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열가소성 목재 CXP, 플라스틱 대체 친환경 신소재로 인기 급상승 - 동남리얼라이즈

작성자 : 이용우 2022-05-02 | 조회 : 2098

최근 들어 탄소 저감 이슈에 알맞은 CXP 소재가 등장, 적용 제품이 늘어나면서 업계의 관심을 끌고 있다. 이에 본란에서는 ㈜동남리얼라이즈(대표이사 현지원, www.cxp.kr 이하 동남리얼라이즈)의 임승훈 CTO를 만나서 과연 CXP 소재가 무엇이며, 또 앞으로의 적용시장 확대 및 전망에 대해 자세하게 들어보았다.

CXP 소재란 무엇인가?

CXP는 Cellulose Cross-linked Polymer의 약자로, 셀룰로오스가 공유결합하여 만들어진 폴리머다. 나무를 이루는 주성분인 셀룰로오스는 다양한 식물들에 분포되어 있다. 이를 사출/압출이 가능한 계면 전이상태로 만들어 산소를 CH2로 치환하여 가공할 수 있도록 만든 소재가 바로 CXP이다.

동남리얼라이즈 임승훈 CTO는 “CXP는 독성이 없는 열가소성의 목재라고 말할 수 있다. 원재료인 목재의 결합수(bound water)를 제거하여 별다른 후처리를 하지 않아도 내구성, 내후성, 수치 안전성이 뛰어나다. CXP 목재 특유의 열가소성은 정밀한 성형 가공과 대량 생산을 가능케 하여 제품의 품질이 우수하고 가격이 저렴하여 플라스틱 대체품으로 주목을 받고 있다”라고 소개하며, “분해 기간의 조절이 가능하며, 옵션으로 난연, 불연 또는 항균을 선택할 수 있다. 분해 시 또는 연소 시에도 독성이 전혀 없으며, 천연미네랄 안료를 사용하여 색상 구현이 따뜻하고 자연스럽다”라고 강조했다.

교차결합(Cross Link)을 통해 내수성, 내구성을 극대화했다. 자연 상태의 순수한 나무는 교차결합이 적고, 기공과 산소가 더 많아서 CXP보다 더욱 친수성이다. 교차결합으로 결합수를 제거하였다고 해도, 아직 CXP에는 순수한 원목만큼은 아니지만, 상당량의 산소와 수소가 존재한다.

이 또한 극성을 띄므로 산, 염기, 물을 끌어당기고, 이로 인해 반드시 분해된다. 이렇게 빨리 분해되면 제품으로서의 가치가 떨어지며, 또한 탄화될 기회를 상실하게 되는 것이다. CXP의 교차결합 구조는 이러한 분해 속도를 최대한 늦추는 데 도움을 준다.

플라스틱은 대부분 극성이 없으므로 분해가 어렵다. 기름이 물하고 섞이지 않듯이 플라스틱은 물과 친하지 않다. 플라스틱은 이처럼 분해가 어렵기에 환경을 위하여 ‘분해’를 목표로 한다. 반면, CXP는 목재 특유의 친수성으로 가수 분해가 일어나므로 ‘분해의 방해’를 목표로 한다. 이는 거의 모든 목재 활용 연구의 목표로써 보통의 목재는 오일 스테인이나, 도장으로 수분을 방어하고, 부패를 방어한다. 전통적으로 옻칠을 많이 하였다.

하지만 CXP-SD는 교차결합과 치환결합을 통해 번거롭고 독성 있는 후처리를 하지 않고도 목재의 부패를 방어한다. 부패하지 않고 오래 사용하는 목재는 그 자체로써 온실가스를 저장하는 훌륭한 저장고이다. CXP-SD의 목적은 탄화를 통하여 석탄이 되는 것이다.

CXP 소재의 기본 베이스에는 완전분해 CXP-SD와 생분해 CXP-BD가 있다. CXP-SD는 지속해서 수분이 공급되는 경우 열처리 건조된 하드우드와 비슷한 속도로 분해된다. 하지만 수분이 잘 공급되지 않는 건조한 환경에서는 탄화되어 석탄이 된다. 일반 플라스틱을 대체할 수 있는 가장 무난한 품질의 기본 그레이드로써 분해 시 토양이 산성화되거나 오염되지 않으며, 분해 후 잔류 물질은 토양에 양분이 된다.

생분해 CXP-BD는 빠르게 분해되고, 1달에서 3년까지 분해 기간을 조절할 수 있으며, 이 또한 분해 후 토양을 산성화시키거나 오염시키지 않고, 분해 후 잔류 물질은 토양에 양분이 된다.

더불어 CXP 소재 옵션 제품으로는 항균 CXP-AM과 난연, 방염, 불연 CXP-FR가 있다. 항균 CXP-AM은 숯의 항균 메커니즘과 같은 원리로, 병균이나 박테리아를 자연스럽게 죽인다. 사람과 동물, 식물에는 독성이 없고, 시간이 지나도 항균력이 유지된다. 항균 성능도 조절할 수 있으며, 폐렴균 기준 ATCC 4352 시험 방법으로 log 6.7 정도까지, 즉 99.9999% 이상의 항균 성능이 가능하다.

난연, 방염, 불연 CXP-FR의 경우, 숯이나 석탄은 의외로 불이 잘 붙지 않는다. 이를 이용해 제품의 빠른 탄화를 통해 화재를 방지한다. 브롬계나 인계 등 독성 난연제를 사용하지 않았으며. 그 외에도 독성 물질이 들어가지 않았다. UL94 기준으로 사출용은 V0 등급을, 압출용은 5V 등급을 만족한다.

CXP는 수분으로 인해 미생물 분해가 쉽다. 수분이 지속적으로 공급된다면 미생물 분해가 일어나는 것이다. 그러면 CXP-SD와 CXP-BD의 차이점은 무엇일까? 비유하자면 SD는 생쌀이고, BD는 잘 익은 밥이다. 생쌀은 씹어 먹기도 힘들다. 그래서 우리는 밥을 지어 먹는다. CXP-BD는 미생물이 쉽게 소화할 수 있는 전분이 사용되었다.

그래서 분해 속도가 빠르다. CXP-SD는 분해가 목적이 아니기 때문에 분해를 최대한 늦추는 게 목적이다. 그래서 SD는 나무의 취약한 부분인 비결정성 영역의 결합수 부분을 치환하여 수분으로부터 방어하는 것이다.

임승훈 CTO는 “사실 이 방법은 벌에게 배운 것이다. 벌이 집을 지을 때 많은 종류의 고분자(천연수지)를 합성하여 집을 짓는데, 물을 방어하기 위해서 헨트리아콘탄과 같은 무극성 분자를 사용한다.

헨트리아콘탄은 극성이 없어서 물에 대해 안정성을 가진다”라며, “앞 페이지의 이미지 CXP-SD 분자구조에서 녹색 부분이 헨트리아콘탄의 역할이다. 게다가 헨트리아콘탄은 올리고머이지만, CXP-SD는 단량체 또는 올리고머가 그 위치를 차지한다. 분자의 구조는 헨트리아콘탄과 같고, 분자량은 훨씬 적은 물질이 물을 방어하는 것이다. 분해를 위해서 분자량이 작은 것이 유리하다. 헨트리아콘탄은 독성이 없고, 자연계에 무해하게 분해가 된다.

벌은 우리 인간보다 더 오래된 생명체로써, 인간의 실험보다 벌의 생태에 문제가 없게 하는 것이 앞으로 CXP-SD의 목표다”라고 설명한다.

농림업 부산물을 이용한 지속 가능한 소재 개발

나무를 마구 베어서 사용해서는 안 된다. 숲은 반드시 지속할 수 있게 키워야 하며, 이산화탄소 흡수량이 늘어나는 방향으로 가꿔야 한다. 생장률이 떨어지는 나무는 베어 사용하고 크게 자랄 수 있어서 탄소 흡수량이 많은 나무를 심어야 한다. 그리고 생태계를 위해서 더 다양한 식물들을 심어야 할 것이다.

우리나라에는 숲이 많다. 그렇다면 임업이 발전해야 하는데 그렇지 못하다. 우리나라 국토의 70%가 산림지역이고, 그 숲의 70%를 리기다소나무, 낙엽송 등 2가지 수종이 차지하고 있다. 과거 일제시대의 무분별한 나무 수탈과 한국전쟁으로 황폐하고 척박해져 어떤 나무도 좀처럼 뿌리박고 살아갈 수 없게 되었다. 이에 양질의 토양을 만들기 위해 아까시나무를 많이 심었고, 그 이후 리기다소나무와 낙엽송을 심었다.

이처럼 인공림 조성할 당시 리기다소나무, 낙엽송 위주로 나무를 심어 지금 우리나라 산림은 울창해졌으며, 토질도 많이 좋아졌다. 하지만 국산 목재는 그 품질이 떨어져 나무 벌채 후 많은 부산물을 그냥 산에 놓고 내려온다. 쓸모가 없기 때문이다. 한국의 나무는 가지가 많고 잘 틀어지고, 연질인데다가 열량이 낮아서 연료로서의 가치도 낮다. 그래서 한국의 임업은 발전하지 못했고, 대부분 수입 목재가 많이 사용되고 있다.

또 WPC라는 나무-플라스틱 혼합 목재 형태로 데크 등을 많이 조성하고 있는데, 이는 반데르발스 결합으로 약하게 결합하여 나무보다 관리가 쉽지만, 시간이 지나면서 수많은 변형이 발생하여 이를 유지/관리하는 데 어려움이 있고, 또 결합에 사용한 플라스틱에서 나오는 독성도 문제가 되고 있다.

이에 이제는 유칼립투스, 더글러스 퍼 나무 등 탄소저장 능력이 좋고, 더 크게 자랄 수 있는 나무들로 수종을 다양화해나가야 한다. 우리나라는 북쪽 지역과 남쪽 지역의 온도 차이도 커 다양한 수종을 키우기 유리하며, 관광 자원화도 가능하다. 산림관리를 위해 벌채된 목재들을 그냥 두지 말고, 제품을 만들어 탄소를 저장해야 한다.

동남리얼라이즈의 CXP 소재가 올 1월 국제 숲 인증(PEFC), KFCC-CoC 인증을 받았다. PEFC(Programme for the Endorsement of Forest Certification) 인증은 지속 가능한 숲 경영을 가능케 하는 산림인증 프로그램으로, 함부로 벌채하여 산림을 훼손하지 않고, 지속적으로 숲을 가꾸어 나가면서 자연과 공존하는 제품을 인증하는 인증서이다.

PEFC 인증제도는 1999년 설립되었으며, 이후 세계 최대 규모의 산림 인증제도로 발전했으며, 한국은 KFCC(Korea Forest Certification Concil)에서 이 인증을 관리하고 있다. CXP 소재가 KFCC-CoC, PEFC 인증을 받은 것은 CXP 소재가 목재로 국제 인증을 받았다는 의미이며, 국제 목재인증을 받은 CXP 소재는 사출, 압출 성형이 가능한 열가소성 목재인 것이다.

이처럼 CXP 소재는 톱밥, 왕겨, 잔가지, 우드칩 등 농업, 임업 부산물을 사용한다. 아주 깨끗한 자원이며 지속해서 생성되지만, 그동안 사용처가 없어서 버려지던 농림업 폐기물을 가지고, 동남리얼라이즈는 플라스틱을 대체하는 CXP 소재 제품을 대량 생산하는 데 성공한 것이다.

자연을 훼손하지 않고 버려지는 임업 부산물을 이용하여 플라스틱을 대체할 수 있는 소재로써 CXP 소재는 임산물 인증을 받은 것이다. CXP는 나무로 되어있어서 우수한 사용감을 자랑하며, 미세 플라스틱을 만들지 않고 분해되거나 더 오랜 시간 탄화되어 석탄이 된다.

임승훈 CTO는 “동남리얼라이즈는 이런 것들을 해결하기 위하여 셀룰로오스를 기반으로 하여 국산 목재를 이용한 더 변형이 적고, 쉽게 관리할 수 있는 소재를 만들고자 했다”며, “오랜 연구를 통하여 사출 및 압출이 가능하고, 셀룰로오스를 기반으로 하는 CXP 라는 소재를 개발하였고, 이 소재를 통해 환경 및 사회에 기여할 수 있는 다양한 부분들이 있을 것으로 생각하여 적용 제품개발에 박차를 가하고 있다”라고 전했다.

CXP, 플라스틱을 대체할 수 있는 유일한 목재

나무를 벌채하거나 가구를 만들거나 빌딩을 짓기 위해서 나무를 가공할 땐 부산물이 나온다. 우드칩, 나뭇가지, 톱밥 등이다. 이런 부산물들도 가만히 두면 분해되어 이산화탄소로 돌아간다. 이런 부산물도 그냥 버리지 말고 제품을 만든다면 제품 하나하나가 탄소저장고의 역할을 하게 될 것이다. 그렇게 탄생한 것이 CXP다.

CXP는 국내 최초로 지속 가능한 산림경영의 임산물 PEFC 인증을 받은 열가소성 무독성 목재다. 자연을 훼손하지 않고 버려지는 임업 부산물을 이용하여 플라스틱을 대체할 수 있는 소재로써 원목에 비해 내구성, 내후성, 내습성이 뛰어나며, 후처리가 필요 없어 건강하고 안전하며 우수한 사용감을 자랑한다.

동남리얼라이즈 임승훈 CTO는 “한국에서는 매년 600만 톤의 임업 부산물과 100만 톤의 농업 부산물이 발생하고 있다. 우리는 이렇게 버려지는 식물성 천연 재료를 사용하여 대량 생산이 가능한 제품을 만들고자 하였다. 그리고 마침내 양산에 성공하여 자유롭게 사출·압출 성형이 가능한 CXP가 나오게 된 것”이라며, “CXP는 열가소성이 있어서 플라스틱을 대체할 수 있고, 결국 완전 분해되거나 탄화하며, 연소 및 분해 시 독성 물질이 나오지 않는다. 그리고 분해 기간을 조절할 수 있고, 물보다 비중이 높아서 쓰레기 불법 폐기로 인해 대양을 오염시키지 않는다.

그동안 인류는 화석 연료를 채굴하여 사용하였지만, CXP를 이용하면 제품의 화석 연료화가 가능하다. 즉 경제 활동을 하면서 효과적으로 탄소 중립을 실현하는 데 기여할 수 있는 것이다”라고 강조했다.

2018년 창립한 동남리얼라이즈는 2019년도에 CXP 소재 개발을 완료하고, 2020년에 친환경 브랜드 ‘탄소창고’를 런칭하면서 2021년도에 사명을 ㈜동남리얼라이즈로 전환하고, 그 해에 ‘탄소창고’ 오프라인 매장 설립, CXP RG블록 조달 등록, KOPLAS 출품, CXP RG블록 벤처나라 상품 선정, 2021 JEC Korea StartUp Booster에서 우승, 올 5월 3일부터 5일까지 파리에서 개최되는 JEC World에 초청되어 CXP를 소개할 예정이며, 올해 국내 관련 전시회에도 적극적으로 참가, CXP 소재 홍보에 만전을 기할 방침이다.

또한 동남리얼라이즈는 CXP 소재 개발 이후 적용 제품의 확대 개발을 위해 KFCC/PEFC 인증 획득을 비롯해, RoHS 유해 물질 26종 불검출, 바이오 유래 탄소 함량, 8대 중금속 불검출, 식품용 기구 및 용기포장 유해 물질 7종 불검출 등 각종 시험성적서 및 인증서를 획득해놓고 있다.

동남리얼라이즈는 탄소저장의 염원을 담은 자체 브랜드 “탄소창고”를 론칭하였고, 다른 경제 주체들과 협업하여 신제품 개발에 힘쓰고 있다.