2050년 탄소중립시대에 적합하게 경량화된 전기차, 기존 플라스틱의 저탄소 고효율 강화조건을 충족한 제품들이 동급대비 더 높은 경쟁력을 보일 것으로 예상되면서 환경친화신소재의 연구 필요성이 더욱 대두되고 있다. 기존 소재를 친환경소재로 대체할 경우 대체 후에도 ‘성능 유지’가 중요하므로 신중히 접근해야 한다. 이에 따라 ㈜두와이즈켐 서영수 대표가 산학기술중심 벤처기업의 자존심을 걸고 출시한 신소재, 고분산 기능성 셀룰로스 나노섬유인 CNF는 산업전반 활용도와 안정성이 높아 플라스틱의 대체기술로 주목받고 있다.
기존 셀룰로스의 문제점, 모래소재 무기질화기술로 해결책 찾다
㈜두와이즈켐은 세종대 나노신소재공학과 교수로 나노소재분야 전문가이기도 한 서영수 대표가 2018년 설립해 고성능 무기질화 CNF(이하 CNF)소재로 친환경소재 나노셀룰로스의 활용도를 획기적으로 높인 기업이다. 성수동 파일럿사업장과 실험실 3개소에서 십 여명의 석사 및 박사과정 학생들과 회사의 전문연구원 6명이 신소재를 개발하며 핵심자문/인력풀이 잘 정비된 기업이기도 하다. 플라스틱 보강재로 각광받는 CNF는 목재펄프를 물리·화학적으로 나노화한 셀룰로스나노섬유로, 너비 0.01마이크로미터 수준으로 강화플라스틱과 기능성필름 소재의 공산품과 자동차, 생활용품 등에 적용되기 시작했다. 또한 강철보다 5배의 내구성을 가지지만 무게는 1/5에 불과한데다 자연유래 원료이기에, 세계 자동차업계가 전기차배터리의 성능강화와 경량화에 가장 주목하는 소재이기도 하다. 서 대표는 CNF가 소재면에서 중요한 이유가 기존 셀룰로스나노섬유의 친수성 성질과 응집에 의한 기계적 물성저하를 획기적으로 개선했기 때문이라고 한다. 카이스트, 미국국립표준원을 거쳐 대기업 연구직으로 나노소재개발을 경험한 서 대표는 플라스틱을 대체할 나노셀룰로스로 석유화학자원 사용량을 줄이는 신소재개발이 세계적 대세라고 한다. 나노셀룰로스는 식용첨가제로도 쓰일 만큼 안전한 소재로, 나노화를 시키면 화장품, 신발, 배터리분리막, 스피커진동판, 내장재, 강화수지 등 플라스틱계열에 막강한 응용력을 갖고 있다. 이를 위해 고분자가공 공정온도인 160-250℃를 견뎌야 하나, 셀룰로스의 내열온도는 160℃도 이하이기에 변색과 변형 문제가 따라온다. 그래서 서 대표는 이를 개선하고자 모래(실리카)에서 대안을 찾았다고 한다.
안정성 더해 변색 억제하고 고온고압에 본래 형태 최대유지가능
평균 1.3톤의 가솔린차에 비해 1.8톤 대인 전기차는 열효율이 낮고 수송비용이 늘어난다. 이유는 배터리 무게 때문인데, 알루미늄으로 대체하기도 하나 미국, 유럽, 일본은 이미 나노셀룰로스 보강 플라스틱으로 전기차 부품을 대체하는 단계에 들어가고 있다고 한다. 이에 서 대표는 나노셀룰로스의 내구성증가를 목표로 잡고, 고분자 가공공정으로 인한 색변화와 물성저하가 일어나지 않고 플라스틱 소재의 재활용성도 증진시키고자 했다. CNF표면의 실리카 입자 표면무기질화(무기나노입자 표면개질)를 통해, 응집을 차단하고 난연성을 높여 압출공정에서 분산성을 개선하고 색과 재질의 변화를 방지하는 기술적 혁신을 이뤄냈다. 특히 배터리음양극의 접촉방지와 이온전달 기능을 가지는 배터리분리막 소재인 HDPE와 PP에 적용하면 플라스틱 친환경도를 높이면서 전기차 배터리의 안정성을 개선할 수 있다. 이 무기질화기술은 범용성이 높아 일반 전기전자제품, 자동차 내장재와 배터리하우징 등에 적용할 수 있어 자동차 경량화에도 효과적이다. 관련 기술을 국내 7건, 미국 1건, 유럽 1건 특허를 출원하고 양산 가능성을 알아보는 중이다. 그는 “분리막이 얇을수록 배터리 부피가 줄어드는데, 배터리분리막 베타테스팅 결과 필름 녹는점, 인장강도 및 탄성률과 저장탄성률 개선을 비롯해 내구성 데이터를 자체 확보하고 있다. 양산설비를 구축하고 대량생산한다면 CNF는 세계의 주목을 받을 것”이라고 한다.
진정한 친환경은 현재진행 중, 진짜 친환경기술 징검다리 되겠다
서 대표는 그 밖에도 고품질 디스플레이와 스마트팜에 적합한 고배리어 QD캡슐 등 다양한 고부가가치 소재기술을 보유하고 있다. 또한 서 대표가 CNF에서 모래를 고른 이유는 셀룰로스가 나무에서 왔듯 모래도 지속가능한 소재이기 때문이다. 24시간 이상의 고온에도 색이 변하지 않고, 재활용해도 내구성이 떨어지지 않는 CNF는 제조공정상 알코올과 물이 들어가 탄소제로 정책에도 적합한 소재이다. 서 대표는 이러한 기술을 세계에 더 적극적으로 알리고자 지난 12월에는 일본의 전시박람회에 참가하고, 2월부터 스웨덴 국립연구소를 시작으로 해외시장을 둘러보고 기술을 소개할 예정이다. 그는 2026년까지 친환경분야에서 50억 매출을 목표로 하며, 더 많은 기능테스트와 단가 개선으로 많은 기업들의 친환경제품양산에 도움을 주고자 한다. “다만 국내 친환경소재기반이 탄탄하지 않아 정부의 제도적 뒷받침이 더 필요하다”고 언급하는 서 대표는, “우리가 나노셀룰로스의 문제점을 모래 도입으로 해결했지만 100% 친환경소재 연구는 끝이 아니라 현재진행형이다. 100% 친환경기술을 이룰 때까지 우리의 CNF는 징검다리 역할을 할 것이다”라며 앞으로 친환경신소재 R&D에 힘써 궁극적으로는 세계적인 친환경 소재기업으로 발돋움하겠다는 각오를 전했다.
