순환하는 사회를 위한 청정 기술: 바이오매스 소재

Yokogawa의 관점에서 "청정 기술"은 기후 변화 및 지구 환경 문제를 해결할 수 있는 기술일 뿐만 아니라, 세계 시장 경제 이슈에 대한 해결책을 제공하는 동시에 투자자와 고객에게 경쟁력 있는 수익을 제공하는 신기술 및 관련 비즈니스 모델입니다. 이에 Yokogawa는 에너지와 전력, 운송과 물류, 농업과 식품 등 다양한 산업 분야의 사회적 가치를 중시하며 더욱 큰 가치를 창출하기 위해 힘쓰고 있습니다.

향후의 기후 변화에 대한 우려가 점점 커짐에 따라 새로운 에너지 경제 모델로의 전환이 필요하며, 여기에서 청정 기술은 중요한 역할을 합니다. 청정 기술의 많은 분야 중에서 지구 환경에 미치는 영향을 최소화하는 방안으로서 주목을 받고 있는 것이, 바이오매스 소재의 활용입니다.

바이오매스는 말 그대로 생물자원(bio)의 덩어리(mass)라는 의미로 식물과 동물에서 추출한, 재생 가능한 유기 물질입니다. 바이오매스 또한 연소 시 이산화탄소를 생성하지만, 산림에서 생산된 바이오매스의 경우 식물이 자라면서 광합성을 위해 대기로부터 이산화탄소를 흡수하기 때문에 탄소 중립적입니다. 따라서 이러한 유형의 바이오매스는 유효한 지구 온난화 대책으로 간주됩니다. 탈탄소 및 순환 경제를 실현하기 위해서는 바이오매스를 연료로 사용할 뿐만 아니라 소재로서 활용하는 등, 다양한 분야에 폭넓게 적용해야 합니다. 최근 바이오매스를 소재 분야에 활용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있으며, 실제 PET 병, 포장 필름 및 직물 제조에 활용되고 있습니다.

현재까지 Yokogawa는 신재생 에너지 시설, 정수 플랜트, 해수 담수화 플랜트를 비롯한 다양한 청정 기술 프로젝트에 참여하여 고객이 비즈니스 과제를 해결하고 환경 문제를 해결할 수 있도록 지원하고 있습니다. 2018년부터는 바이오매스 소재 사업에도 진출해 바이오기업에 투자하고 파트너십을 맺었습니다. 2021년에는 Yokogawa Bio Frontier Inc.를 설립하여 기존의 개발ㆍ생산을 넘어 바이오매스 소재를 자체 개발 및 생산함으로써 바이오매스 소재의 보급에 앞장서고 있습니다.

바이오매스 소재의 보급 확대의 방안 중 하나는 “꿈의 신소재” 라고 불리는 셀룰로스 나노섬유(CNF, Cellulose nanofiber)입니다. 지구상에서 가장 풍부한 천연 고분자(biopolymer)^*1 인 셀룰로스는 식물의 세포벽의 주성분으로, CNF는 목질 재료에서 추출한 나노 크기(1nm = 0.000001mm)의 섬유입니다.

CNF는 생물 유래 소재로 생분해성이며 가장 큰 특징은 강철보다 5배 더 강하지만 무게는 1/5 수준으로 가볍다는 것입니다. 이러한 고강도ㆍ경량의 특성을 기반으로, 보강재 및 첨가제를 첨가하여 더욱 강하고 가벼운 재료를 만들기 위해 많은 연구가 이뤄지고 있습니다. 또한 CNF는 가열해도 크기나 형태가 변하지 않기 때문에 전자 부품의 소재나 외부 패키징에 사용하기 적합합니다. 그리고 추가적인 조치를 통해 투명하게 가공할 수 있어서, 폭넓은 분야에서의 활용이 기대되고 있습니다.

CNF의 활용은 환경적인 측면에서도 유용합니다. 예를 들어 자동차 부품에 사용하면 차체의 중량을 줄이고 연비를 향상시킬 수 있습니다. 또, 주거 시설 및 가전제품에 단열재로 활용하면 에너지 소비를 줄이고 지구 온난화를 억제할 수 있습니다. 산림에서 생산된 CNF의 사용은 순환형 사회를 가능하게 합니다. 강철보다 더 강하고 가벼운 CNF는 지속 가능한 사회에 기여할 수 있는 엄청난 잠재력을 지닌 꿈의 소재입니다.

그러나 이 꿈의 소재가 실용화되기까지 극복해야 할 몇 가지 장애물이 있습니다. CNF는 나무에서 나노 크기의 섬유를 추출하여 만들어지는데, 이는 고도의 전문 기술이 필요한 섬세한 공정입니다. 대량 생산을 위해서는 상당한 비용과 에너지가 필요합니다. 더욱이 화석 원료보다 제품 균일성을 유지하기가 쉽지 않아, 일반 바이오매스 기반 물질과 마찬가지로 CNF의 제조는 생산 효율성이라는 과제를 안고 있습니다.

*1. 고분자(Polymer)는 분자량이 큰 물질을 의미하며, 자연계에 존재하는 고분자를 천연 고분자(Biopolymer), 인공적으로 합성하는 고분자는 합성 고분자(Synthetic polymer)라고 합니다.

수많은 CNF 중에서 Yokogawa가 특히 주목하여 연구개발을 진행해온 것은 황산염 에스터화 셀룰로오스 나노 섬유, S-CNF™ 입니다. 이는 Yokogawa의 독자적인 화학 공정을 사용하여 개발한 CNF로, 분말이나 젤 상태로 만들 수 있습니다. 분말 형태의 S-CNF는 젤 상태에 비해 부피와 무게를 약 100분의 1로 줄일 수 있어, 분말 상태로 보관 및 트럭 수송이 간편하여 환경에 대한 부담을 크게 줄일 수 있습니다.

분말 상태의 S-CNF가 물에 용해되면 요변성(Thixotropic)을 띄게 됩니다. 즉, 용액을 가만히 두면 상당한 점성을 가지지만, 흔들거나 교반하면 매우 유동적으로 변하게 됩니다. 예를 들어 병에 담긴 케첩을 생각해보면, 케첩은 요변성(thixotropic)이기 때문에 거꾸로 뒤집어 병을 흔들 때까지는 병에 붙어 있습니다. 또, 일부 볼펜은 CNF로 만들어낸 점도 조정제를 사용하여 잉크가 잘 닳지 않으면서도 부드러운 필기감을 제공하는 경우도 있습니다. S-CNF 또한 다양한 용도로 응용될 수 있습니다. 예를 들어 건조된 필름 형태의 S-CNF는 매끄럽고 투명하며 외부의 산소를 차단할 수 있어 주스나 수프 등의 포장재 및 코팅제로 활용할 수 있습니다. S-CNF는 이 밖에도 많은 분야에서 다양한 용도로 활용되어 새로운 가치를 창출해 나갈 것입니다.

Yokogawa는 및 제어에 대한 전문 기술을 통해 수년에 걸쳐 측정 소재 산업의 많은 고객을 지원해 왔으며, 이러한 경험을 바탕으로 화학 소재 생산 분야에 첫 발걸음을 내디뎠습니다. 앞으로 Yokogawa는 고객 및 파트너와의 공동 혁신을 통해 바이오매스 소재를 활용할 수 있는 새로운 시장 기회를 찾고 확장해 나갈 것입니다.

지구의 미래를 위해 중요한 청정 기술이 점차 확대되면서, 바이오매스는 연료 및 소재로써 우리의 일상생활에 많은 부분을 차지하게 될 것입니다. Yokogawa는 지속 가능한 사회를 위하여 기업, 산업 및 국가 간의 경계를 초월하는 공동 혁신을 통해 바이오매스 소재의 활용 범위를 넓혀갈 것입니다. 이러한 노력은 Yokogawa가 추진하고 있는 "What's next for our planet?"의 다음 장을 여는 방법입니다.

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S-CNF는 Yokogawa Electric Corporation의 상표입니다.