초록 ▼

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
○ 나노셀룰로오스에 기능성을 부여하는 기술과 나노셀룰로오스를 그 자체 또는 개질 처리하여 종이의 내첨 및/또는 표면에 적용하는 공정 기술을 개발하고, 내구성과 내오염성이 향상된 차별화된 특수지 제조를 목표로 함.

○ 친환경 소재인 나노셀룰로오스를 이용한 보안용 특수지 제조 핵심 기술을 확보하고, 내구성이 차별화된 종이 제품 제조를 통해 국제 경쟁력을 갖추고자 함.

○ 최종 인장강도 비율을 현재 대비 1.23(8.0kN/m) 이상, 내절도(Schopper) 2,500

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
○ 나노셀룰로오스에 기능성을 부여하는 기술과 나노셀룰로오스를 그 자체 또는 개질 처리하여 종이의 내첨 및/또는 표면에 적용하는 공정 기술을 개발하고, 내구성과 내오염성이 향상된 차별화된 특수지 제조를 목표로 함.

○ 친환경 소재인 나노셀룰로오스를 이용한 보안용 특수지 제조 핵심 기술을 확보하고, 내구성이 차별화된 종이 제품 제조를 통해 국제 경쟁력을 갖추고자 함.

○ 최종 인장강도 비율을 현재 대비 1.23(8.0kN/m) 이상, 내절도(Schopper) 2,500회 이상, 건식 내오염성 4등급 이상의 고강도 내오염성 용지 시제품 1건을 제조하고자 함.

□ 개발내용 및 결과
1. 1차년도

가. 내첨용 나노셀룰로오스의 제조 조건 확립
내첨용 나노셀룰로오스 제조 시 침엽수 표백크라프트 펄프(SwBKP)보다는 활엽수 표백크라프트 펄프(HwBKP)나 면펄프를 활용하는 것이 바람직하였음. 이는 섬유의 크기가 나노수준이 될수록 탈수성이 저하되기 때문에 지료의 탈수성과 종이 강도를 고려하면 마이크로섬유와 나노섬유 경계수준으로 내첨용 나노셀룰로오스를 제조하는 것이 바람직할 것으로 판단됨.

나. 나노셀룰로오스의 표면처리 적용 조건 확립
셀룰로오스 나노피브릴(CNF)를 이용하여 함침이나 표면도포에 적용하였을 때 인장지수와 내절도 향상에 긍정적인 영향을 보였음. 그러나 함침공정 적용 시 내오염성은 미흡한 결과를 보였는데, 이는 픽업량이 적고, 지필 내부로 침투하는 것이 제한되기 때문으로 판단되었음. 반면 표면 도포의 경우 적절한 투입비 범위 내에서는 기계적 물성 뿐 아니라 내구성이 향상된 결과를 보임. 따라서 기계적 물성은 함침 공정이, 내구성 측면에서는 함침보다 표면도포 공정이 더 효과적인 것으로 판단됨.

다. 파일럿 규모의 표면처리 장치 구축
나노셀룰로오스의 제지공정 적용성을 평가함에 있어 현장규모 이전의 평가를 위하여 연속식 표면처리 장치의 구축을 완료하였음.

2. 2차년도

가. 나노셀룰로오스 내첨용지 물성평가 및 표면개질 조건 확립
내첨용 나노셀룰로오스 5% 첨가시 인장강도 8.5%, 내절도 75.5% 향상(Lab.)되었고, 양이온성 고분자를 이용한 나노셀룰로오스의 표면개질 결과, 강도 향상에 있어 양이온성 폴리아크릴아미드(C-PAM)가 가장 효과적이었음.

나. 나노셀룰로오스의 소수화 처리 가능성 확인
실란화 처리된 나노셀룰로오스(자체 접촉각 100°이상)를 함침공정에 적용하면 용지를 소수화시켜 표면 접촉각이 88°수준까지 상승하여 소수화에 의한 가능성을 확인하였음.

다. 나노셀룰로오스의 표면처리 공정 적용조건 확립
나노셀룰로오스를 Polyamideamine-epichlorohydrin(이하 PAE) 수지와 함께 함침공정에 적용한 경우, 1차년도보다 내오염성 성능이 향상되기는 하였으나, 습식/건식 내오염성 및 구김처리후 투기도가 목표대비 미흡하였음. 그러나 나노셀룰로오스를 표면코팅 공정 적용한 경우 건식 내오염성을 제외한 모든 목표항목을 충족시킬 수 있었음.

3. 3차년도

가. 내첨용 나노셀룰로오스의 표면개질 조건 확립
내첨용 나노셀룰로오스의 강도 및 탈수성 상관관계 분석을 통하여 나노셀룰로오스의 종류 및 표면개질 최적 조건을 도출하였고, 파일럿 초지공정에 적용했을 때 물성 향상에 매우 우수한 효과를 나타냈음. CM-CNF를 적용한 현장평가 결과에서도 효과를 확인하였음.

나. 나노셀룰로오스와 표면처리제 활용 조건 확립
다양한 종류의 나노셀룰로오스와 폴리우레탄의 표면처리가 내구성에 미치는 영향을 살펴보았음. 그 결과 나노셀룰로오스에 의한 내오염성 향상을 위해서는 소수화 처리보다 폴리우레탄과 나노셀룰로오스 간의 가교를 향상시키는 것이 효과적이었음. 강도 및 내오염성 향상에 가장 우수한 나노셀룰로오스는 TOCN (TEMPO-oxidized cellulose nanofiber)이었고, 폴리우레탄 중에서는 폴리카보네이계가 나노셀룰로오스와 혼합하여 표면처리 했을 때 가장 우수한 특성을 보였음.

다. 나노셀룰로오스의 파일럿 규모 이상의 표면처리 조건 확립
1) 나노셀룰로오스를 파일럿 표면처리 공정의 사이즈프레스에 CNF 및 cellulose nanocrystal(이하 CNC) 단독으로 적용했을 때 one bath(사이즈프레스 미적용) 공정 대비 용지의 물성 및 내오염성은 대등한 수준이었음. 하지만 붕사용액과 CNC를 혼합하여 적용하였을 때는 붕사 단독으로 사용했을 때보다 물성은 향상되는 결과를 보여 조폐공사 공정에서 적용될 수 있는 제조조건을 확립하였음.
2) 나노셀룰로오스와 폴리우레탄을 혼합하여 현장규모로 표면코팅을 실시한 결과 전반적인 물성 및 내오염성이 향상되었음.

4. 4차년도

가. 내첨용 나노셀룰로오스의 표면개질을 통한 효과 검증
상업용으로 판매되는 내첨용 나노셀룰로오스를 원상태로 사용하면 탈수성이 급격이 저하되어 원활한 제지적성이 발현되지 않기 때문에 양이온성 고분자로 적당한 크기로 선응집시킨 후 지료공정에 투입하여 탈수성과 강도를 동시에 향상시키는 결과를 파일럿 규모 실험과 현장실험을 통해 검증하였음.

나. 나노셀룰로오스의 코팅공정 적용을 통한 효과 검증
상업용으로 판매되는 나노셀룰로오스를 폴리우레탄과 혼합하여 그라비어 방식의 코팅공정에 적용 시 본 과제에서 요구하는 최종목표를 모두 달성할 수 있었음. 특히 건식 내오염성의 경우 세계 최고 수준의 용지(Long life)보다 더 뛰어난 특성을 보여주었음. 잉크 흡수성과 셋오프는 포면처리 도공량에 더 영향을 받으며, 표면처리액 조성에 따른 영향은 미비하였음.

□ 기술개발 배경
○ 정보화 시대에 맞추어 산업기밀 보호, 위조 방지 등 보안을 필요로 하는 분야가 점차 늘고 있고 이를 종이에 구현하기 위한 여러 방법 등이 강구되고 있음. 더불어 오염 또는 환경변화에 대한 저항성을 갖고 강도가 우수한 고내구성용지는 보안요소의 지속성을 높여줄 수 있을 뿐 아니라 용지의 사용 수명을 확대할 수 있음. 또한 표면화학적 성질 및 표면 공극성의 제어는 종이의 용도를 보안용 기록용지, 지폐용지, 박리지, 전사지로의 활용이 가능하게 함.

○ 일반적인 펄프․제지산업에서 주로 사용하는 부원료만으로는 고내구성용지를 제조하는 데에 한계가 있기 때문에 유럽 선진국에서는 현재 주로 석유화학계 약품을 활용하여 내구성을 확보하고 있으나, 국내에서는 이에 대한 연구와 실제 생산이 거의 이루어지고 있지 않음.

○ 다양한 특수지 중 오염 또는 환경변화에 대한 저항성을 갖고 강도가 우수한 고내구성용지는 지폐용지로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 표면화학적 성질과 표면 공극성을 제어할 경우 박리지, 전사지로 활용 가능하기 때문에 고내구성 및 고내오염성을 확보할 수 있는 기술 개발이 필요함.

○ 최근 높은 강성, 인성, 탄성, 경량, 열적 안정성, 친환경성 등의 특성으로 차세대 소재로 각광받고 있는 나노셀룰로오스를 활용하여 고내구성용지를 제조한다면 고도의 친환경적인 특수지 시장을 개척 및 확보할 수 있을 것으로 기대됨.

○ 최근 미국, 핀란드, 스웨덴, 노르웨이, 일본 등 임업선진국에서 국가의 적극적 재정지원을 바탕으로 한 나노셀룰로오스 응용연구가 활발히 진행되고 있음.

○ 향후 세계적으로 나노셀룰로오스는 매우 다양한 분야에서 활용될 전망이고 세계 시장은 매년 급속히 성장할 것으로 예상됨.
- 해외 컨설팅업체에 따르면 다양한 산업에서 나노셀룰로오스의 수요가 지수함수적으로 증가하면서 2014년에서 2023년까지 세계 나노셀룰로오스의 생산량이 약 1,500% 증가하고 2023년에는 세계 나노셀룰로오스 매출액이 약 9,000 억원 시장으로 성장할 것으로 예상하고 있음.
- 나노셀룰로오스 종류 중에서 셀룰로오스 나노피브릴(CNF)이 50% 이상 점유할 것으로 예상되고 복합소재, 제지, 식품포장, 페인트 등이 가장 큰 시장으로 예상됨.

○ 그러나 제지산업 뿐만 아니라 다양한 산업분야에서 상용화되기 위해서는 해결해야 할 문제가 있음.
- 현재 나노셀룰로오스는 높은 가격, 고분자물질과의 상용성 부재, 낮은 분산성 등으로 인해 산업화에 어려움을 겪고 있음.
- 나노셀룰로오스의 제지산업 실제 적용에 대해서는 아직 적용기술이 개발되지 않고, 대량 생산 공정에 적용하기에는 가격 및 공정상 어려움이 있을 것으로 예상되기 때문에 회의적인 시각이 많음.

○ 또한 고내구성 특수지를 개발하기 위한 나노셀룰로오스 적용 기술에 초점을 맞추어 여러 기술적 난제를 극복하기 위한 방안으로, 고도의 내오염성과 강도를 갖는 특수지를 제조하기 위해 핵심요소 기술인 나노셀룰로오스 내첨 및 표면처리 요소 기술 및 공정 적용 기술을 개발하고, 보안 요소로서 나노셀룰로오스의 활용 기술을 탐색함으로써 국내 제지산업의 글로벌 경쟁력을 높일 필요가 있음.

□ 핵심개발 기술의 의의
○ 나노셀룰로오스를 종이 제조 시 활용하는 기술은 국내에서는 지금까지 대부분 실험실적 수준에 머물러 있었는데, 이는 국내에 대량으로 생산할 수 있는 설비가 없었음. 최근에 무림제지, 한솔제지 등에서 나노셀룰로오스를 대량으로 생산할 수 있는 설비가 구축되어 제지 분야를 포함한 다양한 분야에서 그 가능성을 평가하고 있음.

○ 현재 본 과제에서 수행했던 내용인 나노셀룰로오스를 적용한 고내구성 용지는 국내 및 해외를 통틀어 처음 시도되는 연구로 파악되고 있고, 나노셀룰로오스가 파일럿 규모 이상으로 적용된 사례 또한 보고되지 않았음. 또한 상업용 나노셀룰로오스를 현장규모로 내첨방식 및 표면처리 공정으로 적용한 첫 사례로 판단되어 그 의의는 크다고 할 수 있음.

○ 나노셀룰로오스의 제지 적용 기술 수준을 한 단계 끌어올릴 수 있는 계기가 마련되었다고 판단되며, 고내구성/고내오염성 용지 제조의 요소 기술 또한 확보할 수 있었다는 측면에서 의의가 큼. 이 기술이 적용될 경우 본 과제에서 추구하고자 했고, 고내구성이 요구되는 동남아 등으로 은행권 용지의 수출을 기대할 수 있고, 나노셀룰로오스의 잠재적 활용이 아닌 실제적 활용을 이끌 수 있을 것으로 기대함.

○ 본 연구의 실험에 적용한 내첨용 나노셀룰로오스는 국내업체에서 공급받아서 수행되었으며, 표면처리시 사용된 나노셀룰로오스 및 폴리우레탄도 국내업체에서 공급받아 수행되었음. 이는 국내 소재제조업체의 수요를 확장시키고 핵심 역량을 향상시킬 수 있는 기회가 된 것으로 사료됨. 단 폴리우레탄의 가교제는 해외업체에서 제공받아 사용되었지만, 향후 국산 대체가 가능할 것으로 판단됨.

○ 또한 현장규모 적용 시 표면개질 방법, 투입위치, 분산 등 전용 설비는 없었지만 현재 보유하고 있는 설비를 활용하여 적용한 결과를 바탕으로 향후 제지 설비 투자 시 참고자료로 활용할 수 있는 기초를 마련하였음.

○ 본 과제는 처음부터 동남아 국가에 수출을 목적으로 진행된 과제로서 최종 성과물이 동남아 국가에서 필요로 하는 품질을 초과 달성하여 수출가능성은 매우 높다고 할 수 있음.

□ 적용 분야
○ 본 기술에서 개발된 보안용 고내구성 특수지는 그동안 품질 미흡으로 진출하지 못했던 동남아시아 국가들이 요구하는 내오염성 은행권 용지사업에 가장 우선적으로 적용 될 수 있고, 향후 국내 은행권에도 내구성 용지가 적용된다면 본 사업에서 개발한 내구성 용지 제조기술이 적용될 수 있음.

○ 본 과제는 나노셀룰로오스의 실용화를 목표로 진행되었으며, 현재까지는 나노셀룰로오스가 적용된 용지는 식품 포장재에 일부 적용 또는 적용하려는 시도는 있지만 거의 출시되지는 않았음. 이는 나노셀룰로오스의 제조 원가가 나노셀룰로오스를 사용함으로 얻는 이익보다 높기 때문으로 판단됨. 따라서 나노셀룰로오스의 제조원가가 떨어지고(생산업체에서 2030년 kg당 1,500원 수준을 목표로 함), 나노셀룰로오스가 가지고 있는 장점인 배리어성(barrier) 특성을 살려 친환경 식품용지에 적용될 수 있음. 이는 현재 환경적으로 문제가 되고 있는 플라스틱(비닐) 줄이기 운동의 일환으로 현재 플라스틱으로 사용되고 있거나, 주재료는 종이지만 PE, PP 코팅으로 사용되고 있는 1회용품 코팅제로 사용될 수 있을 것으로 판단됨.

○ 나노셀룰로오스는 식품용지 이외에도 현재 석유화학 산업으로 생산된 고분자를 일부 대체할 수 있을 것으로 판단되며, 그 예로는 나노셀룰로오스 복합체, 페인트 등의 증점제, 윤활제 등이 있음.

(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 16
• 제 1 장 서론 ... 25
• 제 1 절 과제의 개요 ... 25
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 26
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 26
• 제 2 절 연차별 목표 ... 35
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 35
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 48
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 48
• 제 3 장 결과 ... 49
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 49
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 79
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 80
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 81
• 제 4 장 사업화 계획 ... 84
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 84
• 제 2 절 사업화 계획 ... 91
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 93
• 부 록 : 시험성적서, 도면, 설계도 등 ... 96
• 끝페이지 ... 112