김홍철 기술경영학 박사
특허란 어떠한 발명(invention)에 대해 그 사용권 혹은 전용권을 해당 발명자에게 부여하는 공적 행위라 할 수 있으며, 여기서 발명이란 “창의적 아이디어로 지금까지 없었던 새로운 물건을 만들거나 새로운 방법을 생각해 내는 것”이라는 국어사전적 정의도 있지만, 특허법에서는 “자연법칙을 이용한 기술적 사상의 창작으로서 고도한 것”으로 정의하고 있다.
IT산업의 근간인 기초과학 분야에서 각 국 혹은 개별 기업들 간에 치열한 기술선점 경쟁이 진행되고 있으며, 이 중 기존에 자연적으로 존재하는 물질의 특성, 즉 물성을 나누거나 조합, 결합해 기존과는 다른, 보다 고도화된, 혹은 새로운 기능을 가진 물질을 만드는 데 주력하고 있는 화학(Chemistry)분야에서는 특히 그 경쟁이 치열해 지고 있는 실정이다. 주지하다시피 화학분야의 경우에는 첨단 발명기술이나 제품이 타 학문의 성과에 대비, 산업전반에 영향을 미치는 속도 및 범위가 보다 광범하여 근래 들어 더욱 더 그 중요성이 부각되고 있는데, 최근 연구되고 있는 화학물질로 단연 관심을 끌고 있는 것 중 하나가 “나노셀룰로오스”이다.
셀룰로오스는 탄소, 수소, 산소가 일정비율로 결합해 나무와 같은 식물들의 세포벽을 구성하는 주요성분으로 당류, 섬유소라고도 한다. 보온용 옷을 만드는 주 재료인 면모(綿毛)의 약 98%가 셀룰로오스, 마(麻)종류와 모시풀 등 가죽섬유는 약 70%의, 펄프의 원료인 목재는 약 40~50%의 셀룰로오스를 함유하고 있다. 나노셀룰로오스는 나무의 주 성분을 이루고 있는 셀룰로오스를 나노(1mm의 백만분의 1의 크기) 수준으로 분해한 고분자물질이다. 즉 셀룰로오스 사슬이 다발을 이루며 빽빽하게 결합한 나노·마이크로미터 크기의 막대형태 입자 혹은 섬유를 말한다. 나무를 1000분의 1로 자르면 목재칩이 되고, 이것을 다시 1000분의 1로 자르면 펄프가, 이 펄프를 다시 1000분의 1로 자르면 최종적으로 나노셀룰로오스가 되는 것이다. 수소결합으로 강하게 결정화돼 있기 때문에 철금속의 5배가량 되는 강력한 강도와 유리섬유의 1/10이하인 선열팽창계수(온도가 상승할 때 달라지는 길이의 증가 및 감소 정도를 나타낸 값)를 가지고 있어 주변 기후변화에 강한 내성력을 지니고 있으며, 앞서 언급한 바와 같이 지구상 대부분의 식물에서 그 원료를 구할 수 있으므로 거의 무한대의 자원을 확보할 수 있다. 즉 높은 강도 및 뛰어난 친수성은 다양한 산업에 응용이 가능하며, 미래형 물질로 될 것으로 크게 기대되고 있는 것이다.
나노셀룰로오스 제조에 사용하고 있는 방법은 자연 채취된 목재펄프를 갈아서 기계적으로 매우 잘게 갈아 분말 섬유질 형태로 만드는 방법, 화학처리해서 단일 섬유형태로 만드는 방법, 목재펄프에 고농도의 황산을 사용해서 펄프의 비결정 영역을 제거하고, 결정영역만 남겨서 결정체 형태로 만드는 방법 등이 있다. 이 같은 세 가지 방법 중에서 화학연구원은 결정체 형태로 나노셀룰로오스를 제조하는 결정체 제조기술(Cellulose NanoCrystals)을 개발했는데, 이는 기존 결정체 형태로의 셀룰로오스 제조시, 농축황산을 사용하면서 강력한 산의 중화 및 제거에 많은 물과 에너지, 추가 투석공정, 초음파 분쇄 등 복잡한 제조과정을 거치는 어려움이 있었는데, 이들 난제를 극복한 첨단 제조기술이다. 대덕연구단지에 위치한 한국화학연구원 연구팀은 기존 결정체형태 방법 중 복잡한 제조공정을 단순화하고, 나노셀룰로오스를 최종적으로 만들어내는 수율을 끌어올리고자 전자빔과 고압균질기를 활용해, 기존 강산의 중화처리 공정이나 초음파분쇄가 필요 없는 친환경적이며, 고효율의 제조공정을 개발한 바 있다.
전자빔은 운동에너지와 방향이 가지런한 많은 전자의 연속적인 흐름을 의미하는데, 전기와 자기의 힘에 따라 방향을 바꿀 수 있는 특징이 있다. 물질의 최소단위는 양의 성질을 띠는 핵과 그 주변을 돌고 있는 음의 성질을 가지는 전자로 이루어진 원자이며, 이 원자들의 다수가 결합해 해당 물질의 특성을 나타내는 최소단위인 분자를 이룬다. 목재펄프에 전자빔을 쏘이면, 펄프의 입자마다 전자가 투사돼 동일한 음전하를 띠게 되며, 음전하끼리는 서로 밀어내는 성질이 있으므로, 이를 이용해 분자화를 감소시켰으며, 분자량이 줄어들면 나노셀룰로오스 결정체를 보다 쉽게 얻게 되는 원리를 이용한 것이다. 전자산업은 이같이 IT산업 그 자체를 포함해서 소재, 부품 산업 등의 발전에 무한히 기여했으며, 앞으로도 지속될 필수 자양분이 되는 산업, 바로 그것이다.