셀룰로오스
셀룰로오스 에어로겔(Cellulose Aerogel)이란?
1, 셀룰로오스 에어로겔(Cellulose Aerogel)
셀룰로오스 또는 셀룰로오스 유도체로 만든 젤(Gel) 내부의 액체를 제거하면서 3차원 다공성 네트워크 구조가 무너지지 않도록 건조하여 만든 초경량 다공성 소재입니다.
쉽게 말하면, 셀룰로오스 골격 사이의 공간 대부분을 공기가 차지하도록 만든 매우 가볍고 구멍이 많은 셀룰로오스 소재입니다.
2. 기본 구조
일반적인 제조 개념.
셀룰로오스 원료 → 분산·용해 → 젤 형성 → 3차원 네트워크 형성 → 건조 → 셀룰로오스 에어로겔
젤 상태에서는 ㅊ 네트워크의 빈 공간을 물이나 용매가 채우고 있습니다.
이 액체를 적절한 방법으로 제거하면 공간에 공기가 들어가면서 매우 높은 기공률을 가진 구조가 만들어집니다.
3. 사용 셀룰로오스
| 원료 | 영문 | 특징 |
|---|---|---|
| 셀룰로오스 | Cellulose | 기본적인 셀룰로오스 에어로겔 |
| 나노셀룰로오스 | Nanocellulose | 미세한 3차원 네트워크 형성 |
| CNF | Cellulose Nanofibril | 길고 얇은 나노섬유 구조 |
| CNC | Cellulose Nanocrystal | 결정성 나노입자 |
| TOCN | TEMPO-Oxidized Cellulose Nanofiber | 표면 카복실기를 이용한 기능화 가능 |
| CMC | Carboxymethyl Cellulose | 수용성 및 가교 특성 활용 가능 |
| 박테리아 셀룰로오스 | Bacterial Cellulose |
미세한 나노섬유 네트워크 |
4. 제조 방법
셀룰로오스를 물이나 적절한 용매에 분산·용해한 다음 젤을 형성하고, 내부 구조가 붕괴하지 않도록 건조하는 것이 핵심입니다.
대표적으로 동결건조(Freeze Drying)와 초임계 건조(Supercritical Drying)가 사용됩니다. 공정에 따라 상압건조(Ambient Pressure Drying)도 연구됩니다.
특히 동결건조에서는 얼음 결정이 형성되고 승화하면서 기공이 만들어지므로 동결 속도와 방향에 따라 기공 크기와 방향성을 조절할 수 있습니다.
5. 특징
셀룰로오스 에어로겔의 물성은 원료, 농도, 가교 방법, 건조공정 등에 따라 크게 달라지지만
일반적으로 다음과 같은 특징을 갖도록 설계할 수 있습니다.
- 초경량 구조
- 높은 기공률
- 낮은 밀도
- 큰 비표면적
- 낮은 열전도 특성
- 높은 액체 흡수 능력
- 표면 기능화 가능
- 3차원 다공성 네트워크
- 바이오매스 유래 소재 사용 가능
- 다른 나노소재와 복합화가 용이
6. 적용분야
| 분야 | 주요 활용 |
|---|---|
| 단열 | 건축·산업용 경량 단열재 |
| 배터리 | 열관리·단열·기능성 소재 연구 |
| 환경 | 오일 및 오염물질 흡착 |
| 수처리 | 중금속·염료 등의 흡착 |
| 의료·바이오 | 지지체, 흡수체, 기능성 다공체 연구 |
| 포장 | 경량 완충·단열 포장소재 |
| 전자 | 전자파 차폐 및 기능성 복합소재 |
| 센서 | 다공성 센서 지지체 |
| 에너지 | 전극 및 에너지 저장용 구조체 연구 |
| 촉매 | 촉매 또는 기능성 입자 지지체 |
7. 셀룰로오스 에어로겔과 하이드로겔의 차이
| 구분 | 하이드로겔 | 에어로겔 |
|---|---|---|
| 내부 공간 | 주로 물 | 주로 공기 |
| 상태 | 수분을 포함한 젤 | 건조된 다공성 고체 |
| 구조 | 3차원 네트워크 | 3차원 초다공성 네트워크 |
| 특징 | 보습·팽윤 | 경량·단열·흡착 |
| 주요 응용 | 의료, 약물전달, 흡수재 | 단열, 흡착, 필터, 에너지 소재 |
8. 독성정보
셀룰로스(Cellulose)는 흰색, 무취의 물질로서, 랫드를 이용한 발암성실험에서 아무런 영향을 미치지 않았으나,
눈에 노출이되었을 경우 즉시 물로 씻어주고, 피부에 노출이 되었을 경우에는 비누로 씻어준다.
그리고 흡입하였을 경우에는 신선한 공기를 흡입하여야 한다.
셀룰로스는 ECHA에 의해서 유해성물질로 분류되지 않았으며, IARC 발암물질 분류에 포함되어 있지 않다.