목재 기반 산업은 말레이시아 경제 성장의 주요 동력 중 하나입니다. 다양한 리그노셀룰로스 소재의 공급원인 산림에는 지속 가능하고 생분해 가능한 나노 소재로 개발될 수 있는 미개발 잠재력이 풍부합니다. 이러한 나노 소재는 목재 기반 산업 자체뿐만 아니라 다양한 응용 분야에서 흥미로운 특성을 보입니다. 또한 목재 기반 제품 부문은 이미 상용화된 다양한 나노 소재를 활용하여 기존 제품의 성능을 향상시키거나 산림 자원에서 새로운 고부가가치 제품을 창출할 수 있습니다. 본 리뷰는 목재 기반 제품 산업에서 나노기술 응용의 최근 발전을 조명합니다.
나노기술은 1~100nm 크기의 물질을 조작하는 기술로 정의됩니다. 과학과 기술을 결합한 다학제적 분야인 나노기술은 중요한 기능과 물리·화학적 특성을 가진 새롭고 개선된 소재 개발을 목표로 합니다. 이 크기의 물질은 더 큰 차원의 동일 물질과 비교해 독특한 특성을 나타내므로, 다양한 학문 분야에서 혁신적인 응용이 가능합니다.
나노기술은 기술 실현 수단일 뿐만 아니라 국가 경제 성장의 동력이 될 수도 있습니다. 말레이시아의 임산물 산업은 2019년 약 225억 링깃의 수출 가치를 기록했습니다. 말레이시아에서 수출되는 목재 제품에는 제재목, 단판, 합판, 몰딩 등이 포함됩니다. 말레이시아의 목재 기반 산업은 나노기술을 자국의 이점으로 충분히 활용할 기회를 가지고 있습니다. 특히 말레이시아에서 나노기술을 목재 기반 산업에 적용하려는 노력은 기존 목재 제품의 다변화와 고부가가치화를 위해 지원되고 주목받아야 하며, 이는 궁극적으로 이 분야의 경제 성장을 촉진할 것입니다.
문명이 오랜 세월 동안 산림에 의존해 왔다는 사실은 부정할 수 없습니다. 산림은 다양한 제품 개발과 활용을 위한 리그노셀룰로스 소재의 공급원이 되어 왔습니다. 실제로 목재 제품은 목재, 가구, 종이 및 기타 다양한 기능성 소재 형태로 오랫동안 사회에 존재해 왔습니다. 임업 분야, 특히 임산물 또는 목재 기반 제품에서의 나노기술 활용은 모든 관련 이해관계자들의 주목을 받을 만합니다. 나노기술 활용은 더 강하고 다기능적이면서 가벼운 목재 기반 제품을 탄생시킬 수 있습니다. 펄프·제지, 목재 복합재, 목재 코팅, 목재 방부제 등 전통적인 임산물은 새로운 고부가가치 제품으로 확장·전환되어 더 광범위하거나 첨단 응용 분야를 개척할 수 있습니다.
본 리뷰에서는 목재 기반 제품 산업에서의 나노기술 응용을 크게 두 가지 경로로 나눕니다:
임업 및 임산물 분야의 나노기술 응용에 관한 여러 리뷰 논문이 발표되었습니다. McCrank는 임업 분야 나노기술 응용의 전반적 개요를, Moon 등은 나노인덴테이션에 대해 더 자세히 다루었습니다. 저자들의 지식으로는 선정된 목재 기반 산업 부문을 다루는 출판물은 제한적입니다. 본 리뷰는 펄프·제지, 목재 복합재, 목재 코팅, 목재 내구성이라는 선정된 목재 기반 부문에서 나노기술 응용의 최근 진전을 조명합니다. 또한 차세대 셀룰로스인 나노셀룰로스의 목재 기반 제품 산업에서의 잠재적 응용을 에너지 및 센서 분야 등에서 강조합니다.
전 세계 종이 및 판지의 연간 생산량은 4억 톤을 넘습니다. 이는 디지털 시대에도 종이 제품의 지속적인 수요를 보여줍니다. 다만 수요 증가는 주로 다양한 포장 제품에 집중되어 있습니다. 이는 온라인 쇼핑으로의 소비자 선호 변화와 전자상거래의 성장이 집에서도 편하게 쇼핑하고 제품을 안전하게 배송받을 수 있는 환경을 조성했기 때문으로 보입니다.
종이는 1차 가공, 처리, 초지, 건조, 코팅 등 일련의 공정을 거친 리그노셀룰로스 소재로 만들어집니다. 초지 단계에서는 다양한 최종 제품에 맞게 펄프와 첨가제를 혼합·조정합니다. 나노기술은 펄프·제지 분야에서 나노 소재 또는 나노 첨가제 형태로 적용됩니다. 예를 들어, 산림 자원이나 리그노셀룰로스 소재에서 나노 크기의 빌딩 블록인 나노셀룰로스를 추출하여 보강재로 활용하면 독특한 기계적 강도, 기능성, 유연성을 부여할 수 있습니다. 이 차세대 셀룰로스는 세포벽 박리를 통해 나노피브릴을 얻거나 나노스케일에서 결정질 셀룰로스를 추출하여 생산됩니다. 나노셀룰로스는 주로 종이 강도 향상을 위해 초지에 첨가됩니다. 제지 공정에서 사용되는 다른 나노 소재로는 나노실리카, 나노제올라이트 등이 있습니다. 나노 소재나 나노 첨가제의 도입은 종이 제품의 성능 향상에 기여할 수 있습니다.
나노셀룰로스는 펄프·제지 분야에서 강도 첨가제로 광범위하게 연구되었습니다. 풍부함, 가용성, 생분해성, 저독성, 우수한 기계적·광학적 특성, 높은 표면적, 재생 가능성 등 흥미로운 특성 덕분에 큰 관심을 받고 있습니다. 나노셀룰로스는 목재 펄프, 비목재 식물, 목재 및 농업 잔재물, 박테리아 셀룰로스, 해초 등 모든 리그노셀룰로스 소재에서 분리·제조할 수 있는 나노스케일 크기의 셀룰로스입니다. 셀룰로스는 β-1,4 결합된 글루코스 단위가 선형으로 연결된 화합물로, 결정질과 비결정질 영역으로 구성됩니다. 셀룰로스 사슬에서 무기산을 사용해 비결정질 영역을 제거하면 나노결정질 셀룰로스가 분리되며, 고전단 기계적 작용으로 세포벽을 박리하면 셀룰로스 폭이 줄어들어 나노피브릴화 셀룰로스가 형성됩니다. 이 두 종류의 나노셀룰로스가 펄프·제지 분야에서 제품 향상을 위해 가장 많이 연구된 나노 소재입니다. 지난 10년간 다양한 식물 자원에서 나노피브릴화 셀룰로스(NFC)와 나노결정질 셀룰로스(NCC)를 제조하는 수많은 연구가 수행되었습니다.
나노셀룰로스는 우수한 차단 특성 덕분에 포장용 종이의 코팅 소재로도 사용될 수 있습니다. 나노셀룰로스를 코팅 요소로 사용하면 종이 제조 후 첨가하므로 탈수 문제가 발생하지 않습니다. 나노셀룰로스 적용 방법에는 분사, 바 코팅, 사이즈 프레스, 롤 코팅 등 다양한 접근법이 있습니다. 특히 나노피브릴화 셀룰로스 적용은 산소 차단성과 내유성을 높인다고 보고되었습니다. 한 예로, 로드 코터를 사용해 미표백지와 그리스프루프 종이의 공기 투과도를 각각 69,000에서 4.8, 660에서 0.2 nm Pa⁻¹로 감소시켰습니다. 또한 NFC와 셸락을 종이와 판지에 적용하면 공기 투과도, 산소 투과율, 수증기 투과율이 감소해 차단 포장재로의 잠재력을 보여주었습니다. 나아가 나노피브릴화 셀룰로스는 투명하고 유연한 독립형 박막 또는 나노페이퍼로 변환될 수 있으며, 이는 전자 응용 분야의 기판으로 활용될 수 있습니다.
보류제는 초지 공정에서 기능성 화학물질의 종이 내 보류를 개선하기 위해 첨가됩니다. 나노제올라이트와 나노 이산화티타늄 등 일부 나노 소재가 종이 제품에 테스트되었습니다. 나노제올라이트는 제지 산업에서 수분 흡착용 건조제로 사용되거나 특수지의 가스 배출 제거에 기능합니다. 나노제올라이트의 공극과 기공으로 이루어진 높은 표면적은 이러한 공정을 돕습니다. 나노 이산화티타늄을 종이에 첨가하면 대조군 대비 더 나은 동적 탄성 계수를 가진 종이를 만들 수 있습니다.
제지 산업에서 필러 사용은 주로 펄프보다 저렴한 필러로 비용을 절감하기 위함입니다. 강도 첨가제로 연구되는 것 외에도 나노셀룰로스는 필러로 사용될 수 있습니다. 나노피브릴화 셀룰로스 첨가는 목재 펄프 사용량을 줄이고 필러 사용량을 늘려 생산 비용을 절감합니다. 또한 생산된 종이는 낮은 기공률과 높은 불투명도 등 향상된 특성을 보입니다. 나노피브릴화 셀룰로스를 2~10% 필러로 첨가하면 강도가 50~90% 증가한다는 보고도 있습니다. 나노클레이는 가스 투과도를 줄여 종이의 유통기한을 연장하는 첨가제로 사용될 수 있으며, 이는 식음료 부패 방지에 중요한 포장 산업에서 필수적입니다.
사이징제는 종이의 물/액체 침투 저항성을 높여 인쇄 및 필기 용도에 적합하게 만들기 위해 첨가됩니다. 나노실리카 사용은 광학 특성 개선과 인쇄 비침 현상 30% 감소 효과가 있습니다. 나노실리카로 코팅된 종이는 무코팅 종이보다 더 나은 광학 밀도, 치수 안정성, 인쇄 품질을 보입니다.
목재는 생분해 가능하고 재생 가능한 소재로 인류에게 자연의 선물입니다. 그러나 목재 자체는 흰개미 공격 등으로 인해 섬세하고 비유연하며 내구성이 약한 단점이 있습니다. 목재 섬유를 이용해 목재 복합재를 생산하는 것도 밀도가 낮고, 열 안정성이 낮으며, 수분 흡수 경향이 높고, 생물학적 분해에 취약한 단점이 있습니다. 나노기술은 여러 과학 분야에서 활용되며, 목재와 목재 복합재를 포함한 많은 소재의 품질 개선에 사용될 수 있습니다.
나노스케일 셀룰로스를 모재에 보강재로 활용하는 원리는 많은 연구를 촉발했습니다. 나노셀룰로스를 첨가하면 나노복합재가 마이크로복합재로는 달성할 수 없는 탁월한 특성을 다양하게 나타냅니다. 이러한 나노셀룰로스 강화 복합재는 기존 복합재를 대체할 수 있습니다. NCC를 적절히 변형하면 뛰어난 특성을 가지거나 물리·화학적, 생물학적, 전자적 특성이 크게 개선된 다양한 기능성 나노 소재를 개발할 수 있습니다. 나노복합재의 특성은 모재 특성, 나노셀룰로스 특성, 모재 내 나노셀룰로스 분산도, 필러와 모재 간 계면 상호작용 등 몇 가지 요인에 좌우됩니다.
목재 복합재는 일반적으로 바인더로 결합된 목재 요소의 조합으로 이루어진 다양한 제품군을 말합니다. 목재 복합재의 장점은 다양한 두께, 등급, 크기에서 특정 품질이나 성능 요구사항에 맞게 설계할 수 있다는 점입니다. 때로는 일반 목재보다 더 큰 구조적 강도와 안정성을 나타내기도 합니다. 반면 단점으로는 제재목보다 더 많은 1차 에너지가 필요하고, 물 흡수와 습도 유발 휨에 취약해 실외 사용에 부적합하며, 접착제에서 독성 포름알데히드가 방출됩니다. 나노기술은 기존 제품에 대한 수요 증가와 새로운 응용 분야의 신제품 개발을 위해 목재 기반 복합재의 품질 개선에 활용될 수 있습니다.
산림은 목재와 비목재 임산물 생산에 주로 또는 부분적으로 이용됩니다. 비목재 임산물로는 대나무, 라탄, 땔감, 숯, 다마르, 야자 등이 있습니다. 고품질 목재에 대한 수요는 크지만 천연림에서의 목재 공급은 감소하고 있습니다. 이에 목재 대체재로 비목재 자원 탐색이 가속화되고 있습니다. 빠른 성장 특성 덕분에 대나무는 가장 중요한 비목재 임산물 중 하나로 개발되었습니다. 목재는 셀룰로스, 리그닌, 헤미셀룰로스로 이루어진 자연적인 생물학적 자기조립 고분자 구조로, 수세기 동안 건축 자재 등 다용도로 사용되어 왔습니다. 그러나 목재는 자외선, 수분, 화학 오염물질, 온도 변화 등 환경 요인에 의한 광산화, 화학적 산화, 열분해, 광분해 반응 등 강한 산화적 분해 과정을 겪습니다. 대나무 같은 비목재 소재도 단백질, 탄수화물, 영양분이 풍부한 천연 유기물로 곰팡이, 좀, 부패에 취약합니다. 따라서 목재와 비목재 제품의 최종 제품은 보호와 심미성 향상을 위한 코팅제, 화재와 생물학적 요인(곰팡이, 곤충)으로부터 보호하기 위한 방부제 등의 첨가제를 통상적으로 포함합니다.
나노코팅은 나노입자와 나노 전달 시스템을 이용해 제품의 분자 수준에서 변화를 줌으로써 목재와 비목재 제품의 내구성을 개선할 수 있습니다. 코팅의 목적 중 하나는 곰팡이, 세균 등 미생물 증식을 방지하는 것입니다. 산화아연(ZnO), 이산화티타늄, 산화세륨(CeO₂) 등의 금속 산화물 나노입자가 강력한 항균 특성을 보인다고 보고되었습니다. 나노입자를 목재 표면에 직접 증착하거나 목재 표면을 나노입자로 직접 기능화하는 연구가 수행되었습니다. ZnO 나노입자는 솔-젤법으로 제조된 ZnO 시드 층을 기반으로 한 저온 습식 화학법으로 대나무 표면에 성공적으로 제조되었습니다. 처리된 대나무는 Aspergillus niger와 Penicillium citrinum에 대한 저항성이 향상되었으나 Trichoderma viride에 대해서는 낮은 저항성을 보였습니다. 그래핀도 세균 증식 억제 능력이 탁월합니다. 환원된 산화그래핀과 나노 ZnO를 2단계 침적-건조 및 수열 공정으로 대나무 기반 옥외 소재에 코팅하면 곰팡이 저항성과 항균 활성이 향상됩니다. 마찬가지로 수열 공정으로 제조된 나노구조 ZnO도 목재 표면을 생물 열화로부터 효과적으로 보호합니다.
목재는 세포벽 구성 고분자의 친수성과 모세관 다공성 구조로 인해 물이나 수분에 취약합니다. 목재와 물의 상호작용은 목재 생물 분해, 치수 불안정, 가속화된 풍화를 초래합니다. 기존 화학적 변형을 통해 목재의 소수성을 개선하지만, 물의 목재 침투를 완전히 차단하지는 못합니다. 또한 처리 공정의 화학물질이 유해할 수 있습니다. 따라서 나노기술은 목재 변형과 기능화를 위한 대안적 접근법으로 사용됩니다. 나노입자를 고분자 코팅에 도입해 목재 표면의 흡수율을 개선합니다. 나노입자를 코팅에 통합하는 두 가지 접근법, 즉 용액 혼합과 인시추(in situ) 첨가법이 활용됩니다. 용액 혼합법은 용매와 고분자를 결합한 후 목재 표면에 분산시키는 방식으로, 딥핑, 브러싱, 스프레이 등으로 적용할 수 있습니다. Wu 등은 ZnO 나노입자와 스테아르산으로 개질한 수성 UV 래커(WUV)를 사용해 포플러 목재 표면에 접촉각 158.4°의 초소수성 코팅을 구축했습니다. WUV 대비 아연 스테아레이트/수성 UV 래커 초소수성 코팅(ZnSt₂/WUV)의 내수성이 더 강해 환경친화적이고 쉽게 초소수성 코팅을 제조할 수 있었습니다. 흥미롭게도 TiO₂ 나노입자를 첨가한 수성 바니시를 9개 열대 수종 마감 평가에 사용한 결과, TiO₂ 나노입자 첨가가 흡수율 값을 감소시켰고, 1년간 풍화 노출 후 무첨가 바니시 필름은 완전히 분해된 반면 개질 바니시 필름은 견뎠습니다. 다른 초소수성 목재 코팅 예로는 리그닌 코팅 나노결정질 셀룰로스(L-NCC)/폴리비닐알코올(PVA) 복합 도료 시스템, UV 경화 메타크릴-실록산-셀룰로스 복합 코팅, Fe³⁺ 도핑 SiO₂/TiO₂ 복합 필름, 폴리디메틸실록산(PDMS)/실리카 하이브리드 코팅 시스템 등이 성공적으로 제조되었습니다.
무기 입자를 유기 고분자에 통합하는 것은 목재 코팅의 기계적 특성 향상에 흔히 사용됩니다. 필러로서 무기 소재의 강성과 경도는 고분자의 가공성과 효과적으로 결합됩니다. 그러나 미크론 크기의 무기 입자는 소재 유연성을 감소시키고 코팅 시스템의 투명도를 낮추는 단점이 있습니다. 나노 크기의 무기 입자를 활용하면 표면적과 계면적 비율이 증가해 원료 특성에 영향을 미칩니다. 최근 연구에서는 나노셀룰로스를 재생 가능한 보강재로 활용해 성능이 개선된 바이오 기반 나노복합 코팅 시스템을 개발했습니다. 나노셀룰로스는 고분자 매트릭스와의 비호환성 문제로 표면 개질되었습니다. TEMPO 산화 셀룰로스 나노섬유 첨가는 WPU 코팅의 기계적 특성을 개선했습니다. 비극성 고분자 매트릭스의 경우 나노결정질 셀룰로스를 아크로일 클로라이드나 양이온 계면활성제 두 가지 방법으로 개질했습니다. NCC 함량을 2%까지 늘리면 경도, 탄성 계수, 인장 강도가 증가했습니다.
목재의 광분해는 태양광 노출 직후 시작되며, 색상 변화와 목재 표면의 점진적 침식이 발생합니다. 자외선은 목재 고분자 구조 성분(리그닌, 셀룰로스, 헤미셀룰로스)을 광화학적으로 분해할 수 있습니다. 광분해 공정은 통상적으로 목재와 목재 기반 소재의 내수성 저하를 초래해 실외 노출 조건에서 추가 생물 분해를 유발합니다. 태양광 자외선 성분에 의한 물질의 심각한 손상은 광안정화 기술, 표면 코팅, 자외선에 더 강한 소재로의 대체로 방지할 수 있습니다. 나노입자는 용제형, 수성, UV 코팅의 자외선 저항성 개선에 활용되어 목재 표면을 보호할 수 있습니다. 기능성 코팅을 가진 나노입자는 표면 투명도에 영향을 주지 않으면서 자외선 차단 특성을 달성해 높은 수준의 자외선 보호 기능을 제공합니다. 나노입자의 작은 크기는 큰 표면적-부피 비율 덕분에 천연 소재 대비 자외선 차단 효과를 크게 높입니다.
목재와 비목재 제품의 인화성은 활용을 제한하며, 화재 안전은 다양한 응용 분야에서 주요 관심사입니다. 목재와 비목재를 안전하게 사용하기 위해 내재된 결함을 극복하려면 난연 특성을 진지하게 고려해야 합니다. 나노입자는 최근 난연 특성 개선을 위한 나노복합재 제조에 사용되고 있습니다. 나노입자를 단독으로 또는 기존 난연제와 결합해 사용하면 목재의 착화성을 낮춥니다. 나노 소재의 나노 크기와 높은 표면적은 기존 화합물보다 낮은 농도에서도 더 효과적이며, 이는 산업적·경제적으로 엄청난 이점입니다. 표면 개질은 나노입자의 더 나은 호환성과 균일한 분산을 위해 필요합니다. TiO₂ 코팅 목재는 무코팅 시편 대비 목재 인화성과 화염 확산을 줄이는 능력이 있는 것으로 나타났습니다. ZnO-TiO₂ 이중 나노구조가 대나무 기판에 합성되었습니다. 산소 지수가 25.6%에서 30.2%로 증가해 난연 특성이 크게 향상됨을 보여주었습니다. 층상 이중 수산화물은 분해 과정에서 많은 열을 흡수하고, 가연성 가스 농도를 희석하며, 유해 산성 가스를 흡수하므로 우수한 난연제입니다. Yao 등은 나노 마그네슘-알루미늄 층상 이중 수산화물(Mg-Al LDH)을 일괄 공정으로 대나무에 적용해 총 방출 열량과 총 연기 발생량을 각각 33.3%, 88.9% 감소시켰습니다. Wang 등은 나노 아연-알루미늄 층상 이중 수산화물(Zn-Al LDH) 나노구조를 목재에 도입해 최대 방출 열량(PHRR)과 총 연기 발생량을 각각 55%, 47% 감소시켰습니다. 그래핀 같은 나노구조 탄소 소재도 목재와 목재 복합재의 표면 방화를 위한 효과적인 난연제로 큰 잠재력을 보였습니다.
목재는 건설, 가구, 미술품 등 다양한 분야에서 활용되는 다재다능한 소재입니다. 높은 강도-중량 비, 친환경성, 심미적 외관, 생분해성 덕분에 건설 자재로 쓰입니다. 불행히도 목재는 특히 부후균과 곤충의 생물학적 공격에 매우 민감합니다. 자외선, 화재, 수분에도 영향을 받습니다. 수분은 목재 휨, 균열, 치수 불안정을 유발합니다. 목재 열화는 미관상 및 내부 구조적 손상을 초래하며, 매년 막대한 손실을 야기합니다. 또한 목재 구조물에 부후균이 증식하면 장기간 실내 노출 시 알레르기, 호흡기 증상, 천식 등 인체 건강 문제를 유발할 수 있습니다. 따라서 목재 관련 문제를 단순히 간과할 수 없습니다. 화학 방부제를 이용한 목재 보존은 목재 보호와 수명 연장의 효과적인 방법입니다.
살충제를 폴리머 나노캐리어에 캡슐화하는 것은 목재에 살충제 함침을 개선하는 유망한 나노기술 기법 중 하나입니다. 이 기술은 난용성 살충제의 수용성을 높이고 살충제를 느리게 방출하도록 설계되었습니다. 캡슐화는 저용해도 살충제를 고체 폴리머 나노입자에 쉽게 분산시키며, 폴리머를 물에 현탁해 통상적인 수성 처리 공정으로 목재에 적용할 수 있게 합니다. 캡슐화는 친수성 유효 성분이 과도하게 용출되는 것도 방지합니다. 캡슐의 직경이 작아 목재 세포벽에 쉽게 혼입·침투할 수 있어, 처리 목재의 생물 분해 인자에 대한 내구성을 향상시킵니다. 이 기술은 살충제를 안전하게 전달할 뿐만 아니라 살충제 수명을 연장해 목재에 대한 보호 기간을 늘려줍니다.
금속 나노입자는 수십 년 전부터 목재를 생물 분해 인자와 풍화로부터 보호하는 데 사용되었습니다. 나노입자는 크기가 작아 높은 비표면적, 균일한 크기 분포, 좋은 안정성 등 벌크 형태보다 우수한 특성을 가집니다. 매우 작은 크기 덕분에 나노입자는 목재 기공 깊숙이 균일하게 침투해 목재를 보호합니다. 또한 크기와 계면활성제 첨가로 분산 안정성이 향상됩니다. 분산 안정성과 작은 입자 크기는 다음 측면을 크게 개선할 수 있습니다: (1) 방부제 침투, (2) 목재 처리성, (3) 마감 및 코팅 제품 안정성, (4) 저점도, (5) 비용출성. 또한 바인더와의 호환성을 높여 목재 고분자와의 친화력을 증가시킬 수 있습니다.
에너지는 경제 성장 및 발전과 강한 상관관계를 가지는 중요한 자원입니다. 현재 주요 에너지원은 화석 연료와 수력 발전으로, 기후 변화, 지구 온난화, 오존층 파괴, 오염, 온실가스 배출, 생태계 파괴 등 환경에 매우 해롭습니다. 전 세계 이산화탄소(CO₂) 배출량의 약 80%가 에너지 부문에서 나옵니다. 기술 발전은 CO₂ 배출 감소와 지구 온난화의 생명·건강 영향 극복을 위해 지속 가능하고 재생 가능한 에너지 자원 개발에 필요합니다.
태양 에너지는 전 세계 다양한 지역에서 이용 가능하며, 태양으로부터 연간 15,000배 더 많은 에너지를 포집할 수 있습니다. 이 에너지원은 광전지(PV) 기술, 태양열 시스템, 인공 광합성, 패시브 태양 기술, 바이오매스 기술 등 다양한 방식으로 전기, 증기, 바이오연료 생산에 사용될 수 있습니다. 미래에는 나노기술이 에너지 생산, 저장, 수송을 위한 효과적이고 저비용 시스템 개발에 기여할 수 있습니다. 현재 광전지(PV) 시장은 실리콘 웨이퍼 기반 태양전지(1세대)와 반도체 박막(2세대) 기반입니다. 태양전지의 현재 단점은 주로 기존 PV 셀의 높은 제조 비용과 낮은 에너지 흡수 효율(40% 미만)입니다.
전도성 소재는 전기 흐름을 허용해 에너지 소자 제작에 필요합니다. 전도성 고분자, 전도성 탄소 소재(탄소나노튜브, 그래핀, 카본블랙 등), 다양한 전도도의 금속 입자 등 여러 유형의 전도성 소재가 있습니다. 이러한 전도성 소재는 나노셀룰로스와 결합해 새로운 복합재를 형성할 수 있습니다. 나노셀룰로스 기반 전도성 하이브리드 제조 공정에는 두 가지 주요 전략이 있습니다: 하나는 나노셀룰로스 기판 표면에 전도성 소재 층을 코팅하는 것이고, 다른 하나는 전도성 소재를 나노셀룰로스 기판 내부에 혼합해 복합재를 만드는 것입니다.
나노셀룰로스의 에너지 저장 응용 잠재력은 최근 큰 주목을 받고 있습니다. 나노스케일 크기, 높은 표면적-부피 비율, 풍부한 하이드록실기로 인해 표면 화학이 복합재 가공에 쉽게 변형 가능하기 때문입니다. 에너지 저장에서 가장 중요한 측면은 전도성과 유연성을 가진 나노셀룰로스 개발입니다. 폴리아닐린, 폴리피롤 같은 전도성 고분자 첨가로 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 나노셀룰로스/폴리아닐린 복합 필름은 종이 기반 센서, 유연한 전극, 전도성 접착제로 널리 사용됩니다.
스마트폰, 전기차, 노트북, 그리드 에너지 저장 등 유연한 휴대용 전자기기 수요 증가로 충전식 리튬이온 배터리(LIBs)와 슈퍼커패시터 수요가 늘고 있습니다. LIBs는 높은 에너지 밀도, 적당한 전력 밀도, 사이클 안정성 덕분에 전자기기에 이상적인 에너지 저장 후보입니다. LIBs에서 전해질은 양극과 음극 간 리튬이온(Li⁺) 이동에 중요합니다. 유기 액체 전해질이 LIBs 시스템에 사용되지만, 높은 독성과 인화성으로 심각한 안전 우려가 있습니다. 고체 전해질은 낮은 인화성과 독성으로 뚜렷한 장점을 보여 관심을 끌고 있습니다.
슈퍼커패시터(전기화학 이중층 커패시터 또는 울트라커패시터)는 전 세계 연구자들의 주목을 받는 또 다른 다용도 에너지 저장 시스템입니다. 높은 전력 밀도, 긴 수명 주기, 단순한 원리, 낮은 유지보수, 휴대성, 안정적 성능, 빠른 충방전 속도 덕분에 배터리와 기존 커패시터 사이의 간극을 메울 수 있습니다. 이러한 특성은 증가하는 전력 수요를 충족하는 유망한 접근법을 제공합니다.
나노셀룰로스 기반 종이는 전자 및 광전자 소자에 사용할 수 있는 친환경 기판입니다. 현재 상용 종이는 표면이 거칠고 기계적 특성이 약해 전자 소자 제작에 문제가 될 수 있습니다. 대부분의 전자 소자 제작은 플라스틱, 유리, 실리콘 등 비생분해성, 비재활용성 구성요소를 기판으로 사용합니다. NFC를 단순 여과법으로 나노셀룰로스 기반 종이로 만들면 기계적으로 강하고 열팽창 계수가 낮은 종이를 상용 종이 대체재로 생산할 수 있습니다. 투명한 나노셀룰로스 기반 종이는 전기변색, 터치 센서, 태양전지, 트랜지스터, 유기 발광 다이오드(OLED), 그라비어 프린팅 프루퍼, 무선 주파수 식별(RFID) 등에 설계·적용되었습니다.
나노셀룰로스는 새로운 센서 개발과 센서 감도 향상에 널리 사용되었습니다. 식품 산업에서 센서는 식품 오염물질로 인한 건강 위험과 위험으로부터 인간을 보호하는 중요한 도구가 되었습니다. 센서는 곰팡이 독소, 병원체, 중금속, 살충제, 금속 이온 등을 식품에서 신속히 식별하는 데 도움을 줍니다. 또한 고가의 장비와 숙련된 인력이 필요하고 복잡하고 노동집약적이며 시간이 많이 소요되는 기존 공정을 극복할 수 있습니다. 센서는 빠르고 민감한 식품 안전 검출을 제공합니다.
Kim 등은 칸디다 리포사 리파아제 효소를 다양한 셀룰로스 나노결정에 고정화했습니다. 나노셀룰로스에 흡착된 칸디다 리포사 리파아제가 마이크로셀룰로스 대비 상대적으로 높았는데, 이는 나노셀룰로스의 높은 표면적과 나노셀룰로스 음이온기와 효소 간 이온 상호작용 증가와 관련됩니다. 이 연구에서 나노셀룰로스에 고정된 칸디다 리포사 리파아제의 반감기가 자유 형태 대비 27배 증가했으며, 효소 안정성도 향상되었습니다.
나노셀룰로스 하이드로겔 구조는 황과 질소가 공동 도핑된 그래핀 양자점을 고정화해 라카아제 효소 검출용 저비용 센서로 활용되었습니다. 라카아제는 다구리 산화효소 효소군으로, 여러 방향족 화합물과 지방족 아민의 단일 전자 산화에 관여합니다. 따라서 탈색 및 착색 제품에 사용되며, 상업 제품의 라카아제 활성 모니터링은 큰 관심사입니다. 이 연구에서 황과 질소 공동 도핑 그래핀 양자점이 정전기적 상호작용을 통해 자기 조직화됨을 발견했습니다.
Burrs 등은 병원성 세균 검출용 포도당 기반 전기화학 바이오센서를 시연했습니다. 전기화학 센서 개발용 전도성 종이는 그래핀-나노셀룰로스 복합재로 제조되었습니다. 백금은 펄스 소노전기도금법으로 그래핀-셀룰로스 복합재에 전기도금되었습니다. 그런 다음 키토산 하이드로겔에 포집된 포도당 산화효소(GOx)로 나노백금을 기능화해 전도성 종이 위에 센서를 제작했습니다. 이 센서는 포도당 또는 병원성 세균에 대한 낮은 검출 한계로 전기화학 바이오센싱에 극도로 효율적임이 입증되었습니다.
나노 소재가 다양한 산업 분야에 많은 잠재력을 제공하지만, 인체와 환경에 대한 잠재적 위험도 간과할 수 없습니다. 안전성 또는 독성 문제는 다양한 각도에서 완전한 연구를 통해 해결해야 합니다. 나노독성학은 산화적 스트레스, 유전독성, 생태독성 등으로 분류할 수 있습니다. 인체에서는 흡입, 경구, 경피 경로로 독성이 발생할 수 있습니다. 나노 소재는 주로 추출·생산, 취급, 사용, 폐기 단계에서 인체에 영향을 미칩니다. 산화아연(ZnO), 산화니켈(NiO) 등 무기 나노입자는 나노셀룰로스 같은 유기 나노 소재보다 독성이 더 강한 것으로 여겨집니다. 소화된 유기 나노입자는 위산에 의한 소화 부산물이 단순 당류이므로 독성을 유발할 가능성이 낮습니다. 다만 나노셀룰로스의 경우 인간 장내에 셀룰로스를 분해하는 효소가 부족해 셀룰로스가 장을 비교적 빠르게 통과합니다. Ong 등이 수행한 90일 아만성 독성 시험에서 4% 식이 나노피브릴화 셀룰로스 섭취로 인한 전신 독성은 관찰되지 않았습니다. 같은 연구에서 30% 고농도 나노피브릴화 셀룰로스를 72주간 투여해도 부작용은 없었습니다. 공기 중 나노입자도 인체 건강에 유해할 수 있습니다. 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)는 독성 효과 연구가 가장 많이 된 나노입자 중 하나입니다. Poulsen 등은 두껍고 긴 MWCNT뿐만 아니라 얇고 짧은 MWCNT도 유전독성 가능성과 지속적인 염증을 유발하며 심혈관 질환으로 이어질 수 있음을 발견했습니다. 반면 알비노 랫트를 대상으로 한 NCC 흡입 독성 연구에서는 4시간 동안 최대 농도 0.26 mg/L에서 바람직하지 않은 효과가 관찰되지 않았습니다. 세포 수준에서 다양한 세포 유형에 대한 NCC 세포독성 연구가 수행되었으며, 대부분 0.25 mg/L 이하 농도에서 포유류 세포에 무독성이나 0.5 mg/L 이상에서 세포독성 효과를 나타낼 수 있다고 결론지었습니다.
목재 기반 제품 분야에서 나노기술의 잠재력은 엄청납니다. 나노기술은 지역적·글로벌하게 목재 기반 제품 산업의 지형을 바꿀 기회를 제공합니다. 산림은 산림 플랜테이션을 통해 차세대 셀룰로스인 나노셀룰로스 창조를 위한 지속 가능한 공급원이 될 수 있으며, 이는 다양한 산업 분야에서 무수한 응용을 제공할 수 있습니다. 또한 나노셀룰로스는 탄소 기반 소재(탄소나노튜브, 그래핀)보다 저렴하고 환경친화적이며, 수많은 제품의 재활용성과 성능을 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 나노셀룰로스는 종이 성능을 개선하고 제지 공정에서 펄프 사용을 줄여 비용 절감을 가져옵니다. 나노셀룰로스는 나노페이퍼나 박막으로 만들어 종이 포장재나 전자 분야 등 비재생 플라스틱 대체재로 활용될 수 있습니다. 나노셀룰로스를 목재 복합재에 사용하면 특정 용도에 맞게 맞춤형으로 제작 가능한 첨단 복합재 개발로 이어질 수 있습니다. 강도 특성과 경제성 덕분에 제재목 수요를 줄이는 실행 가능한 솔루션이 됩니다. 목재 기반 제품 외 산업 분야도 나노셀룰로스 활용으로 혜택을 볼 수 있습니다. 에너지 소자와 센서 분야에서 다양한 나노셀룰로스 기반 제품이 실험실 규모로 개발되었습니다. 이러한 흥미로운 발전을 고려해 말레이시아는 다양한 열대 리그노셀룰로스 소재로부터 나노셀룰로스 생산에 착수했습니다. 불행히도 말레이시아에서 나노셀룰로스의 상업적 규모 응용은 아직 없습니다. 따라서 이해관계자, 산업계, 연구자 등 다양한 주체의 집단적이고 집중적이며 집중적인 노력이 필요하며, 나노셀룰로스 활용을 촉진하고 나노셀룰로스가 다음 단계의 응용과 상용화 단계에 진입할 수 있도록 해야 합니다. 나노셀룰로스 외 나노 크기 소재의 활용은 이미 펄프·제지, 목재 복합재, 목재 코팅, 목재 방부제 등 목재 기반 제품 분야에 혜택과 이점을 주었습니다.
나노물질
매일 사용하는 물건들이 어디서 오는지 궁금했던 적이 있으신가요? 산업이 이 모든 것을 어떻게 제조하는지 생각하면 흥미롭습니다. 이 모든 제품은 제조업이 여러분에게 선사한 것입니다. 제조란 자재나 부품을 시장에서 판매할 수 있는 완제품으로 변환하는 과정입니다. 매장이나 온라인에서 구매하는 모든 물리적 제품은 어딘가에서 제조됩니다. 해시마이크로(HashMicro)와 함께 제조업의 다양한 측면을 더 자세히 알아보세요. 비즈니스 프로세스뿐만 아니라 산업의 기여도와 분류까지 다룹니다. 제조업이란? 제조업은 자재나 물질을 새로운 제품으로 변
향료 산업은 향 연구·개발·제품 적용에 관여하는 폭넓은 기업군을 아우르는 분야입니다. 흔히 향수 산업과 동일시되지만, 실제론 향수·콜로니·애프터셰이브 등 개인 향수 제품을 넘어 세제, 세정제, 식품까지 광범위한 제품에 향을 개발·접목합니다. 가장 눈에 띄는 부문: 향수 비즈니스 향수 사업이 가장 잘 알려진 부문입니다. 개인용 다양한 향을 생산 판매합니다. 향수·콜로니 외에 바디 파우더, 향 비누, 바디워시, 헤어케어 등 동일 향 계열 부가 제품도 만듭니다. 이런 퍼스널케어 제품은 대부분 국가에서 일상 위생용품으로 쓰입니다. 화학 원
