1. 서 론
나노셀룰로오스는 나노 크기로 구성되어 있는 다양한 셀룰로오스 물질을 통칭한다. 제조 방법에 따라 전기 방사 나노섬유, 셀룰로오스 나노섬유, 셀룰로오스 나노 결정, 박테리아 셀룰로오스로 대별된다.1,2)
전기방사법은 셀룰로오스를 용매로 사용하여 용해된 형태로 만든 후 전기장 아래에서 방사를 하여 나노입자 크기의 섬유를 만드는 방법이다. 전기방사 조건에 따라 200 nm-1 μm의 셀룰로오스 나노섬유의 제조가 가능하다.3) 셀룰로오스 나노 결정체는 셀룰로오스 내 비결정영역을 산 가수분해를 통하여 제거하고 산 가수분해 조건에서 저항성을 갖는 결정 영역의 셀룰로오스로 구성되어 있다. 기존 미세결정 셀룰로오스(microcrystalline cellulose)에 비해 산의 농도나 반응조건에 따라 더 작은 셀룰로오스 나노 결정을 얻을 수 있다.4,5) 박테리아 셀룰로오스는 기존의 나노셀룰로오스와 다르게 큰 셀룰로오스 입자를 작게 만드는 것이 아닌 원료 물질인 포도당을 영양원으로 미생물의 배양에 의하여 만들어지는 특징을 갖는다.6,7)
셀룰로오스 나노섬유는 기계적 방법에 의하여 나노입자 크기로 가공된 셀룰로오스를 통칭하며 가공 공정의 기계적 에너지를 저감시키기 위하여 효소 전처리, 화학적 전처리, 기계적 처리 공정이 도입된다.8-10) 셀룰로오스 나노섬유는 화학적 처리 방법과 박테리아 등의 생물 학적 방법으로 만들어진 나노셀룰로오스와 비교하여 점도가 높고 칙소성(thixotropic)이 우수한 특징을 갖는다. 이런 특징은 전처리 공정에서 도입된 작용기의 종류와 함량에 의하여 좌우되기도 하지만 나노섬유의 폭과 길이의 형태학적 특징도 중요한 변수이다.11,12) 따라서 셀룰로오스 나노섬유의 폭과 길이의 측정을 통해 셀룰로오스 나노섬유의 품질관리나 특성을 유추하는 데 중요한 정보를 얻을 수 있다.
셀룰로오스 나노섬유 크기와 물성은 서로 밀접한 관계가 있다. 고압균질기를 사용하여 제조한 셀룰로오스 나노섬유는 균질기 통과 횟수가 증가할수록 중합도가 감소하고 인장강도가 증가하였다.13) TEMPO 산화에 의해 폭은 4 nm 정도로 일정하고, 처리조건에 따라 길이를 200, 680, 및 1,100 nm로 조절하여 셀룰로오스 나노섬유를 제조한 경우 길이가 감소할수록 필름의 강도적 성질 및 산소투과 저항도 우수하였다.14) 그 외 효소 처리에 의한 셀룰로오스 나노섬유 제조 결과 중합도가 감소할수록 탄성계수와 인장강도가 증가하였지만, 중합도가 일정 수치 이하로 내려갈 경우 인장강도가 감소하였다.15)
셀룰로오스 나노섬유의 크기를 측정하는 방법은 현미 경을 이용하는 방법이 주로 사용되는데 장비에 따라 주사전자현미경, 투과전자현미경, 원자현미경으로 나눈다. 주사전자현미경은 시료에 전자선이 조사될 때 전자-물질 간 상호작용으로 인해 발생하는 다양한 신호를 이용하여 시료의 표면을 분석하는 방법이다. 투과전자현미경은 주사전자현미경과 같이 전자선을 시료에 조사하여 투과된 전자 신호를 이용하여 분석하는 방법이다.16) 원자현미경은 시료에 절연된 미세한 탐침을 근접시킬 때, 발생하는 원자 간 힘을 이용하여 분석하는 방법이다.17) 전자 현미경과 원자현미경 방법으로 셀룰로오스 나노섬유의 크기를 측정할 경우 셀룰로오스 나노섬유를 직접 촬영하는 방법이기 때문에 크기에 대한 정확한 정보를 얻을 수있는 장점이 있다. 하지만 각 현미경으로 관찰하기 위한 코팅, 염색 등의 처리와 시료를 관찰하기 위해 소요되는 시간이 크다.
본 연구에서는 셀룰로오스 나노섬유의 크기 측정을 위한 유효한 방법으로서 나노 입도 분석기를 이용하여 분석하고자 하였다. 나노 입도 분석기를 사용하여 전자현미경 사용에서 요구하는 특별한 전처리(코팅, 염색 등)공 정을 제거하고, 셀룰로오스 나노섬유의 분석에 용이한 방법을 탐색하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
셀룰로오스 나노섬유의 제조를 위해 M 사에서 제공받은 활엽수 표백 크라프트 펄프를 사용하였다. 카르복시메틸화 전처리에 사용한 시약은 수산화나트륨(98%, OCI), 염화아세트산(99%, Sigma Aldrich, USA), 에탄올(96%, Sigma Aldrich)을 사용하였다.
2.2 실험 방법
2.2.1 카르복시메틸화 전처리
셀룰로오스 나노섬유를 제조하기 위해 카르복시메틸화 전처리를 실시하였다. 카르복시메틸화 전처리 조건은 수산화나트륨 49.4 g을 에탄올 3 L에 용해시킨 후 펄프 200.0 g과 혼합, 해리한 후 상온에서 2시간 동안 방치하여 펄프 표면 음이온화를 유도시켰다. 음이온화 된 펄프에 염화나트륨 43.3 g을 용해시킨 에탄올 1.5 L를 혼합한 후 75℃ 2시간 동안 반응시켜 카르복시메틸화 전처리를 실시하였다. 카르복시메틸화 반응이 완료된 펄프는 pH 6-7이 되도록 흡인여과방법으로 세척하여 셀룰로오스 나노섬유 제조에 사용하였다.
2.2.2 셀룰로오스 나노섬유 제조
카르복시메틸화 전처리된 펄프를 셀룰로오스 나노섬유로 제조하기 위해 그라인더(Supermasscolloider; MKZA10-15Ⅳ, Masuko Sangyo, Japan)와 고압균질 기(high pressure homogenizer; Panda plus, GEA, Italy)를 혼합사용하여 제조하였다. 카르복시메틸화 전처리된 면 펄프를 1.5%(w/w)로 희석한 후 기계적 처리를 하였으며, 그라인더 사용 조건은 디스크(MKG-C 120#, Masuko Sangyo)의 회전 속도 1,000±60 rpm, 디스크 갭 간격 200-250 μm 고압균질기 사용조건은 800±50 bar 압력으로 사용하였으며, 각 장비 통과 횟수는 Table 1에 나타내었다. 제조된 셀룰로오스 나노섬유는 나노 입도 분석, 투과전자현미경 분석에 사용하기 위해 0.001%로 희석 한 후 고압균질기에 0-50 bar로 통과시켜 셀룰로오스 나노섬유가 응집 없이 고르게 분산되도록 하였다.
2.2.3 나노 입도 분석
셀룰로오스 나노섬유의 폭과 길이 분석을 위해 나노 입도 분석을 실시하였다. 사용된 셀룰로오스 나노섬유는각 조건에 따라 제조된 시료를 0.001%로 희석, 분산된 시료를 사용하였으며, 나노 입도 분석기(Nano Particle Size Analyzer; Nanophox, Sympatec GmbH, Germany)를 사용하여 30초 동안 총 10회 반복 분석하여 각입자 크기의 빈도가 나타난 입자 분포도를 사용해 폭과 길이를 분석하였다.
2.2.4 투과전자현미경 분석
나노 입도 분석에 의해 측정된 셀룰로오스 나노섬유의 폭과 길이의 분석 결과를 투과전자현미경에 의해 얻어진 결과와 비교하고자 하였다. 사용된 시료는 나노 입도 분석에 사용한 시료와 같은 시료를 사용하였으며, 투과전자현미경(Libra 120, Carl zeiss, Germany)을 이용해 가속전압 120 kV, 10,000배율로 관찰하였다. 관찰에 사용한 그리드는 이산화규소가 지지체 필름으로 사용된 구리 그리드를 사용하였으며, 아세트산우라늄으로 셀룰로오스 나노섬유를 음영 염색하여 관찰용 그리드를 제작하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 나노 입도 분석기를 사용한 나노물질의 입자 크기 분석
콜로이드 입도 분석기는 주로 레이저 회절 방법으로 측정하지만 실험에 사용한 나노 입도 분석기는 동적광 산란 법을 사용하여 입자의 크기를 측정한다. 레이저 회절 방법은 레이저가 시료를 관통할 때 발생하는 레이저의 강도와 이에 따른 각도의 변화를 측정함으로써 입자의 크기가 측정된다.18)
동적 광 산란법을 이용한 입자 크기 방법은 시료와 시료, 시료와 용매 분자 사이에 열적으로 유도된 충돌에 의해 나타나는 브라운 운동을 하게 되는데, 이때 레이저를 시료에 조사하면 매우 짧은 시간 척도로 산란된 레이저의 강도가 빠르게 변하게 된다. 변하는 레이저의 변동을 분석하여 브라운 운동 속도를 산출하고 이것을 스톡스-아인슈타인 관계를 이용해 입자 크기를 측정하게 된다.19) 두 가지 방법 모두 입자의 모양을 구형으로 인식하여 분석하며 이 때문에 대부분 입도 분석은 원형 또는 원형에 가까운 입자를 분석하는 데 사용된다. 입도 분석기가 측정 할 수 있는 크기 범위는 일반적으로 빛의 파장을 조절하여 측정하게 된다. 일반적으로 콜로이드 입도 분석기는 청색 광원을 사용하거나 적색 광원을 함께 사용하여 측정한다. 하지만 더 작은 나노 단위의 크기를 분석할 경우 적색 광원을 사용하여 분석한다. 장치에 따라 광자 교차 상관 분광법 등의 방법을 적용하여 입도 분석 결과의 정확도를 증가시키고 있다. 실제 나노에멀젼 입자 크기를 나노 입도 분석기로 분석한 결과는 Fig. 1과 같이 나타나며, 일반적으로 나노 입도 분석기로 분석한 결과는 정규분포의 그래프로서 입자 분포를 얻을 수 있다. 동적광 산란법의 경우 같은 크기의 입자를 분석할 때 입자의 브라운 운동을 통해 측정된 유체역학적 직경(Hydrodynamic diameter)을 측정하기 때문에 레이저 회절법에 의한 측정치보다 큰 측정치를 얻을 수도 있다.
3.2 나노 입도 분석기를 사용한 나노셀룰로오스의 분석
셀룰로오스 나노섬유의 모양은 주로 폭과 길이가 다른 막대 또는 선형 구조이지만 종횡비가 매우 크기 때문에 폭은 수-수십 나노미터의 크기를 가지고, 길이는 수백-수천 나노미터의 크기를 가진다. 셀룰로오스 나노섬유는 폭과 길이가 다르고 종횡비가 큰 특성을 나노 입도 분석에 적용하면, 셀룰로오스 나노섬유를 나노 입도 분석을 실시할 경우 하나의 입자 크기 분포가 아닌 두 개 이상의 입자 크기 분포를 얻을 수 있다.
실제 셀룰로오스 나노섬유를 나노 입도 분석을 실시한 결과를 Fig 2에 확인한 결과 1-50 nm에서의 피크와 70 nm 이상에서 피크가 확인되었으며, 이를 통해 셀룰로오스 나노섬유의 폭과 길이를 확인할 수 있다. Figs. 2 A, B를 비교할 때, 그라인더 처리 조건에 따른 셀룰로오스 나노섬유의 크기 특성은 섬유 길이가 짧아지고, 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 그라인더를 6회 이상 통과시킨 샘플 2(Fig. 2B)와 8회 통과시킨 샘플 3(Fig. 2C)을 비교했을 때, 나노섬유의 길이나 폭이 감소 하지 않았다. 그라인더 처리횟수가 일정 횟수 이상일 때, 제조되는 셀룰로오스 나노섬유의 크기 감소를 기대할 수없는 것으로 판단된다. 하지만 고압균질기를 사용하여 고도로 가공할 경우 길이 감소를 확인할 수 있다.
Fig. 2.
Size distribution of cellulose nanofibrils by different grinder and high pressure homogenizer (H.P. homogenizer) treatment. (A): grinder 2 pass and H.P. homogenizer 4 pass, (B): grinder 6 pass and H.P. homogenizer 4 pass, (C): grinder 8 pass and H.P. homogenizer 4 pass, (D): grinder 8 pass and H.P. homogenizer 10 pass.
3.3 투과전자현미경에 의한 셀룰로오스 나노섬유 분석 및 나노 입도 분석 결과 비교
나노 입도 분석에 사용한 것과 같은 시료를 투과전자현미경을 사용하여 Fig. 3의 이미지를 촬영하였다. 투과전자현미경 분석 결과 Fig. 3A의 경우 그라인더 통과 횟수와 고압균질기 처리 횟수가 충분하지 않아 피브릴이 완전히 분리되지 않는 부분이 관찰되었다. 그 외 Figs. 3B, C, D의 경우에는 나노피브릴이 완전히 분획된 것이 확인되었다. 일반적으로 그라인더 처리의 경우 셀룰로오스 섬유에 전단력이 가해져 나노피브릴화가 시작되며, 길이와 폭 크기가 동시에 감소하고, 고압균질기에 의한 처리 효과는 섬유 방향으로 힘이 가해져 섬유의 나노피브릴이 분리되고, 주로 폭 크기가 감소하는 효과가 있다. 실제로 그라인더 처리 정도가 증가할수록 셀룰로오스 나노섬유의 길이가 짧아지는 것이 확인되었지만, 6회 통과 이후 길이 감소는 크게 나타나지 않았다. 하지만 Fig. 3D와 같이 기계적 처리 정도를 증가시킬 경우 폭 크기는 계속 작아지지 않지만, 길이는 짧아지는 것이 확인되었다. 폭의 경우 셀룰로오스의 기본단위 이후 더 이상 작아지지 않는 것으로 판단되며, 길이의 경우 파괴되지 않는 기본 단위까지 처리되지 않은 것으로 판단된다.
Fig. 3.
TEM images of cellulose nanofibrils by different grinder and high pressure homogenizer (H.P. homogenizer) treatment. scale=200 nm, (A): grinder 2 pass and H.P. homogenizer 4 pass, (B): grinder 6 pass and H.P. homogenizer 4 pass, (C): grinder 8 pass and H.P. homogenizer 4 pass, (D): grinder 8 pass and H.P. homogenizer 10 pass.
셀룰로오스 나노섬유의 폭과 길이를 나노 입도 분석과 전자현미경으로 분석한 결과를 Table 2에 정리하였다. 측정 결과 두 가지 방법으로 측정한 길이 감소 변화는 유사하게 나타났다. 특히 나노 입도 분석을 실시할 경우 투과전자현미경에 비해 더 작은 크기로 확인되었다. 이러한 차이가 발생하는 것은 분석 방법의 차이에 기인한다.
Table 2.
Comparison of cellulose nanofibril size between TEM and nanoparticle analyzer
(unit: nm)
| Nanoparticle Analyzer | TEM | |||
|---|---|---|---|---|
| Width | Length | Width | Length | |
| 1 | 3.0-13.4 | 244.2-266.7 | 5.9-11.1 | 474.8-669.1 |
| 2 | 1.6-2.2 | 121.4-142.5 | 2.8-8.3 | 141.3-326.8 |
| 3 | 1.6-2.2 | 112.9-164.8 | 2.9-8.3 | 119.8-330.2 |
| 4 | 1.1-1.6 | 36.7-78.3 | 2.7-6.7 | 99.1-256.7 |
나노 입도 분석 방법은 시료에 광원을 조사하였을 때 발생하는 산란광을 측정하는 방법으로 작은 크기의 시료를 관찰 할 때, 크기에 따른 산란이 정확하게 이루어지지 않을 경우 다른 측정치가 발생한다. 투과전자현미경에 의한 분석 방법은 셀룰로오스 나노섬유의 실제 이미지를 촬영하여 분석하는 방법으로 음영이 정확히 나뉘지 않는 등의 문제가 발생할 경우 실제 크기보다 작게 나타나며, 섬유가 네트워크를 형성하거나 응집된 경우 이를 구별하기 어렵다. 특히 투과자현미경으로 분석한 길이 측정 결과가 나노 입도 분석 결과에 비해 2배 이상 차이를 보이는 것이 셀룰로오스 나노섬유간 응집에 의해 몇 개의 섬유가 하나의 섬유로 확인되는 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 셀룰로오스 나노섬유의 폭과 길이를 나노 입도 분석을 통해 쉽고 빠르게 분석하고자 했다. 일반적으로 입도 분석을 실시할 경우 구형 입자에 의한 하나의 입자 분포도를 얻을 수 있었지만, 셀룰로오스 나노섬유를 나노 입도 분석한 결과 두 개의 입자 분포도를 얻을수 있었다. 이러한 입자 분포도가 확인된 것은 셀룰로오스 나노섬유가 구형이 아닌 막대형 또는 선형의 모양을 가지고 있으며, 폭과 길이의 종횡비가 큰 물질이기 때문에 나타난 것으로 판단된다.
셀룰로오스 나노섬유의 나노 입도 분석 결과를 투과전자현미경을 이용한 분석법과 비교한 결과 두 결과가 정확하게 일치하지 않지만, 기계적 처리에 의해 나타나는 셀룰로오스 나노섬유의 폭과 길이 감소 경향이 유사하게 나타났다. 이를 통해 두 분석 방법을 비교했을 때, 나노 입도 분석으로 셀룰로오스 나노섬유 폭과 길이를 분석할 경우 투과전자현미경보다 길이 분석 측면에서 더 정확한 정보를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
