1. 서 론
2. 바이오매스 소재를 활용한 비건 가죽 소재
2.1 균사체 기반 비건 가죽
2.2 파인애플 잎 섬유 (Pineapple Leaf Fiber; PALF)
2.3 선인장 섬유 (Cactus Leather)
3. 균사체 기반 비건 가죽의 특성화
3.1 균사체 및 기질 최적화
3.2 버섯 균사체 기반 비건 가죽의 기계적 특성
3.3 버섯 균사체 기반 비건 가죽의 수분 안전성
3.4 심미적 및 기능적 특성
4. 응용 및 미래 전망
4.1 지속 가능한 패션
4.2 비건 가죽의 산업 및 자동차 분야 응용
4.3 과제 및 연구 기회
5. 결 론
1. 서 론
글로벌 가죽 산업은 인류 문명 초기부터 인간 생활의 필수적인 부분으로 자리 잡아 온 전통적 산업이다. 가죽은 내구성과 연성 등과 같은 다양한 특성으로 인해 여러 산업 분야에서 중요한 재료로 활용되고 있다. 최근 보고에 따르면, 전 세계 가죽 제품 시장 규모는 2021년 약 4,000억 달러로 평가되었으며, 2030년까지 연평균 6%의 성장률을 기록할 것으로 전망된다.1) 그러나 이러한 성장은 환경적, 윤리적, 그리고 사회적 문제를 수반하며, 이는 지속 가능한 발전 목표 (SDGs) 달성에 있어 중요한 도전 과제로 작용한다.
전통적인 가죽 산업은 복잡한 가치 사슬을 통해 운영되며, 도축 및 원피 생산, 제혁 공정, 그리고 소비재 제조의 세 가지 주요 단계로 구성된다.2) 그러나 이 과정은 막대한 양의 에너지와 물을 소모하고 다량의 유독성 화학 물질을 방출하여 환경적 영향을 초래한다. 특히 제혁 공정은 크롬염, 염화물, 황화물, 탄닌 등의 유해 화학 물질을 대규모로 방출하며, 이는 수질 및 토양 오염을 일으켜 주변 생태계를 훼손하고 인간 건강에 부정적인 영향을 미친다.3) 또한, 가죽 산업은 온실가스 배출 및 산림 파괴의 주요 원인으로 작용하며, 이는 기후 변화와 생물 다양성 손실을 가속하는 것으로 알려져 있다(Fig. 1).4)
이러한 이유로 가죽 산업의 글로벌 주요 소비 시장에서 소비자들의 인식은 점차 변화하고 있으며, 지속 가능성과 윤리적 소비에 관한 관심이 높아지고 있다. 따라서 전통적인 가죽 생산 방식에 대한 비판과 함께 지속 가능한 비즈니스 모델의 필요성이 강조되고 있으며,2)환경적, 윤리적 문제 해결을 통해 가죽 산업의 지속 가능성을 확보하는 새로운 접근법을 모색할 필요성을 시사한다.
이러한 배경에서 가죽 산업의 지속 가능성을 확보하기 위한 다양한 기술적 대안이 개발되고 있다. 특히, 전통적인 동물성 가죽 생산이 초래하는 심각한 환경적 영향을 줄이기 위해 대체 재료의 연구와 활용이 주목받고 있다.
대표적인 대안 중 하나로는 합성 인조 가죽이 있으며 주로 엘라스토머 코팅(주로 폴리염화비닐, 폴리우레탄 등)을 적용하여 제작되는 것으로 알려져 있다. 상업 시장에서는 이를 토대로한 다양한 상품이 출시되어 인기를 끌고 있다.5)엘라스토머 코팅을 통한 인조 가죽의 주요 장점으로는 높은 충격 저항성, 경량, 유연성, 높은 마모 저항성, 인장강도, 그리고 저렴한 비용 등 있다.6) 인조가죽은 주로 신발, 시계 스트랩, 자동차 시트 커버, 지갑, 의류 및 가방과 같은 다양한 생활용품 제작에 널리 사용된다.7,8,9)
그러나 합성 인조 가죽은 재생 불가능한 화석 연료에서 유래되어 생분해성이 없으며, 생산 과정에서 다량의 유해 화학 물질을 방출하는 문제점이 있다.10) 예를 들어, 폴리우레탄 원단의 원료는 석유에서 파생되며, 가공 과정에서 막대한 에너지 소비와 함께 기후 변화 및 환경 오염을 초래한다.11)
Fig. 2는 가죽 소재에 대한 분류 및 하위 유형을 나타낸 것으로써 전통적인 천연 가죽 및 합성 인조 가죽 이외에 재생 가능하고 생분해가 가능한 소재를 활용한 비건 가죽 소재에 대한 연구 개발 및 상업화가 활발히 진행 중이다. 바이오매스 기반의 비건 가죽의 원료로는 박테리아 셀룰로오스, 바나나 줄기 섬유, 선인장 잎, 망고 섬유, 파인애플 잎, 콜라겐 및 균류 균사체로 구성된 소재 등이 포함된다.12) 그러나 이러한 재료는 물리적 특성 면에서 전통적인 동물 가죽과 다르며, 특히 높은 친수성과 낮은 인장강도 등 한계가 존재하는 것으로 알려져 있다.13,14)
균사체 기반 가죽 소재는 비건 가죽 소재의 대표적인 소재로 주목받고 있다. 이는 키틴, 글루칸, 단백질로 구성된 생체 소재로, 지속 가능성과 낮은 생산 비용, 빠른 성장률, 및 낮은 탄소 발자국 등의 이점을 제공한다.15) 이러한 특징은 균사체 기반 재료가 기존의 합성 가죽 및 동물성 가죽을 대체할 수 있는 잠재력을 가짐을 시사한다. 그러나 여전히 두께의 균일성, 인장강도, 취급 특성 등에서 개선이 요구되며, 이를 해결하기 위한 연구가 지속되고 있다.16)
균사체 기반 비건 가죽 소재의 한계를 해결하기 위한 생산 공정으로 제지 공정이 점차 주목받고 있다. 제지 공정은 섬유의 현탁, 여과, 압착, 그리고 건조 단계를 통해 섬유 시트를 제작하는 기술로, 균사체 기반 소재를 활용한 비건 가죽의 균일성, 두께, 기계적 특성을 개선할 수 있는 잠재력을 지닌다. 특히, 균사체 기반 비건 가죽 제작에서 흔히 사용되는 균사체 재배 방식인 액체 발효(Liquid-State Fermentation; LSF)는 고도로 농축된 균사체 바이오매스를 생산할 수 있으며 이를 섬유상의 물질로 만들 수 있기 때문에 제지 공정과 잘 결합된다. LSF 방식으로 재배된 균사체는 그라인더 등과 같은 기계적 처리를 통해 균사체를 섬유상의 물질로 변환한 뒤 섬유 현탁, 여과, 압축, 건조의 단계를 거치는 제지 공정을 통해 시트 형태로 제작이 가능한 것으로 보고되고 있다.17,18,19,20)
제지 공정에서의 캘린더링과 균사체 기반 가죽 제작공정에서의 열 압착 공정은 유사한 매커니즘을 가지고 있다. 제지 공정의 마무리 단계인 캘린더링은 종이의 표면 균일성, 광택, 두께 균일성을 개선하며 종이의 심미적 특성과 기계적 특성을 향상시킨다.21,22)
바이오매스를 기반으로 제지 공정이 적용된 비건 시트의 제작은 다양한 평량 조건과 균일한 두께 및 높은 강도적 특성을 제공 등의 다양한 장점이 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 논문에서는 다양한 바이오매스 소재와 제지 공정을 통한 지속 가능한 비건 가죽 소재의 제조 사례를 살펴보고자 하였으며, 특히, 균사체를 기반으로 한 제지 공정 적용 비건 가죽 소재의 이점에 대하여 알아보고자 하였다.
2. 바이오매스 소재를 활용한 비건 가죽 소재
2.1 균사체 기반 비건 가죽
균사체는 지속 가능한 비건 가죽을 제작하기 위한 다목적 바이오매스 소재로 주목받고 있다. 균사체 기반 비건 가죽 소재는 키틴-글루칸 복합체로 구성되며, 이는 자연에서 채취된 자실체나 고체 또는 액체 기질에서 배양된 균사체 바이오매스로부터 추출된다.23,24) 균사체 배양 방법은 크게 고체 발효 배양 (Solid-State Fermentation; SSF)과 액체 발효 배양 (Liquid-State Fermentation; LSF)으로 나뉜다.
SSF는 톱밥, 옥수수 줄기 등 리그노셀룰로오스 기반 기질에 영양분을 첨가하여 균사체를 배양하는 방법이다.25,26,27,28) 이 과정에서 균사체는 기질 상단 표면에 부직포 형태의 균사 매트 형태로 성장한다. 균사체 매트는 탈수 과정 및 화학적 처리와 열 압축 과정을 거쳐 두께와 질감을 조정한 후 원하는 패턴을 새겨 넣어 최종 제품의 비건 가죽 형태로 완성된다.
SSF에서 가장 중요한 요소는 균주의 선택과 기질의 종류이다. 연구에 따르면, 단단한 셀룰로오스 기반 기질에서 배양된 균사체는 높은 강도와 낮은 물 흡수율을 보이지만, 액체 전분 기반 기질에서 배양된 균사체는 더 높은 신장률을 나타낸다고 보고된 바 있다.29) 또한, SSF를 통한 균사체 배양 과정에서는 기질의 영양소 구성, 분포, 밀도에 따라 균사체의 특성이 달라질 수 있으며, 이를 조절함으로써 원하는 균사체의 특성을 발현할 수 있다는 장점이 있다.30) 그러나 SSF 시스템은 LSF 시스템에 비해 온도 구배, 수분 조절, pH 관리, 가스 교환 등의 조작이 어려워 대규모 생산으로 확장하는 데 한계가 있다.31)
LSF는 짧은 배양 기간, 높은 확장 가능성, 그리고 SSF보다 적은 배양 공간을 요구한다.32,33) LSF를 통해 배양된 덩어리진 균사체는 여과 과정을 통해 균사체 바이오매스와 기질을 쉽게 분리할 수 있어 키틴 또는 키토산과 같은 순수 균사체를 수확하기에 용이하다.32,34)LSF 방식으로 얻어진 균사체는 기계적 처리를 통해 균질화하여 섬유 형태로 변형한 뒤 충분한 물에 분산시키면 전통적인 제지 공정을 활용하여 균사체 시트를 제작할 수 있으며,59) 이는 환경친화적이고 생분해가 가능한 가죽 대체 소재로 활용할 수 있다. 또한 부족한 강도적 특성을 보안하기 위한 방안으로 균사체를 펄프 소재와 혼합하여 섬유 시트를 형성할 수 있어 비건 가죽을 제조할 수 있는 유망한 방법으로 주목받고 있다.
크라프트 펄프와 냉동 건조된 균사체를 펄프 섬유 건조 중량 기준으로 0%, 5%, 10%, 20%, 25%, 50% 혼합한 종이의 경우, 균사체를 혼합함으로써 파열강도가 개선되는 것을 보여주었으며, 특정 균사체 (S. ferax)에서는 인장강도가 개선되었다고 보고된 바 있다.35) 또한 균사체를 첨가하였을 경우 종이의 밀도 증가로 인해 공기 투과도가 감소하였다. 이러한 연구들은 균사체 기반 시트가 지속 가능하고 환경친화적인 비건 가죽으로 제조 및 활용될 수 있음을 시사한다.35)
최근 들어 균사체와 리그노셀룰로오스 잔여물을 결합하여 섬유 시트를 형성하는 기술에 관한 많은 연구가 진행 중이다. 예를 들어, Fig. 3과 같이 당근 찌꺼기와 같은 농업 폐기물을 활용하여 Rhizopus delemar 진균을 배양하고, 이를 통해 평량 36–120 g/m2의 균사체 기반 시트를 제작함으로써 우수한 기계적 및 열적 특성 갖는 소재를 제작한 바 있으며, 염료의 흡착 및 가죽 유사 소재로 적합함을 보여주었다.36)
또한, 빵 폐기물을 활용하여 Rhizopus delemar를 배양한 후 생성된 균사체를 그라인더로 섬유화 한 후, 제지 공정을 기반으로 한 습식 성형 기술을 통해 평량 100 g/m2의 균사체 시트를 제작하였다. 습식 성형 기술은 밀도가 높고 균질한 구조를 형성하였으며 그 결과 높은 기계적 강도를 가지는 시트를 제조할 수 있다고 알려져 있다(Fig. 4).37) 해당 연구 사례를 통해 제지 공정을 활용한 시트 형성이 균질한 형태의 균사체 기반 바이오매스 시트 제작에 적합한 기술임을 알 수 있다.
균사체 기반 섬유의 경우 키틴 (Chitin), 글루칸 (β-glucan), 만난 (Mannan)과 같은 다당류 성분이 주를 이루며, 각 다당류 등은 다수의 수산기를 가지고 있으므로 제지 공정을 통해 수소결합이 가능한 시트 형태의 가죽 제품으로의 시트 제조가 가능할 것이다. 다만, 키틴 내 주요 작용기인 N-아세틸기 (‒NHCOCH3)의 경우 반응성이 낮아 수소결합 가능 부위가 제한적인 것으로 알려져 있다. 이를 위한 방안으로 Fig. 5와 같이 탈아세틸화 반응을 통해 아세틸기를 제거하고 수소결합력을 향상시킬 수 있는 아미노기 (‒NH2)를 도입하여 시트의 강도적 특성을 향상 시킬 수 있다.39)
Janesch 등40)은 양송이버섯(Agaricus bisporus)에서 추출한 키틴-글루칸 복합체를 탈아세트화한 후, 키토산-글루칸과 셀룰로오스 미세섬유를 혼합하여 평량 10–85 g/m2의 다양한 복합 시트를 제작한 결과 강도적 특성이 향상됨을 보고한 바 있다. 이 연구는 셀룰로오스와 균사체를 결합한 복합재 제작과 다양한 평량으로 비건 가죽 소재로 발전할 수 있음을 시사하며, 균사체 기반 바이오매스의 응용 가능성을 넓히고 있다. 이처럼 제지 공정을 활용한 균사체 기반 바이오매스를 효과적으로 활용하고, 기계적 특성을 향상시키며, 다양한 응용 분야에서 비건 가죽 소재로 자리 잡을 가능성이 있을 것이다.
2.2 파인애플 잎 섬유 (Pineapple Leaf Fiber; PALF)
파인애플 잎 섬유는 지속가능한 비건 가죽 소재로 주목받으며, 매년 약 2,500만 톤에 달하는 파인애플 잎이 폐기되는 현실에서 이를 자원화하여 농업 폐기물 문제를 해결하는 효과적인 방안으로 대두되고 있다.41) 파인애플 잎 섬유 소재는 동물 가죽과 유사한 외형과 질감을 제공하면서도 환경적 부담을 최소화하는 특성을 보이며, 패션 및 라이프스타일 산업에서 그 가치를 인정받고 있다(Fig. 6).42) 더불어, 농업인들에게 추가적인 소득을 창출하여 경제적 혜택을 제공하며, 단순히 환경적 영향을 줄이는 데 그치지 않고 순환 경제를 구현하는 대표적인 사례로 평가받고 있다.41)
이러한 파인애플 잎 섬유를 만드는 방법은 여러 종류가 있다. 먼저 섬유를 알칼리 처리, 실란 처리 등을 한 뒤 톨루엔에 녹인 폴리에틸렌 용액 혼합 기법을 통해 막대 형태의 사출 성형물을 제작하고, 이를 통해 가죽을 제작하는 방법이 제시된 바 있다.43,44)
또한 파인애플 잎 섬유를 수산화칼륨 처리를 통해 팽윤시킨 후 가죽 고체 폐기물과 1:1 비율로 혼합한 뒤 라텍스, 에틸렌글리콜과 같은 첨가제를 첨가하여 가죽 형태로 제조한 바 있다.45)
이러한 방식과는 달리, 파인애플 잎을 균질화해 섬유화한 뒤 이를 제지 공정을 이용해 시트화 한 후 코팅 과정을 거쳐 가죽을 만드는 제조 방법이 제시된 바 있다. 해당 방식의 경우 수산화나트륨을 이용하여 섬유를 분리하고 불순물을 제거함으로써 셀룰로오스 함량을 증가시키며46) 정제된 섬유를 옥수수 기반 폴리락틱산(PLA)과 혼합하여 제지 공정의 초지 과정을 거쳐 비직물 시트 형태로 제작된다. 이러한 제지 공정을 통해 만들어진 시트는 혼합액의 비율 조절을 통해 유연성을 조절시킬 수 있으며, 적절한 첨가제 투입을 통해 강도와 열적 안정성을 변화시킬 수 있다.47) 필요에 따라 라텍스 코팅 또는 PU 코팅을 통해 방수성과 내구성이 강화된 바이오 복합재로 변환될 수 있다.48)
이러한 파인애플 잎 섬유 기반 가죽은 패션 산업을 넘어 자동차, 가구, 액세서리 등 다양한 분야로 활용 범위를 확장하고 있으며 지속 가능성과 환경친화적 가치를 중시하는 Hugo Boss, H&M, Camper, Puma와 같은 글로벌 브랜드들로부터 높은 관심을 받고 있다. 대표적인 사례로 Piñatex는 파인애플 잎 섬유를 활용하여 다양한 색상과 독특한 텍스처, 내구성과 유연성을 겸비한 기능성과 미적 요소를 동시에 충족시키는 비건 가죽 소재를 소개한 바 있다.49)
2.3 선인장 섬유 (Cactus Leather)
선인장 기반 비건 가죽은 보검 선인장(Opuntia ficus-indica)에서 추출한 섬유를 활용한 친환경 가죽 소재로, 매년 약 2,500만 톤의 선인장 잎 농업 폐기물을 재활용하여 제작된다.28) 특히, 선인장은 적은 물만으로도 성장할 수 있으며, 화학 비료나 농약이 필요하지 않아 지속 가능한 재료로 평가받고 있다.50)
선인장 섬유를 이용한 가죽의 제조 과정은 성숙한 선인장 잎을 수확한 뒤 세척하고, 최소 3일 동안 태양광에서 자연 건조하는 것으로 시작된다. 건조된 잎은 분쇄 과정을 거쳐 섬유와 단백질 성분으로 분리할 수 있으며 제지 공정과 유사한 방식으로 면이나 폴리에스터와 같은 재활용 섬유 매트릭스 위에 도포되어 최종적으로 가죽 소재로 제작된다(Fig. 7). 이러한 선인장 가죽은 내구성이 뛰어나고, 일상적인 마모에 강하며, 부드러운 질감, 우수한 통기성, 자연 방수 기능 등을 갖추고 있어 다양한 용도로 활용될 수 있다.50)
실제로 Colin-Chavez 등은51 선인장 잎을 균질화하여 이를 펄핑, 여과, 세척, 고해를 통해 지료를 만들고 수초지를 제작하는 연구를 진행한 바 있다.
선인장 기반 비건 가죽은 친환경 패션 및 라이프스타일 산업에서 혁신적인 대안으로 자리 잡고 있다. 지속적인 생산 공정 개선과 기술 혁신을 통해 가죽 산업의 지속 가능성을 선도할 중요한 소재로 기대된다. 기계적 특성 측면에서 동물 가죽과 유사한 질감과 통기성을 제공하며, 우수한 내구성과 유연성을 지니고 있어 핸드백, 신발, 의류, 가구, 자동차 내장재 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능성이 크다.52)
PVC 기반 가죽보다 환경에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있다는 점에서 선인장 기반 가죽은 지속가능한 산업 전환의 중요한 역할을 하고 있다. 면섬유 대비 적은 물과 농약 사용으로 환경적 부담을 줄일 수 있으며, 척박한 토양에서도 잘 자라는 특성을 통해 기후 적응성이 뛰어나며, 동물 가죽 생산 과정에서 발생하는 메탄 배출과 유해 화학물질 사용을 줄임으로써 환경 문제 해결에 기여하고 있다.50,52)
3. 균사체 기반 비건 가죽의 특성화
3.1 균사체 및 기질 최적화
균사체 기반 재료의 성장 및 기계적 특성은 균사체 성장에 필요한 기질의 선택과 재배 조건에 크게 영향을 받는다. 일반적으로 사용되는 기질은 밀기울, 사탕수수 찌꺼기, 당근 찌꺼기 등 섬유질 농업 부산물 및 톱밥을 혼합하여 사용한다. 이러한 기질은 균사체와 상호작용을 통해 견고하고 상호 연결된 네트워크 구조를 형성한다. 균사체의 세포벽은 내부의 키틴-글루칸 가교 구조와 단백질이 풍부한 외부층으로 이루어져 있어(Fig. 8), 기질과 상호작용에 따라 높은 기계적 강도와 안정성을 제공한다.53,54)
또한, 균사체의 기계적 특성은 재배 조건과 기질의 조정에 따라 달라질 수 있다. 동일한 균사체를 재배하더라도 Table 1과 같이 기질의 차이로 밀도, 인장, 압축 및 굽힘 특성이 달라질 수 있다.32) 이러한 영향으로 배지의 성분, 영양소, 환경적 요인 등을 조절함으로써 원하는 특성을 가진 균사체를 성장시킬 수 있으며55), 더 나아가 균류의 유전자 조작을 통해 특정 배지와의 상호작용을 강화할 수 있다.56)
Table 1.
Properties of mycelium based on substrate types30)
균사체의 형성 형태는 발효 조건에 따라 달라지며, 이는 최종 제품의 특성에도 영향을 미친다. 액체 발효 조건에서는 Fig. 9와 같이 덩어리 형태의 균사체가 주로 생성되며35) 반면, 고체 발효 조건에서는 목질계 셀룰로오스, 밀기울, 밀짚, 사탕수수 찌꺼기 등의 기질을 활용하여 매트 형태의 균사체를 생성할 수 있다.57)
결론적으로, 균사체 기반 재료의 성장 및 기계적 특성을 극대화하기 위해서는 재배 조건과 기질 조성을 세밀하게 조정하는 것이 필수적이며, 이는 균사체 기반 가죽 소재의 응용 가능성을 확장하고 성능을 향상시키는 핵심 요소로 작용하게 된다.
3.2 버섯 균사체 기반 비건 가죽의 기계적 특성
버섯 균사체 기반 가죽은 사용된 균사체와 제조공정에 따라 다양한 기계적 및 물리적 특성을 나타낸다. 이러한 특성은 제품의 두께, 인장강도, 신장률 등 주요 기계적 지표에 반영되며, 균사체 종류와 제조 과정의 조건에 따라 조정될 수 있다.30)
Table 2는 SSF 및 LSF 배양법으로 제작된 균사체 기반 비건 가죽의 물리적 성질 나타낸다. 인장강도는 균사체 기반 가죽의 내구성을 평가하는 중요한 지표이다. 먼저, SSF 배양법으로 배양된 균사체 시트의 평균 인장강도는 3–15 MPa로 균사체 종에 따라 큰 차이를 보인다.62,63,64,65)
Table 2.
Mechanical properties of mycelium-based leather
신장률은 균사체 기반 가죽의 유연성을 평가하는 데 중요한 지표로 균사체의 종류에 따라 5–15%의 수치가 보고되었다.58,59,60,61)Rhizopus delemar 기반 가죽의 경우 19.0–20.7 MPa의 인장 강도를 보여 내구성이 요구되는 산업용 소재에 적합한 특성을 보인다.40) 반면, 상업적 제품인 MuSkin™은 0.3–0.4 MPa의 낮은 인장강도를 나타내었으나 가교제 사용을 통해 유연성이 중요한 패션 제품에 쓰이고 있다.59,60)Trametes versicolor는 6.7±3.0%의 신장률을 나타내어 강도와 유연성이 균형 잡힌 특성을 보였다.61) 이는 균사체 기반 가죽의 용도가 단순한 내구성을 요구하는 소재에서부터 유연성과 내구성이 동시에 필요한 복합적 요구사항을 충족할 수 있음을 보였다.
LSF 배양으로 배양된 Fomes fomentarius와 Trametes versicolor 균사체의 경우 34.2 MPa로 적절한 인장강도를 보여준다. 반면, Pleurotus eryngii의 경우 3.4%로 상대적으로 낮은 신장률을 보여주므로 구조적 안정성이 필요한 가구 커버 등에 유용하게 사용될 수 있다.61)
균사체 기반 가죽의 기계적 특성은 균사체 자체의 생화학적 구조와 제조공정에서의 조정 가능성에 크게 좌우되기 때문에 이를 섬유화한 뒤 제지 공정을 거쳐 원하는 평량과 밀도로 조절이 가능할 것으로 기대되며 다양한 용도에 최적화할 수 있을 것으로 보인다.
3.3 버섯 균사체 기반 비건 가죽의 수분 안전성
균사체 기반 가죽의 장기적인 내구성과 기계적 성능을 보장하기 위해 물 흡수율을 줄이는 것은 매우 중요한 과제이다. 균사체는 본질적으로 다공성과 친수성을 가지며, 수분 흡수가 증가할 때 소재의 구조적 강도와 안정성이 약화되는 특성이 있다. 높은 습도 환경에서는 물 분자가 균사체의 세포벽으로 침투하여 내부 네트워크를 약화시키며, 이는 탄성 계수 감소와 파열강도 저하로 이어질 수 있다.62) Mylo 샘플의 상대 습도 변화에 따른 수분의 흡착 특성은 천연 가죽과 유사한 경향을 보였으며, 물 흡수가 탄성 계수를 감소시키는 주요 요인임이 보고한 바 있다.62)
이와 같은 문제를 해결하기 위해 다양한 기술적 접근이 제안되고 있다. 우선, 가교 처리는 균사체 내부의 키틴-글루칸 네트워크를 강화하여 물 분자의 침투를 제한시킬 수 있다. 키토산의 glutaraldehyde 가교 처리를 통해 물 흡수율을 약 72% 감소시킬 수 있었으며, 이를 통해 가교 처리 농도가 물 흡수율 감소에 중요한 영향을 미친다는 점을 알 수 있다.63)이와 유사하게 glyoxal 가교 처리를 통해 물 흡수를 줄이면서도 균사체 기반 소재의 수분 안전성을 유지하는 데 기여한다는 결과가 보고된 바 있다.64)
건조 공정 및 열처리 기술은 물 흡수율을 줄이고 균사체 기반 가죽의 치수 안정성을 보장하는 데 중요한 역할을 한다. 열 건조 기술은 상대 습도 변화로 인한 균사체의 탄성 계수 저하를 완화하며, 습도 변화로 인한 내구성 손실을 최소화할 수 있다. 열 건조는 균사체의 내부 수분 함량을 낮추고, 물리적 안정성을 유지하는 데 기여하여 장기적인 내구성을 향상하는 데 효과적이다.62)
결론적으로, 균사체 기반 가죽의 물 흡수 문제를 해결하기 위해 가교 처리, 건조 공정 및 열처리와 같은 기술적 접근을 통합적으로 활용해야 한다. 이러한 전략은 균사체 기반 가죽의 기능성과 내구성을 향상시키며, 다양한 환경 조건에서 실질적인 응용 가능성을 높이는 데 기여할 것이다.
3.4 심미적 및 기능적 특성
비건 가죽의 외관과 기능성을 향상시키기 위해 표면 처리와 코팅은 필수적인 요소로 자리 잡고 있다. 비건 가죽은 표면 처리 및 코팅 없이 방치되었을 경우, 완전 건조 상태에서는 가죽과 유사한 특성을 나타내기 어려운 한계가 있다.65) 이러한 한계를 극복하기 위해 전통적인 코팅 기술과 최신 적층 공정이 활용되고 있으며, 이를 통해 비건 가죽의 내구성과 심미적 속성을 동시에 개선하고 있다.
전통적인 가죽이나 섬유 제조 산업에서 사용되는 염료, 수지, 오일, 파라핀, 천연 및 합성 폴리머와 같은 다양한 코팅제는 비건 가죽에도 효과적으로 적용될 수 있다. 이러한 코팅은 에어 스프레이, 커튼 코팅, 딥 코팅과 같은 공정을 통해 구현되며, 비건 소재의 내구성을 강화하고 외관을 개선하는 데 중요한 역할을 한다.61) 특히, 염료와 폴리머 기반 코팅은 가죽 소재의 다양한 질감과 색상을 구현할 수 있어, 심미적 요구를 충족시키는 데 기여한다.
또한, 적층 공정을 통해 배리어 층을 생성하며 기계적 특성을 강화함으로써 비건 가죽의 내구성을 획기적으로 개선하는 기술도 있다. 예를 들어, MycoWorks는 열과 압력을 이용하여 미생물 발효로 생산된 PLA (Polylactic acid)를 균사체 표면에 적층시키는 방법을 개발하였다. 이 공정은 균사체 소재의 강도와 유연성, 재료의 생분해성 및 내구성을 강화한다.66,67)
이러한 적층 방식은 제지 공정에서 활용되는 다층 구조 형성 및 고밀도 압축 공정과 유사한 원리를 적용할 수 있으며, 이를 통해 균사체 기반 비건 가죽의 내구성과 방수성이 개선될 가능성이 있다. 특히, 제지 공정에서는 각 층의 기능을 최적화하기 위해 서로 다른 섬유 조성을 배합하고, 고압 압착 및 표면 처리 기술을 활용하여 최종 용도에 적합한 물성을 부여하는 방식을 사용한다.68) 다층 종이를 제작할 때 표면층은 평활성을 높이기 위해 고급 화학펄프를 사용하고, 중간층은 강도 확보를 위해 혼합 펄프를 적용하며, 바닥층은 비용 절감을 고려하여 기계펄프를 활용하는 방식이 대표적이다.69) 이러한 원리를 균사체 기반 가죽에 적용할 경우, 표면층을 폴리머 코팅이나 미세섬유로 강화하고, 내부 구조는 강성을 유지하는 형태로 적층하여 내구성을 극대화할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 다층 종이 제조에서 사용되는 다중 헤드박스 시스템과 트윈 와이어 포머 방식을 접목하면, 균사체 기반 비건 가죽에서도 균일한 적층 구조를 형성하고 내구성을 개선할 가능성이 있다. 제지 공정에서 널리 사용되는 고압 압착 및 캘린더링 공정을 적용하면, 층간 결합력을 높이고 표면을 정밀하게 가공하여 기존 가죽과 유사한 촉감과 심미적 품질을 구현할 수 있을 것으로 보인다.70)
또한 균사체 기반 비건 가죽의 심미적 및 기능적 특성을 높이는 데 있어 균사체의 고유한 항균 특성도 중요한 역할을 한다(Fig. 10). 균사체의 세포벽에 존재하는 α-키틴은 항균 효과를 제공하며, 이는 비건 가죽의 부가가치를 크게 높인다. 특히, 키틴은 높은 결정성과 강한 수소결합을 통해 박테리아 세포벽과 상호작용하여 세포막의 투과성을 증가시키고 세포 파괴를 유도한다.71,72)이러한 특성은 비건 가죽이 단순히 심미적 소재에 그치지 않고, 기능적 특성을 겸비한 고부가가치 재료로 자리 잡게 한다. 균사체 소재의 고유한 특성과 결합하여 다양한 응용 가능성을 제공한다. 이는 비건 가죽이 기존의 동물성 가죽을 대체할 수 있는 잠재력을 극대화하는 데 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.
4. 응용 및 미래 전망
4.1 지속 가능한 패션
바이오 기반 소재는 균사체, 농업 폐기물, 기타 식물 기반 물질에서 유래하며, 전통적인 가죽 생산 공정에 비해 환경적 영향을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 지닌다.74) 이러한 지속 가능한 소재에 대한 수요는 특히 자동차 및 패션 산업과 같이 가죽이 널리 사용되는 분야에서 두드러지며, 이는 소비자 행동과 구매 패턴에도 반영되고 있다.75)
특히 버섯 균사체 기반 가죽은 농업 생산 및 원료확보 과정에서 농업 폐기물이 주 원료로 사용되지 않아 원료가 계절성 과 지역성에 영향을 받지 않는다. 또한 빠른 성장 속도, 천연 섬유 네트워크를 통한 강도 및 유연성 조절, 화학 처리 최소화, 생분해성 및 항균 특성과 같은 강점을 가지며, 이는 기존 식물 기반 비건 가죽보다 지속 가능성과 기능성 측면에서 우수한 대안이 될 수 있다.
또한, 독특한 디자인과 텍스처, 그리고 혁신적인 패턴 구현 가능성으로 인해 디자이너와 소비자 모두에게 매력적인 대안으로 주목받고 있다.76) 대표적으로 Stella McCartney, Gucci, Hermès, Vivienne Westwood와 같은 럭셔리 브랜드들은 이러한 바이오 기반 가죽의 활용을 통해 지속 가능성을 실현하고 있으며, 디자인 혁신과 환경 보호를 동시에 추구하고 있다.77,78)
균사체 기반 가죽의 주요 장점으로는 농업 폐기물 및 리그노셀룰로오스 재료를 활용한 생산 가능성, 저비용 및 친환경적 특성, 그리고 유독한 화학물질을 사용하지 않는 공정이 있다.73) 이 소재는 키틴 및 글루칸과 같은 다당류로 구성되어 있으며, 생산 후 생분해되거나 퇴비화가 가능하다는 점에서 환경친화적이다. 또한, 무게가 가볍고 기계적 특성을 조정할 수 있어 다양한 산업에서 응용할 수 있다.79,80,81,82,83,84)
4.2 비건 가죽의 산업 및 자동차 분야 응용
비건 가죽은 자동차 인테리어 및 내장재와 같은 다양한 산업 분야에서 전통적인 가죽의 대체재로 연구 및 적용되고 있다. BMW와 Mini는 2023년 모델부터 대부분 차량에 비건 소재를 적용했으며, Ford의 Mustang Mach-E는 비건 가죽을 활용한 스티어링 휠과 내부 가죽 소재를 기본 사양으로 채택하고 있다.78) Mercedes의 EQXX 전기 자동차는 버섯, 대나무, 선인장, 비건 실크와 같은 재생 가능 소재를 적용한 혁신적인 비건 실내장식을 제공하고 있으며, Tesla의 Model 3와 Model Y는 프리미엄 합성 시트와 비건 스티어링 휠을 기본 사양으로 포함하고 있다.50)
Volvo는 2030년까지 모든 차량에서 가죽을 완전히 제외할 계획 중이며, 양모 혼합 소재를 대안으로 제공하고 있다. 특히, 2022년 출시된 C40 Recharge 모델을 시작으로 모든 전기차 모델은 가죽이 없는 디자인을 채택하고 있다.50)
비건 가죽은 자동차 산업뿐만 아니라 가구, 패션, 그리고 생활용품 제조에서도 중요한 소재로 자리 잡고 있다. 지속가능한 재료 사용과 환경적 책임을 중시하는 글로벌 브랜드들은 비건 가죽의 잠재력을 최대한 활용하고 있으며, 이는 환경친화적 제품의 소비자 선호 증가와 맞물려 더욱 확산할 것으로 보인다.74,76)
4.3 과제 및 연구 기회
다양한 산업에서 균사체 기반 비건 가죽의 잠재력은 매우 크지만, 이러한 신흥 산업은 해결해야 할 여러 문제를 안고 있다. 균사체 기반 비건 가죽은 일반 가죽에 대한 지속 가능하고 윤리적인 대안으로서 주목받고 있음에도 불구하고, 광범위한 상업화를 방해하는 장애물이 존재한다. 특히, 생산 규모 확대는 가장 중요한 도전 과제 중 하나로, 많은 바이오매스 기반 가죽 제조공정이 대규모 생산에 최적화되어 있지 않다. 이는 전 세계적으로 증가하는 비건 가죽의 수요를 따르기 어렵게 하며, 가용성을 낮추고 비용을 증가시켜 균사체 기반 가죽이 전통적인 가죽이나 합성 소재보다 경쟁력이 떨어지게 만든다.85)
또한 균사체는 일반적으로 실험실에서 배양되거나 미생물을 활용해 제조되는데, 이러한 과정은 바이오 기술, 특수 장비, 에너지, 과학적 전문기술이 요구되어 높은 생산 비용으로 이어진다. 예를 들어, 실험실에서 배양된 가죽은 고도로 특화된 장비와 과정이 있어야 하며, 이에 따라 최종 제품의 가격이 일반 천연 가죽보다 높아지는 경우가 많다. 따라서 생산 방법의 간소화와 규모의 경제 실현이 이루어지기 전까지는 이러한 문제가 지속될 것으로 보인다.86)
균사체 기반 가죽의 편안함, 내구성, 유연성, 청결성 등 원하는 물성을 얻기 위해 화학적 처리가 필요할 수 있다. 균사체의 다공성 구조와 친수성은 고습 환경에서 소재 성능의 저하를 초래할 가능성이 있으므로, 이를 보완하기 위해 가교 처리와 표면 코팅과 같은 기술적 개선이 필요하다. 예를 들어, 제지용 습윤 지력 증강제인 폴리아마이드-에피클로로히드린 (Polyamide-epichlorohydrin, PAE)과 같은 약품은 시트의 습윤강도를 크게 높일 수 있으며 실리콘 또는 불소화 화합물과 같은 방수 코팅제를 사용하여 균사체 기반 가죽의 소수성을 강화할 수 있다. 이러한 화학적 처리와 코팅 기술은 내/외부 환경 변화에 따른 내구성을 개선하고 소재의 활용성을 넓히는 데 이바지할 것이다.87,88)
균사체 기반 가죽 산업의 상용화를 위해서는 균사체 균주의 적절한 선택과 공정의 표준화 및 최적화도 중요하다. 이는 균사체 기반 소재의 품질 균일성과 대량 생산 가능성을 확보하는 데 필수적이다. 특히, 제지 공정의 활용은 공정 효율성을 극대화하고 균질한 품질을 유지할 수 있는 중요한 방법으로 평가받고 있다. 제지 공정은 섬유를 물에 균일하게 분산시키고, 미세한 와이어 메쉬 스크린을 통해 여과하여 매트를 형성하는 방식으로 이루어진다.89) 이를 통해 균사체 바이오매스의 균질화, 두께 및 평량 조절이 가능하며, 대량 생산과 비용 절감이라는 두 가지 과제를 동시에 해결할 수 있다.90)
아울러, 제지 공정은 다양한 첨가제를 활용해 내구성과 유연성을 조정할 수 있는 장점도 지닌다. 일반적으로 첨가제는 제지 공정의 wet-end 단계에서 사용되며, 습강도 증진제, 방수 코팅제, 충전제(탄산칼슘), 결합제(라텍스 기반 고분자) 등이 포함된다. 이러한 기술들은 균사체 기반 가죽의 물성을 개선하고 품질을 강화하는 데 중요한 역할을 한다.90)
마지막으로, 균사체 기반 가죽의 지속 가능성을 극대화하기 위해 사용되는 원료와 첨가제가 친환경적이어야 한다. 농업 폐기물, 바이오매스 잔여물, 생분해성 첨가제와 같은 재생 가능 자원을 적극적으로 활용함으로써 균사체 기반 가죽의 환경적 이점을 강화할 수 있다.88) 이러한 지속 가능한 원료의 사용은 균사체 기반 가죽을 기존의 동물 가죽 및 합성 소재와 차별화하고, 더욱 경쟁력 있는 소재로 자리 잡게 만들 것이다.
균사체 기반 가죽은 지속가능한 바이오소재로써 기존 동물 가죽 및 합성 소재를 대체할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 특히, 제지 공정을 접목한 생산 공정은 균사체 기반 가죽의 대량 생산과 품질 개선, 그리고 비용 절감을 실현하는 데 핵심적인 역할을 할 것이다. 이를 위해 학계, 산업계, 그리고 정책적 차원의 긴밀한 협력이 필요하며, 이를 통해 균사체 기반 가죽은 환경친화적이고 경제적인 대안으로 다양한 산업에서 자리 잡을 것으로 기대된다.
5. 결 론
균사체 기반 비건 가죽은 지속 가능한 가죽 대체재로서 환경적, 윤리적 문제를 해결할 수 있는 중요한 잠재력을 가지고 있다. 균사체 기반 가죽은 재생 가능한 바이오매스를 활용하고, 기존 동물 가죽이나 합성 가죽보다 낮은 탄소 발자국을 남기며, 생분해성이 뛰어나다는 점에서 지속 가능성을 극대화할 수 있는 혁신적인 소재로 자리 잡고 있다. 특히 제지 공정을 접목한 생산 기술은 균사체 기반 가죽의 상용화와 품질 향상에 있어서 핵심적인 역할을 할 것으로 보인다.
제지 공정을 통해 제작된 균사체 기반 시트의 제작은 기존의 비건 가죽 대체재와 차별화된 균일한 품질과 성능을 제공할 수 있으며 다양한 바이오매스 기질을 효과적으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 균사체 기반 가죽의 기계적 특성과 물리적 안정성을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 또한 균사체의 다공성과 친수성 문제를 극복하기 위해 가교 처리 및 표면 코팅 기술과 결합하면 수분 흡수 저항성과 기계적 강도를 동시에 개선할 수 있다.
균사체 기반 비건 가죽의 성공적인 상용화를 위해서는 생산 공정의 표준화와 대량 생산을 위한 기술적 돌파구가 필요하다. 제지 공정을 통해 균사체 기반 가죽의 생산 비용을 낮추고 품질을 균일하게 유지할 수 있다면, 이 소재는 패션, 가구, 자동차 등 다양한 산업에서 기존 동물성 가죽 및 합성 가죽을 대체할 수 있는 주요 재료로 자리 잡을 것으로 판단된다. 또한, 농업 폐기물과 같은 지속 가능한 원료를 적극적으로 활용함으로써 순환 경제를 실현하고 환경적 부담을 줄이는 데 기여할 수 있다.
균사체 기반 가죽의 성공적인 상용화는 산업과 학계의 협력을 통해 이루어질 수 있다. 지속적인 연구 개발과 기술 혁신이 뒷받침된다면, 균사체 기반 가죽은 패션, 자동차, 가구 등 다양한 산업에서 기존 동물 가죽을 대체하며 순환 경제와 환경 지속 가능성을 실현하는 데 크게 기여할 것이다. 이러한 발전을 통해 균사체 기반 가죽은 지속 가능한 미래를 위한 소재로 자리 잡을 것이다.
