폐목재 속 ‘리그닌’, 제대로 쓸 정량 지표 나왔다

폐목재 등에 많이 포함된 ‘리그닌’은 차세대 바이오 소재로 주목받는 물질이다. 그동안은 리그닌 분자가 다른 재료와 잘 섞이지 않아 상업적 활용이 어려웠는데, 이 문제를 풀 수 있는 정량적 연구결과가 나왔다.

이동욱 에너지 및 화학공학부 교수팀은 리그닌 분자의 뭉침과 퍼짐을 결정하는 힘이 ‘소수성 상호작용’이라는 것을 밝혀내고, 이를 조절할 방법을 제시했다. 리그닌을 다른 물질과 섞어서 유용한 물질로 만들 때, 경험에만 의존하는 게 아니라 정확한 정량적 지표를 활용할 수 있게 된 것이다.

리그닌은 목재의 30~40%를 차지하는 고분자 물질로, 식물 세포벽의 주성분이다. 바이오 연료나 종이를 생산하는 과정에서 많이 나오며, 연간 생산량이 약 5000만 톤에 이르지만 대부분 폐기되거나 단순한 땔감으로 사용됐다. 최근에는 리그닌의 환경적·경제적 가치에 주목해 바이오 연료나 바이오 플라스틱, 분산제, 접착제 등의 재료로 제안되기 시작했다. 그러나 실제 산업에 쓰인 비중은 2014년 기준으로 2%에 그친다.

1저자인 송유정 화학공학과 석사과정 연구원은 “리그닌은 분자구조가 불규칙하고 응집력이 강해 다른 물질과 섞이지 않으므로 상용화에 어려움이 있다”며 “리그닌을 고부가가치 생성물로 만들려면 리그닌 분자 간 상호작용을 이해하고 정량적으로 분석해야 한다”고 설명했다.

그림1 리그닌 상호작용 힘 측정 결과

이동욱 교수팀은 아주 가까운 거리 간의 힘을 측정하는 장비(SFA)를 이용해, 수용액에 있는 리그닌에 작용하는 여러 가지 힘을 측정했다. 그 결과 리그닌의 응집력에는 물을 싫어하는 물질끼리 뭉치려는 힘, 즉 ‘소수성 상호작용’이 가장 큰 영향을 줬다. 또 리그닌이 포함된 수용액에 전하를 띄는 ‘염’을 넣어주면, 리그닌의 응집력을 조절할 수 있음을 밝혀냈다. 염이 리그닌 분자 표면에 달라붙으면서 리그닌 분자끼리 뭉치려는 힘을 차단하기 때문이다. 이 원리를 이용하면 염의 농도를 통해 리그닌의 응집력을 정량적으로 조절할 수 있다.

그림2. 리그닌-활성탄 복합체의 압축 강도 실험

연구팀은 이 원리를 이용해 ‘활성탄’의 강도를 높이는 데도 성공했다. 활성탄은 각종 석유화학공정에서 액상에 포함된 독성물질을 흡착해 제거하는 역할을 한다. 이때 빠른 유속 때문에 활성탄 입자가 풀어질 수 있는데, 이를 ‘리그닌-활성탄 복합체’로 해결한 것이다. 리그닌과 활성탄은 모두 물을 싫어하는 성질이 있어, 수용액에서 서로 강하게 결합했고 복합체가 더욱 단단해진 것이다. 연구팀은 복합체를 만드는 과정에서 염의 농도를 조절해 다양한 강도를 구현하고 이를 정량화했다.

이동욱 교수는 “이 연구를 통해 산업폐기물로 여겨지던 리그닌의 분자적 상호작용 원리를 분석했고, 리그닌의 상업적 활용에 중요한 데이터베이스를 확보했다”며“정량적 연구결과를 이용하면 리그닌을 각종 석유화학산업과 바이오메디컬 분야에서 고부가가치 소재로 활용하는 게 조금 더 쉬워질 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 미국화학회에서 발간하는 ‘ACS Sustainable Chemistry&Engineering’에 12월 2일자로 공개됐으며, 한국연구재단과 한국수력원자력(주)의 지원으로 이뤄졌다.