고분자 소재 진화 추적: 19세기 선구적 혁신 (2부)

19세기 중반, 소재 세계는 변혁적 돌파구들의 물결을 경험했습니다. 단일 연도인 1846년에 구타페르카(gutta-percha)가 전신선 절연체로 적용되고, 빅토리아 여왕 마차용 고무 타이어가 제작되고, 알렉산더 파크스(Alexander Parkes)가 상온 가황 기술을 개량했으며, 크리스티안 프리드리히 쇤바인(Christian Friedrich Schönbein)의 우발적 실험이 훗날 건면(guncotton)이 될 폭발물 개발을 촉발했습니다.

바젤 대학 화학 교수 쇤바인은 오존을 발견하고 질산-황산 혼합물의 산화력을 인지했습니다. 부엌에서 이 용액을 증류하던 중 면 앞치마에 쏟아져 즉각 발화했습니다. 그 결과 생성된 질화 셀룰로오스(일명 건면)는 유럽과 러시아에서 짧지만 치열한 군비 경쟁을 촉발했고, 특허 출원과 역설계 시도가 난무했습니다. 소재의 극단적 휘발성으로 장관적 사고가 잇따라 결국 금지와 실험 쇠퇴로 이어졌습니다.

이 와중에 연구자들이 셀룰로오스 질산염을 에테르와 알코올 혼합물에 용해하면 콜로디온(collodion)이란 물질이 생성됨을 발견했습니다. 건조 시 콜로디온은 바니시, 방수 코팅, 성형 가능 고체로 기능할 수 있는 강하고 투명한 필름이 됩니다. 고무와 구타페르카와 유사한 특성을 더 저렴한 비용으로 약속했습니다.

냉간 가황을 개척한 알렉산더 파크스가 1856년 이 성형 가능 소재를 파크신(Parkesine)으로 특허 출원했습니다. 1862년 런던 만국박람회에서 데뷔해 동메달을 획득했습니다. 파크신은 당구공 등 다양한 제품을 선보였으나 상업적 생존력은 부족했습니다. 콜로디온 생산에 필요한 고가 용매, 파크스의 저급 면 폐기물 사용, 과도한 피마자유 가소제 사용으로 치수 안정성 부족과 심한 로트간 변동성이 발생했습니다.

동시대 당구 챔피언 마이클 펠란(Michael Phelan)이 상아 대체 소재에 1만 달러 상금을 걸었습니다. 이 도전에 흥미를 느낀 프린터 존 웨슬리 하얏(John Wesley Hyatt)은 천, 목재, 종이 복합소재를 셸락, 상아, 뼈 가루로 코팅해 실험했습니다. 1865년 특허로 모조 상아공을 만들었으나 불만족스러워 1868년 고열·고압 공정의 종이-목재 펄프 혼합물 특허를 냈습니다.

하얏트는 상처 치료와 인쇄 산업에 쓰이던 콜로디온에 익숙했습니다. 쏟아진 콜로디온 병이 단단한 필름을 남긴 것에서 영감받아 당구공 코팅에 적용했습니다. 반복적 개선으로 콜로디온 점도를 높여 1869년 열과 압력으로 나무 코어를 감쌀 수 있는 컴파운드를 만들었습니다. 이 돌파구로 개선된 당구공 특허를 획득했으며, 나중에 셀룰로이드(celluloid)로 알려지게 됩니다.

셀룰로이드는 당구공 상업 생산에 쓰이지 않았고 펠란의 상금도 받지 못했지만, 하얏트의 연구는 미래 발전의 무대를 마련했습니다. 파크스 특허를 재검토하며 캄포(camphor)가 단독 가소제로 사용될 때 콜로디온을 완전히 성형 가능하게 만들 수 있음을 발견했습니다. 이 통찰로 파크스의 콜로디온을 캄포 함량 조절로 물성 튜닝이 가능한 다용도 소재 셀룰로이드로 변환했습니다.

비슷한 발전이 영국에서도 일어났습니다. 파크스 파트너 다니엘 스필(Daniel Spill)이 파크스 실패한 사업을 인수해 자일로나이트(Xylonite)란 이름으로 캄포 기반 소재를 명명했습니다. 이어진 특허 분쟁은 1877~1884년 이어지며 최종적으로 파크스를 원발명자로 인정하고 셀룰로이드 제품 지속 제조를 허용했습니다.

다음 칼럼에서는 셀룰로이드 응용 확대와 현대 제조를 형성할 새로운 플라스틱 가공 기술 탄생을 추적하겠습니다.

저자 소개: 마이크 세페(Mike Sepe)는 애리조나주 세도나 소재 독립 글로벌 소재 및 가공 컨설턴트입니다. 40년 이상 플라스틱 산업 경력으로 소재 선정, 제조 용이성 설계, 공정 최적화, 문제 해결, 파손 분석 자문합니다. 연락처: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com.