[알아봅시다] 나노섬유

나노크기 극미세 섬유.. 수분 막고 통기성 유지

고분자물질 `전기방사` 방식 생산입자 작아 탄성ㆍ강도 획기적 향상전자ㆍ바이오 등 첨단 산업에 응용

우리가 흔히 옷감으로만 생각하는 섬유는 실제로 폭이 아주 가늘고 연하게 굽힐 수 있는 천연 또는 인조의 선상(線狀) 물체를 지칭하는 말입니다. 이런 성질의 섬유는 직물의 원료로 쓰이거나 편물, 그물 등 섬유제품이나 제지 원료 등으로 실생활에서 다양하게 쓰여집니다.

최근 이런 섬유 활용에 대해서도 획기적인 전환점이 마련되고 있습니다. 섬유제품에 나노기술을 접목하는 수준까지 산업이 발전하면서 활용도 또한 다양하고 폭발적으로 확대되고 있습니다. 이를 통해 기존 섬유소재와는 전혀 다른 기능을 가진 차세대 시장까지 탄생하고 있습니다.

그리스어로 난쟁이를 뜻하는 나노라는 뜻처럼 나노섬유는 우리가 상상하는 범위를 넘어선 극미세 영역의 기술입니다. 1m와 1나노미터의 차이는 실제 지구와 축구공 크기의 차이 정도입니다. 500만분의 1나노 실로 만들 수 있는 섬유는 전혀 새로운 차원의 기술이 되었습니다.

이렇게 섬유의 폭을 수십∼수백 나노미터까지 줄이면 자연스레 섬유 사이 공기구멍까지 30∼40 나노미터로 제어할 수 있습니다. 이 특성을 통해 외부 수분, 미세입자, 박테리아는 막으면서도 내부 통기성은 효과적으로 유지할 수 있는 꿈의 소재를 만들 수 있습니다.

현재 고어텍스가 방수라는 장점만 있었다면 나노섬유는 그 특유의 미세한 기공을 통해 기존 섬유 역할을 뛰어넘으며 전자, 바이오, 의약, 군사 등의 첨단산업까지 영역을 무한대로 넓힐 수 있습니다. 이에 따른 경제적 가치도 무한대입니다.

현재 전세계적으로 나노섬유를 제조하고 원하는 수준의 제품을 만들 수 있는 기업은 아직 손에 꼽힐 정도로 적습니다. 지금도 미래 첨단산업 핵심소재라는 공감 아래 국가적인 기술개발이 이뤄지고, 기업들은 연구개발을 통한 기술경쟁력 확보에 공을 들이는 단계입니다.

국내의 경우, 10년 전부터 신성장동력 일환으로 나노기술에 투자를 했으며, 세계 4위권의 기술력을 보유했다는 평가입니다. 이미 KIST 등 연구기관들이 실험실 규모의 나노섬유 생산에 성공했고 나노기술의 선도업체인 우리나노필은 2차전지 소재 양산에 이어 의류, 필터 등으로 응용범위를 넓히고 있습니다.

나노섬유에 대한 이론은 이미 1930년대부터 존재했지만, 낮은 생산성, 불균일성, 낮은 분자 배열 등 여러 기술적 문제로 상용화까지는 해결해야 할 과제가 많았습니다. 눈에 보이지도 않는 영역에서 실을 뽑는 양산 기술을 어떻게 표준화하느냐의 문제는 오랜 시간 이 영역의 큰 고민이었습니다.

이런 나노섬유 기술 확보에 특히 중요하게 평가받는 기술이 있습니다. `전기방사(electrospinning)'라는 방식입니다. 보통 섬유는 가래떡을 뽑아내듯 작은 크기의 구멍 속에 섬유 원료를 밀어 넣고 압력을 가해 실을 뽑아내는데, 나노섬유는 고압 대신 전기장을 이용합니다. 나노섬유의 원료인 고분자물질에 고전압 전기장을 걸면, 원료 내부에 전기적 반발력이 생겨 분자들이 나노크기로 갈라집니다. 이때 전기장이 강할수록 실은 가늘게 찢어지고 서로 얽히면서 쌓여 부직포 형태의 필름 형태가 되는데 이 과정을 얼마나 효과적으로 제어하며 제품을 생산할 수 있느냐가 기술의 핵심입니다.

나노섬유는 부피에 비해 표면적이 엄청나게 큰 제품을 생산한다는 장점으로 첨단 필터 제품이나 의류, 바이오 분야로 진출이 가능합니다. 또 전기전도성을 지난 고분자를 원료로 이차전지나 스마트 창문 등 첨단 산업 소재로도 쓰일 수 있습니다.

일반적인 물체가 나노미터 크기로 작아지면 물체 구조나 성질이 바뀝니다. 하지만 나노섬유를 성공적으로 활용한다면 입자가 작아질수록 표면적이 증가해 반응속도가 빨라지는 효과가 있습니다. 기존 물질 성질보다 탄성이 획기적으로 높아져 깃털처럼 가볍지만 강철보다 강한 섬유 생산도 가능합니다.

이미 일본은 나노섬유를 다양하게 개발, 제품 생산에 기능성 복합소재로 응용하고 있습니다. 일본은 2020년 나노섬유 세계 시장 규모가 6조 5000억 엔에 육박할 것이라는 예상까지 내놓으며 시장선점을 위한 개발 활동에 열을 올리고 있습니다.

한국도 국가차원의 지속적인 지원과 기업들의 연구 노력을 통해 세계 선두수준의 나노산업 기술력을 확보하고 있습니다. 하지만 지금부터가 중요하다는 게 업계의 평가입니다. 나노섬유 기술을 실제 양산 과정에 적용, 상용화에 성공할 수 있다면 또 하나의 새로운 먹거리가 탄생할 수 있습니다. 강승태기자 kangst@