나노 실버미립자의 특성
항균소재로서 은을 적용하기 위해서는 나노크 기로 은 미립자를 제조하는 것이 무엇보다 중요하 다. 왜냐하면, 입자의 크기가 작아짐으로써 단위 질량당 비표면적이 증가하고, 표면에너지가 높아 짐으로써 반응성이 우수하므로 미량에 의해서도 원하는 소기의 항균성을 얻을 수 있으며, 다양하 게 제품에 적용시킬 수 있다.
은 나노미립자의 제조는 크게 물리적인 방법과 화학적인 방법으로 나뉜다. 물리적인 방법은 주로 분쇄 공정을 이용하여 큰 입자를 작은 미립자로 만드는 방법으로 입자의 크기가 불균일하고 제어 가 힘들며, 초기 장치비가 많이 소요되며, 불순물 의 혼입을 피할 수 없다는 단점을 지니고 있다. 화 학적인 방법은 계면활성제법, 에멀젼법, irradiation 법, polyol법, sol-gel법 등이 주로 사용되며 방법에 따라 서로 다른 특성을 지니고 있다. (주)엔피텍 은 액상환원법을 기반으로 수용액내에서 은 이온 이 환원될 때 계면활성물질을 사용하여 입자의 크 기 및 형상을 조절하는 기술을 개발하였으며, 고 농도에서도 입자의 크기가 균일하고 안정된 콜로 이드가 제조될 수 있도록 하였다. 또한, 위 방법을 사용할 경우 대량생산이 용이하다는 점에서 다른 방법과는 차별되는 가장 큰 장점을 가지고 있으며, 화학반응에 수반되는 에너지를 활용할 수 있으므 로 적은 양의 에너지 투입으로 제조가 가능하며 합성 속도가 빠르고 균일한 반응 제어가 가능하다 는 장점을 지니고 있다.
한편, 수분산의 실버콜로이드는 유기용매와의 친화성이 떨어지므로 많은 경우 침전이 형성되게 된다. 따라서 이러한 문제를 해결하고 보다 다양 하게 제품에 응용하기 위해 에틸알콜, 이소프로필
콜, DMF 등의 유기용매상에 분산된 입도 분포가 균일하고 다양한 크기의 나노 실버 콜로이드를 생 산하고 있으며, 이러한 제품은 섬유 제품 및 위생 재의 후처리 가공용이나 가죽 처리액, UV 코팅액, 항균스프레이, 바닥재 등 적용 대상제품에 따라 선택적으로 응용화되고 있다.
나노실버의 응용 예
앞에서 언급한 것처럼 나노실버를 이용한 제품 은 의류, 가전제품, 용기류, 수유용품, 신발부직포, 스프레이, 핸드폰 등에 이르기까지 매우 다양하다.
따라서 응용제품 각각에 대한 응용기술에 대한 것 은 지면상 일일이 열거하기 어려우므로, 본지에서 는 컴파운딩 공정을 통한 응용과 후처리 코팅 공 정을 통한 항균 가공에 국한하여 소개하고자 한다.
먼저 컴파운딩에 의한 항균 처리 공정을 살펴보
면 가공하고자 하는 레진(nylon, PP, PET, PS,
PES, ABS 등)에 나노실버 콜로이드 또는 파우
더를 가하여 나노실버미립자가 레진의 표면에 고
루게 코팅될 수 있도록 혼합하여 준 다음 twin
screw extruder를 이용하여 은 나노미립자가 뭉
치지 않고 균일하게 고분자와 결합한 상태로 밀어
내어 준 다음 이를 냉각수를 통하여 적절한 크기
로 pelletizing하여 주면 나노실버 미립자와 고분
자 레진이 결합된 마스터배치(master batch) 칩
(chip)을 얻게 된다. 처리하고자 하는 레진에 얻
어진 마스터배치 칩을 적정한 비율(항균성을 얻
을 수 있는 범위)로 가하고 compounding을 하여
주면 최종적으로 은과 고분자의 복합체인 컴파운
드 칩(compound chip)을 얻게 된다. 컴파운드 칩
에 열을 가하여 녹이고 이를 방사하거나 적절한
성형물로 성형을 하게 되면 원사나 용기 등의 제
품을 얻게 된다. 컴파운딩에 의한 처리는 열에 의
해 반응성이 우수한 은 나노미립자와 고분자가 강
닌 제품을 만들 수 있다. 이때 가장 중요한 것은 나노실버 미립자가 레진에 균일하게 혼입될 수 있 도록 처리하는 분산기술이다. 만일 나노실버 미립 자간의 응집현상이 발생하게 되면 입자의 크기가 필요이상으로 커짐에 따라 방사공정에서 문제점 을 야기시킬 수 있으며, 항균성 또한 저하되는 요 인이 되기 때문이다. [그림 1]은 위와 같은 공정 을 걸쳐 PET 레진에 실버콜로이드 용액을 사용 하여 얻어진 마스터배치내의 은 나노미립자의 분 포상태를 주사전자현미경으로 관찰한 것으로서 은 나노미립자의 분포상태가 아주 우수하다는 것 을 알 수 있다.
[그림 2]는 컴파운딩 공정을 통하여 얻어진 마
스터배치 칩을 이용하여 만든 PP 밀폐용기내의 과일의 보관상태를 살펴본 비교 사진으로서 밀폐 용기내에 딸기를 넣고 30℃의 온도에서 5일이 경 과한 후의 변화상태이다. 그림에서 보듯이 나노실 버가 처리되지 않은 용기내의 딸기는 곰팡이의 번 식이 확연히 나타났으며, 은의 함량이 150ppm으 로 처리된 밀폐용기내의 딸기는 곰팡이의 번식이 관찰되지 않았다. 이는 나노실버 미립자의 존재로 인해 균이 서식을 저해하므로 보다 장시간 음식물 을 신선하게 보관할 수 있다는 것을 보여준다.
후가공에 의한 처리방법은 주로 fabric이나 filter를 코팅하는데 많이 사용되고 있는 공정이다.
위 방법은 가공하고자 하는 제품의 표면에 나노실 버 미립자가 분산된 액 또는 바인더나 다른 코팅 액과 나노실버 미립자가 혼합된 액을 분무(spray) 하거나 침지(dipping)한 다음 경화공정을 통하여 제품의 표면에 강하게 고착되도록 하는 방법이다.
후가공에서 중요한 것은 최대한 작은 크기의 나노 미립자를 사용하는 것이다. 입자의 크기가 작을수 록 표면에너지가 높아서 섬유나 다른 기질의 표면 과 물리 또는 화학적인 결합을 이루고 경화공정을 통해서 강하게 고착되기 때문이다. 만일 입자의 크기가 너무 클 경우에는 제품의 표면에서 떨어지 기가 쉬우며 원하는 항균성을 얻기 위해서는 많은 양을 도포하여야 하므로 제품의 외관을 해칠 뿐만
그림 1. PET내의 나노실버 미립자의 분포사진.그림 2. 30℃에서 5일 보관후의 과일의 상태 변화; (A) 일반용기, (B) 150ppm의 은이 함유된 용기.
아니라 경제성도 떨어지게 되기 때문이다. 대분분 의 경화공정은 열처리 공정이 수반되어 열에 의해 나노실버 미립자가 표면에 강하게 고착되므로 반 영구적인 항균제품의 가공이 가능하다. 실제로 후 처리 코팅공정을 통하여 처리된 항균직물의 경우 20회 세탁후에도 99%이상의 우수한 항균력이 지 속됨이 검증되었다. [그림 3]에 나타낸 것은 침지 후 열처리된 울(wool)의 표면을 주사전자현미경 을 통하여 분석한 것으로서 직물의 표면에 나노실 버 미립자가 균일하게 잘 분산되어 있음을 보여주 고 있다.
기대 효과 및 향후 전망
(주)엔피텍은 한양대학교 공과대학 교수진을 중심으로 10여 년에 걸친 연구성과를 바탕으로 설 립된 기술지주회사로서 나노실버에 관한 한 자타 가 공인하는 기술력을 지니고 있다고 자부한다.
지난 수년간은 나노라는 용어자체에 대해 소비자 의 인식이 부족하여 제품화가 상당히 느리게 진전 되어 왔으나, 현재는 나노기술을 응용한 제품은
보편적이 되어 시장은 급속도로 확장될 것으로 판 단된다. 특히, 보다 나은 고품격의 삶을 누리고자 하는 사람들의 요구와도 부응하는 제품이므로 산 업의 전분야에 걸쳐 나노실버의 응용이 이루어질 수 있을 것으로 보인다. 인류에게 보다 건강한 삶 을 영위할 수 있는 소재를 개발하여 인류건강에 이바지하고자 하는 (주)엔피텍은 나노 실버 입자 의 대량 생산 기술을 바탕으로 제품에의 적용 기 술을 끊임없이 개발하여 항균 제품의 적용범위를 넓혀 나갈 것이며, 이와 아울러 항균 기능에 부가 하여 자외선 차단, 탈취, 대전방지 등 복합기능을 발현할 수 있는 신소재의 개발에 더욱 박차를 가 하여 매진할 것이다. 이러한 복합 나노소재 및 응 용기술의 개발은 전자산업, 촉매산업, 페인트산업, 화장품산업, 위생 산업 등 산업 전 분야로의 파급 효과가 클 것으로 기대된다. 앞으로 (주)엔피텍은 고부가가치성, 고기능성의 나노복합소재의 개발로 국내산업에 활력소의 역할을 할 것이며, 수출을 통 하여 외화를 벌어들임으로써 국가경제에 보탬이 되는 회사로 성장해 나갈 것을 다짐한다.
그림 3. 후가공 처리된 wool 표면의 상태 관찰; (A) wool 표면의 전체적인 image, (B) 그림(A)에 표시된 부분 의 확대 image.
