바이오 소재 리그닌(lignin) 활용법 개발

■ 바이오 소재 리그닌(lignin) 활용법 개발

● 리그닌 분자 작용 원리 규명, 석유 화학 등에 적용 기대

 

울산과학기술원(UNIST)이 차세대 바이오 소재로 주목받는 리그닌(lignin)의 상업적 활용도를 높이는 연구에 성공했다. 이동욱 에너지 및 화학 공학부 교수팀은 리그닌 분자의 뭉침과 퍼짐을 결정하는 힘이 '소수성(疏水性) 상호 작용'이라는 것을 밝히고, 이를 조절할 방법을 제시했다고 2019년 12월 30일 밝혔다. 리그닌(lignin)을 다른 물질과 섞어서 유용한 물질로 만들 때, 경험에만 의존하는 것이 아니라 정확한 정량적 지표를 활용할 수 있게 된 것이다.

리그닌(lignin)은 목재의 30-40%를 차지하는 고분자 물질로, 식물 세포벽의 주성분이다. 바이오 연료나 종이를 생산하는 과정에서 많이 나오고, 연간 생산량이 약 5천만t에 이르지만, 대부분 폐기되거나 단순 땔감으로 사용됐다. 최근에는 리그닌(lignin)의 환경적. 경제적 가치에 주목해서 바이오 연료, 바이오 플라스틱, 분산제, 접착제 등 재료로 제안되기 시작했다. 그러나, 실제 산업에 쓰인 비율은 2014년 기준 2%에 그친다.

이는 분자 구조가 불규칙하고 응집력이 강해 다른 물질과 잘 섞이지 않는 리그닌(lignin)의 특징 때문이다. 리그닌(lignin)을 고부가가치 생성물로 만들려면, 리그닌(lignin) 분자 간의 상호 작용을 이해하고, 정량적으로 분석할 필요가 있었다. 이동욱 교수팀은 아주 가까운 거리 간의 힘을 측정하는 장비를 이용, 수용액에 있는 리그닌(lignin)에 작용하는 여러 가지 힘을 측정했다. 그 결과, 리그닌(lignin) 응집력에는 물을 싫어하는 물질끼리 뭉치려는 힘, 즉 '소수성(疏水性) 상호 작용'이 가장 큰 영향을 미쳤다.

또한, 리그닌(lignin)이 포함된 수용액에 전하를 띄는 '염'을 넣어주면, 응집력을 조절할 수 있다는 점도 밝혀냈다. 염이 리그닌(lignin) 분자 표면에 달라붙으면서 리그닌(lignin) 분자끼리 뭉치려는 힘을 차단하기 때문이다. 이 원리를 이용하면, 염의 농도를 통해 리그닌(lignin)의 응집력을 정량적으로 조절할 수 있다. 연구진은 이 원리를 이용해 활성탄 강도를 높이는 데 성공했다. 활성탄은 각종 석유 화학 공정에서 액상에 포함된 독성물질을 흡착해 제거하는 역할을 한다.

독성 물질을 흡착하는 과정에서 빠른 유속 때문에 활성탄 입자가 풀어질 수 있는데, 연구진은 '리그닌-활성탄 복합체'로 이를 해결했다. 리그닌(lignin)과 활성탄 모두 물을 싫어하는 성질이 있어 수용액에서 서로 강하게 결합했고, 복합체가 더욱더 단단해진 것이다. 연구진은 복합체를 만드는 과정에서 염의 농도를 조절해 다양한 강도를 구현하고, 이를 정량화했다.

이동욱 교수는 "산업 폐기물로 여겨지던 리그닌(lignin)의 분자적 상호 작용 원리를 분석했고, 상업적 활용에 중요한 데이터베이스를 확보했다. 정량적 연구 결과를 이용하면, 각종 석유 화학 산업과 바이오 메디컬 분야에서 리그닌(lignin)을 고부가가치 소재로 활용하는 것이 더 쉬워질 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 미국 화학회(ACS)에서 발행하는 학술지 'ACS Sustainable Chemistry&Engineering'에 공개됐다.