^*염(鹽, salt): 화학에서는 금속의 양이온과 비금속의 음이온이 결합된 이온 화합물을 뜻한다. 대표적 염으로 소금으로 알려진 NaCl(염화나트륨)이 있다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

리그닌(Lignin)1)은 식물 세포벽의 구성 성분으로, 자연계에 존재하는 유기 고분자 중 셀룰로오스 다음으로 풍부하다고 알려져 있다. 또 향균성과 항산화성, 자외선 차단 능력, 접착력을 가지기 때문에 차세대 바이오 소재로도 주목받고 있다.

리그닌 분자 간 상호작용을 파악하는 일은 이 물질을 원하는 상업 분야에 응용하는 데 필요한 요소이다. 특히 접착제와 결합제(binder)로 쓰려면 다른 혼합물과 맞닿는 계면에서 상호작용하는 힘을 분석해야 한다. 하지만 리그닌이 어떠한 분자 간 상호작용을 하는지 알아내는 적절한 실험적 시도가 부족했으며, 지금까지는 대부분 경험적으로 설계하는 것에 의존해왔다.

리그닌의 상업적인 응용에 최적화된 기준을 제시하기 위해 이번 연구에서는 ‘표면 힘 측정기(Surface forces apparatus, SFA)’2)를 사용해 리그닌과 소수성 표면 간의 상호작용 힘을 측정해 정량화했다. 또 리그닌-활성탄(Activated carbon, AC)3) 복합체를 형성시켜 내구성을 강화했으며, 친환경적인 생물 고분자 바인더로써 리그닌의 활용을 제시했다.

2. 연구내용 

리그닌 접착력의 분자적 기원을 찾기 위해 약 2나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m)의 리그닌 단분자막 표면 간 상호작용 에너지를 SFA를 통해 정량화했다. 더불어 두 표면 사이 수용액의 염 농도를 조절해가며 DLVO 이론4)과 소수성 상호작용 이론5)에 기반해 그리닌에 작용하는 여러 힘을 분석했다. 그 결과 소수성 상호작용이 리그닌 간 높은 접착력에 영향을 주는 가장 주요한 요인임이 도출됐다.

더 나아가 소수성 표면(CH3-SAM)과 리그닌 표면 간의 상호작용 힘도 측정했다. 이번에도 마찬가지로 염 농도가 증가하며 접착력이 감소하는 경향을 보여주며 염 이온이 리그닌 표면에 흡착하면서 소수성 상호작용이 감소한다는 게 검증됐다.

높은 소수성 인력을 가지는 ‘리그닌’을 수중 흡착제로 주로 사용되는 ‘활성탄’과 복합체를 만들어 압축 강도도 측정한 결과, 두 물질 간의 강한 상호작용으로 압축 강도가 증가하는 것을 확인했다. SFA 측정 결과에 기반해 리그닌과 활성탄이 소수성 상호작용을 통해 강한 분자 상호작용을 유도한다는 것을 제시했다. 더불어 복합체에 염을 추가했을 때, 압축 강도가 꾸준히 감소해 거시적 규모에서도 염 이온이 리그닌의 소수성 상호작용을 저해시킴을 실험적으로 입증했다. 이를 통해 리그닌을 바인더 (결합제)로 사용 시, 수용액 상에서 활성탄의 분산도를 높여주며 소수성 상호작용으로 복합체의 내구성을 증가시킴을 확인할 수 있었다.

 3. 기대효과  

이번 연구에서는 생체 분자 간 상호작용을 정량화하는 실험법과 리그닌의 분자 상호작용 메커니즘의 정량적 및 정성적 정보를 제공했다. 이로써 리그닌 기반의 다목적 플랫폼의 방향성과 활용도를 제안할 수 있다. 특히, 본 연구에 사용된 리그닌은 수용액에서 쉽게 분산되면서 강한 소수성 상호작용을 함으로써 활성탄뿐만 아니라 다른 소수성 물질과 복합체를 형성할 때, 분산제 역할과 결합제 역할을 동시에 수행할 수 있다.

이번에 얻은 결과는 일반 공정에서 사용되는 독성이 강한 유기 용액과 합성 결합제를 사용할 필요 없이 친환경적인 수용성 용매와 리그닌을 사용해 버려지는 리그닌을 상업적으로 활용하면서 환경 문제도 해결한 가능성을 보여줬다. 이러한 연구결과는 리그닌 기반 응용 분야의 기본 데이터베이스로 사용돼 향후 리그닌 기반 복합체의 성능을 향상할 수 있을 것이라 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 리그닌 (Lignin)

목재를 구성하는 성분으로, 목재 무게의 약 15~30% 정도를 차지한다. 리그닌의 화학 구조는 원유에서 유래한 페놀성 고분자의 구조와 유사하며 화석 기반 물질을 대체할 수 있는 물리적·화학적 특성을 지닌다.

2. 표면 힘 측정기(Surface Forces Apparatus, SFA)

SFA는 두 표면 간의 정적 및 동적 간섭력을 직접 측정하고 분석해 경계면에서 일어나는 물리적 현상을 분자 수준에서 연구하기 위해 개발된 장치다. SFA는 두 표면 사이에 절대 거리(absolute distance)와 표면에서 일어나는 물리적인 힘, 예를 들어 반데르발스 힘, 소수성 상호작용(hydrophobic interaction) 등의 측정에 사용됐다. 이를 통해 0.1나노미터 이내의 거리를 확인할 수 있으며 10⁻⁸ N 정도의 힘까지 측정 가능하다.

3. 활성탄(Activated Carbon, AC)

활성탄은 매우 넓은 표면적(약 3,000m2 g-1)을 가진 다공성 구조를 가지며 이는 독성이 강한 페놀 화합물을 효율적으로 흡착할 수 있어 다양한 산업 분야 (예: 석유화학, 화학, 제약, 염색)에서 폐수 정화 목적으로 주로 사용된다.  

4. DVLO(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) 이론

콜로이드(액상에 입자가 뒤섞인 상태)에서 입자 사이에 상호작용은 입자 간의 정전기적 반발력과 반데르발스 인력의 안정에 의해 표현된다는 이론이다. 전하를 띤 입자 간에 작용하는 정전기적 반발력은 먼 거리까지 작용하나 아주 짧은 거리에서는 반데르발스 인력이 크게 작용한다. 따라서 이 두 힘의 합력은 짧은 거리에서 최대 반발력을 보이는 에너지 장벽이 존재한다. 이러한 에너지 장벽을 이기고 더 가까워지면 반데르발스 인력이 크게 작용해 두 입자 사이의 안정이 깨지고 응집이 일어나게 된다.

또한 음전하를 띤 콜로이드 입자 주위에는 양이온 농도가 높아지는데 바로 바깥층에는 양이온 층이 강하게 결합해 고정층(Stern layer)를 형성하고, 이 고정층 바깥으로는 점차 양이온 농도가 줄어들며 어느 정도 거리에 도달하면 양이온과 음이온 농도가 같아지게 되는 확산층이 존재한다. 만약 용액상에 이온의 농도가 높아지면 자유 이온에 의해 정전기적 영역이 차단되며 확산층이 줄어들어 입자 사이의 응집이 쉽게 일어난다. 본 실험에서는 용액 내 이온(염)의 농도가 증가할수록 응집력이 떨어지는 현상이 나타났는데, 이는 정전기적 반발력이 아닌 소수성 상호작용이 리그닌 분자의 응집력을 결정하는 힘이기 때문이다.

5. 소수성 상호작용(Hydrophobic interaction)

소수성 효과는 극성이 없는 분자들이 수용액 속에서 물들을 제외하면서 분자들끼리 모이는 현상이다. 소수성(hydrophobic)은 '물을 싫어하는'의 의미로 물과 소수성 분자들이 분리되는 현상으로 기인한다. 물과 기름이 분리되는 현상도 소수성 상호작용의 일종이다. 소수성 표면을 가지는 두 표면 사이의 소수성 인력은 유효 거리 안에서 반데르발스 인력보다 강한 인력을 가진다.

[붙임] 그림설명

그림1 리그닌 상호작용 힘 측정 결과: a 식물 2차 세포벽 도식도, b SFA 실험 도식도로 그리닌 필름 간의 상호작용 힘을 측정했다. c 리그닌 표면 위 농도에 따른 염 이온 흡착 메커니즘. 염이 그리닌 분자 표면에 달라붙어 응집을 억제한다. d 리그닌 분자 간 상호작용 이론 분석. e 표면에 따른 리그닌 접착력 비교. 리그닌-리그닌 상호작용 및 그리닌-소수성 작용기 상호작용 모두 염의 농도가 증가함에 따라 접착력이 줄어들었다.

그림2. 리그닌-활성탄 복합체의 압축 강도 실험: a 압축 강도 모식도 및 샘플 모습. b 대표적인 압축 응력-변형률 선도. c 리그닌 함량에 따른 복합체 압축 강도 비교. d 염 농도에 따른 복합체 압축 강도 경향. 염 농도에 따라 강도가 감소하는 것을 볼 수 있다.