산림청 국립산림과학원(원장 이창재)이 종이 생산 과정 중 발생되는 흑액에서 미래 유망 신소재인 탄소섬유를 제조하는 기술을 개발했다고 밝혔다.


국립산림과학원 목재성분이용연구실에서는 목재 칩으로부터 종이 원료인 펄프를 생산하고 남은 흑액에서 목재의 주요 성분 중 하나인 리그닌을 분리하여 합성 고분자와 중합시켜 나노미터 직경을 갖는 탄소섬유를 제조했다. 


흑액은 우리나라에서만 하루 평균 1,200톤이 발생되며 전 세계적으로 연간 60억 톤가량 발생되고 있으나 대부분 제지공장의 자체 설비 운전을 위한 발전연료로 쓰이는 실정이다.

※ 흑액(Black liquor) : 제지 공업에서 크라프트펄프 등 알칼리 펄프화법을 통해 목재 칩을 처리(증해)하고 남은 액체로, 증해액에 포함되어 있던 무기물과 목재에서 녹아 나온 리그닌 등의 유기물이 함유되어 있는 암갈색 액체

이번 연구는 저급용도로 이용되던 산업 부산물에서 슈퍼캐패시터(초축전지)의 전극과 같이 고부가가치 소재를 생산하는 기술을 확립했다는 것에 큰 의미가 있다.


리그닌 기반 탄소섬유는 탄소원소 함량이 97%이고 수백 나노미터 크기의 섬유가닥이 겹겹이 쌓여 매트 형태를 이루고 있으며 섬유사이에 존재하는 미세공극으로 인해 높은 비표면적을 갖고 있어 전극소재 등에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.


특히, 탄소섬유의 표면에 이산화망간을 증착시킴으로써 전해질의 전하가 저장될 수 있는 미세 공간을 더욱 확보할 수 있게 되었다. 
또한, 표면이 개질된 탄소섬유 전극의 전기용량(capacitance)은 중량 대비 176 F/g으로 탄소나노튜브에 상응하는 전하저장용량을 얻을 수 있다.

화학미생물과 이성숙 과장은 “최근 슈퍼캐패시터와 같은 급속 에너지의 충전장치 시장이 발전하는 추세”라며, “기존의 에너지 저장소재의 한계인 충‧방전의 느린 속도와 에너지의 밀도 향상을 위해 리그닌 기반 탄소섬유를 고성능 전극 활물질에 적용하기 위한 연구를 계속할 계획”이라고 전했다.

이번 연구결과는 해외 전문학술지인 ‘국제 생물 고분자(International Journal of Biological Macromolecules)’에 게재돼 연구결과의 중요성을 인정받았다.