셀룰로오스

 

3. CNF의 구조
셀룰로오스 섬유는 여러 단계의 계층적 구조를 가지고 있습니다.
식물 → 셀룰로오스 섬유 → Microfibril → Nanofibril → Cellulose molecular chains
CNF는 펄프의 셀룰로오스 섬유를 매우 미세한 수준까지 풀어낸 것입니다.
일반적인 셀룰로오스 섬유에 비해 직경이 매우 작으면서 길이가 상대적으로 길기 때문에 높은 Aspect Ratio(종횡비)를 갖습니다.
다만 CNF의 정확한 직경과 길이는 원료와 제조방법에 따라 크게 달라지므로 하나의 고정된 수치로 정의하는 것은 적절하지 않습니다.

 

4. 제조 과정

대표적인 공정
Cellulose pulp -> 전처리 -> 기계적 해섬(Fibrillation) ->Microfibril 분리 -> Cellulose Nanofibril (CNF)

기계적 처리에는 고압 Homogenizer, Microfluidizer, Grinder 등의 방법이 사용될 수 있습니다.
에너지 소비를 줄이고 해섬을 쉽게 하기 위해 화학적 또는 효소적 전처리를 병행하기도 합니다.
대표적인 것이 TEMPO oxidation입니다.
TEMPO 산화로 제조되는 나노셀룰로오스는 흔히 TEMPO-Oxidized Cellulose Nanofibril, TOCN/TOCNF이라고 합니다.

 

5. CNF  특징
1) 높은 기계적 보강 효과
CNF는 매우 가늘고 긴 섬유 구조를 가지고 있어 Polymer, Coating, Film 등에 첨가하면 보강재(Reinforcement) 역할을 할 수 있습니다.
따라서 바이오 기반 복합재료 개발에서 중요한 소재입니다.

2) 높은 비표면적
나노 크기로 미세화되면서 셀룰로오스의 표면적이 크게 증가합니다.
이 때문에 Polymer, 안료, 무기입자 및 다른 기능성 소재와의 계면을 설계하는 데 유용합니다.

3) 강한 수소결합
셀룰로오스 표면에는 많은 Hydroxyl group(-OH)이 존재합니다.
이들 수산기는 CNF 사이에서 강한 수소결합 네트워크를 형성할 수 있습니다.
이 특성은 필름 형성, 점도 증가, 네트워크 형성 및 기계적 보강과 밀접하게 관련됩니다.

4) Rheology Modifier
CNF를 물에 분산시키면 섬유들이 3차원 네트워크를 형성할 수 있습니다.
따라서 낮은 첨가량에서도 제형의 점도, Thixotropy, Suspension Stability 등을 조절하는 기능성 첨가제로 연구·사용되고 있습니다.
이는 도료, 코팅제, 접착제, 잉크 분야에서 특히 관심을 받는 특성입니다.

5) 필름 및 Barrier 특성
CNF를 치밀하게 배열하여 필름이나 코팅층을 만들면 기체가 통과해야 하는 경로가 복잡해져 산소 등의 Gas Barrier 특성을 높일 수 있습니다.
이 때문에 CNF는 친환경 포장재 분야에서 활발하게 연구되고 있습니다.
다만 셀룰로오스 자체가 친수성이기 때문에 습도가 높아지면 Barrier 성능이 저하될 수 있다는 점이 중요한 과제입니다.
이를 해결하기 위해 소수화, 표면개질, Polymer 복합화, 다층 Barrier coating 등이 연구되고 있습니다.

 

6. 용도

적용 분야	역할
종이·포장	강도 향상, Barrier coating
필름	바이오 기반 투명·기능성 필름
도료·코팅	Rheology 조절, 보강, 기능성 코팅
접착제	점도 및 Rheology 조절, 보강
복합재료	Polymer reinforcement
자동차	경량 바이오 복합재 연구
배터리	전극용 Binder 및 기능성 소재 연구
전자소재	유연 기판 및 기능성 복합재 연구
화장품	점도·분산 및 제형 안정화
바이오·의료	Hydrogel, Scaffold, Wound dressing 등의 연구
3D Printing	Bio-ink 및 Rheology modifier 연구