나노섬유 소재 응용 기술 동향
최경호 탄소나노PD | 한국산업기술기획평가원(KEIT) 섬유탄소나노실 문준연 박사후연구원 | 전북대학교 바이오나노융합공학과 박찬희 교수 | 전북대학교 기계설계공학부
요약
나노섬유는 지름이 나노미터(1nm=10억 분의 1미터) 수준으로, 기존 편직물 섬유 소재와 비교하여 매우 미세하고 복잡한 구조를 가지고 있다. 이러한 초미세 구조는 넓은 비표면적과 탁월한 물리·화학적 특성을 제공하여 소재의 강도와 유연성 및 흡착력 등을 크게 향상시키고 다양한 기능을 구현할 수 있어 차세대 첨단 소재로 주목받고 있다. 특히 나노섬유는 바이오·의료, 환경, 에너지, 전자기기 등 여러 분야에서 혁신적 가능성을 보여주고 있다. 예를 들어, 바이오·의료 분야에서는 상처 치유용 지혈 드레싱 및 창상피복제, 세포외기질(ECM)을 모사하는 조직공학용 지지체, 약물 전달 시스템 등에 주로 사용된다. 특히 나노섬유 드레싱은 높은 세균 차단 효과와 산소 및 영양소 투과도로 인해 상처 회복을 촉진하는 데 매우 유리하다. 환경 분야에서는 정수 필터와 공기 청정 필터로서 미세먼지와 유해 물질을 높은 효율로 여과하며, 기존 필터보다 내구성과 여과 효율이 뛰어나다. 에너지 분야에서도 리튬이온 배터리 및 연료전지 전극 소재로 활용되어 에너지 밀도와 수명을 개선한다. 이는 스마트폰과 전기차와 같은 차세대 기술의 소형화·고성능화에도 기여한다. 이처럼 나노섬유는 바이오·의료, 환경, 산업 분야에서 광범위하게 활용되며, 앞으로 다양한 연구와 제조 기술 개발을 통해 더욱 발전할 것으로 기대된다.
<목차>
1. 개요
1) 기술의 개념
2)기술의 범위
3) 기술의 등장 배경
2. 국내외 시장 동향
3. 국내외 기술 동향
1) 나노섬유 기술 동향
2) 전기방사 기술 동향
4. 시사점
*출처 및 참고자료
1. 개요
1) 기술의 개념
- 전기방사 기술의 개념
전기방사 기술은 오래된 나노섬유 제조기법 중 하나로, 고전압 전기장을 이용해 고분자 용액을 나노미터 단위의 섬유 형태로 뽑아내는 공정이다. 이 기술의 핵심 원리는 고전압이 고분자 용액에 가해지면서 용액 표면에 정전기력이 발생하여 특정 모세관(노즐)에서 테일러 콘(Taylor Cone) 형태로 용액이 길게 뻗어 나오는 것이다. 테일러 콘은 고전압이 임계점에 도달했을 때 섬유 형태로 방출되는 현상이며, 정전기력으로 인해 고분자사슬이 늘어나 공기 중에서 용매가 휘발되면서 고체 나노섬유로 형성된다. 전기방사는 전압의 세기, 용액의 농도, 방출 속도 등 변수를 조절하여 나노섬유의 직경과 밀도를 쉽게 변경할 수 있기 때문에 매우 유연한 적용이 가능하다.
이렇게 제조된 나노섬유는 다양한 고분자 물질에 활용될 수 있으며, 필터, 의료용 드레싱, 에너지저장장치, 전자기기 등 다양한 분야에서 고성능 소재로 사용된다. 특히 전기방사법은 섬유의 구조와 특성을 정밀하게 제어할 수 있어 연구 및 상업적 용도로 높은 응용 가능성을 보인다. 최근에는 기존 전기방사법의 한계로 지적되는 높은 제조단가 문제를 해결하기 위한 다양한 양산 기술 연구가 수행되면서 나노섬유의 제조단가가 해가 갈수록 낮아지는 추세다.
- 나노섬유의 개념
나노섬유는 지름이 나노미터 수준에 불과한 초미세 섬유로, 표면적이 넓고 흡착성과 투과성이 높아 바이오·의료, 환경, 에너지 등 고부가가치 첨단산업에 주로 활용된다. 나노섬유의 대표적인 제조 방법으로는 기계적 방사와 전기방사가 있다.
전기방사는 고전압 전기장을 통해 다양한 고분자 물질로부터 균일한 나노섬유를 생산하는 방식으로, 다른 제조 방식에 비해 가장 널리 사용된다. 전기방사는 생산 공정의 변수 조절을 통해 섬유의 구조와 특성을 정밀하게 조절할 수 있어서 연구 개발과 상업화 모두에서 유리한 장점을 제공한다. 최근에는 [그림 4]와 같이 로봇을 이용한 다양한 기능성 나노섬유의 제조가 연구되고 있어 그 응용 범위는 더욱 늘어나는 추세다.
2) 기술의 범위
나노섬유는 그 독특한 물리·화학적 특성 덕분에 다양한 산업에서 널리 활용되고 있다. 높은 비표면적, 투과성, 흡착성 그리고 우수한 기계적 강도 덕분에 의료, 환경, 에너지, 전자 등 여러 분야에서 기존 소재로는 구현하기 어려운 기능을 구현해 내고 있다. 이러한 나노섬유 특유의 성질은 고성능 필터, 의료용 드레싱, 배터리 전극, 센서 등 다양한 분야로 응용 가능성을 열어주었으며, 각 산업에 맞게 필요한 특성과 구조를 조절할 수 있는 유연성 덕분에 더욱 다양한 방식으로 활용되고 있다. 특히 나노섬유를 이용한 SCI 논문의 출판 수를 보면 [그림 5]와 같이 해가 갈수록 증가 추세를 보인다. 이는 나노섬유를 이용한 다양한 산업 분야 응용을 반영한 결과로 추정된다.
- 나노섬유의 산업 분야별 적용
나노섬유는 환경, 에너지, 바이오 분야를 포함한 중·고부가가치 산업에서 특히 높은 활용성을 보이며, 지속적으로 활용 영역을 넓혀가고 있다. 나노섬유는 공기 필터 분야에서 높은 여과 효율과 긴 수명을 제공하는 혁신적인 소재로 평가된다. 나노섬유의 미세한 직경과 넓은 비표면적은 공기 중 미세먼지, 세균, 바이러스 등 유해 물질을 효과적으로 여과하며, 정밀하게 조절된 기공 구조로 고성능 필터링이 가능하다. 또한 낮은 저항으로 인해 공기 투과가 용이하고 높은 에너지 효율성과 내구성을 가지고 있어 공기 청정기, 산업용 공기 정화 시스템, 차량용 필터 등 다양한 분야에서 핵심 소재로 자리 잡고 있다. 특히 초미세먼지 필터링에서는 기존 HEPA급 필터보다 통기도와 필터 효율 면에서 우수한 나노섬유 필터의 개발도 보고되고 있다.
또한 나노섬유는 유수 분리막 분야에서도 탁월한 성능을 발휘한다. 나노섬유 기반 유수 분리막은 물과 기름을 정밀하게 분리할 수 있으며, 기공의 크기와 구조를 제어하여 필요에 따라 친수성 또는 소수성을 부여할 수 있다. 이러한 특성 때문에 나노섬유 유수 분리막은 산업 폐수 처리, 해양 유출 사고 대응, 정유 공정 등에서 효과적으로 활용된다. 또 내구성이 높아 반복 사용이 가능하고 작은 압력으로도 빠른 분리가 가능해 에너지 효율성도 확보할 수 있다.
나노섬유는 환경 분야를 넘어 바이오 분야에서도 혁신적인 가능성을 보여준다. 생체 내 지지체 개발의 경우, 나노섬유의 높은 표면적, 생체 적합성, 미세기공 구조가 세포의 부착과 증식을 촉진하여 조직 재생과 세포 성장에 최적화된 환경을 제공한다. 특히 나노섬유 지지체는 기공 크기와 구조를 조절할 수 있어 뼈, 연골, 피부 등 다양한 조직에 맞춘 맞춤형 지지체 개발이 가능해 조직공학 및 재생의학에서 중요한 소재로 평가된다.
바이오 분야에서 나노섬유는 생체 내 신경도관 개발에도 활용된다. 나노섬유는 미세 구조와 넓은 표면적을 제공하여 신경세포가 부착하고 성장하기에 적합한 환경을 제공하며, 배열된 나노섬유의 방향성은 손상된 신경이 적절한 방향으로 재생되도록 유도할 수 있다. 또한 나노섬유의 유연성과 생체 적합성 덕분에 손상된 신경 부위에 안정적으로 적용될 수 있어서 신경 재생 효과를 극대화할 수 있다.
의료기기 코팅에서도 나노섬유는 높은 가능성을 보여준다. 나노섬유는 생체 적합성이 뛰어나 체내 삽입 시 면역 반응을 최소화하며, 표면의 미세 구조가 세균 부착을 방지하고 항균 물질을 포함할 수 있어 감염 예방에 효과적이다. 나노섬유 코팅이 적용된 의료기기는 안전성과 성능을 높일 수 있으므로 삽입형 장치나 인공 장기의 경우 환자의 회복 속도와 장기 안전성을 크게 향상시킨다.
또한 나노섬유는 지혈제와 창상피복제 개발에도 활용된다. 나노섬유의 높은 표면적은 혈액을 빠르게 흡수하고 응고를 촉진하여 지혈 속도를 높인다. 지혈제 외에도 나노섬유 기반 창상피복제는 상처 치유를 촉진하고 세균 침투를 막으면서 산소와 수분을 공급하는 등 상처 부위에 적합한 환경을 제공해 감염 위험을 줄이고 치유 속도를 높인다.
마지막으로, 나노섬유는 유착방지막으로도 활용된다. 수술 후 장기와 조직 간 유착을 방지하기 위해 신체 내 물리적 장벽을 형성하며, 생체 적합성으로 인해 안정적이고 안전하게 사용될 수 있다. 나노섬유는 유연성과 안정성을 지니고 있어 다양한 수술 부위에 적용이 가능하며, 체내에서 안전하게 분해되어 조직 손상을 최소화하고 회복을 돕는 특성 때문에 유착방지막으로서 높은 잠재력을 가지고 있다.
이처럼 나노섬유는 의료, 환경, 에너지, 전자 분야에 걸쳐 폭넓게 응용될 수 있으며, 각 산업에 필요한 물성을 맞춤형으로 조절할 수 있는 유연성 덕분에 향후 활용도가 더욱 높아질 것으로 기대된다.
3) 기술의 등장 배경
나노섬유의 등장은 나노기술과 재료과학의 발전에서 비롯되었다. 20세기 후반에 접어들면서 과학계는 재료의 미세 구조가 거시적 물성을 변화시키는 방식에 대해 깊이 이해하게 되었고, 이로 인해 기존 소재의 한계를 넘어서는 새로운 기능성 소재의 개발에 관심이 커졌다. 특히 나노미터 수준의 크기에서 나타나는 독특한 물리·화학적 특성은 고강도, 경량화, 투과성 향상, 흡착성 증대 등 첨단산업 분야에서 요구되는 특수한 기능에 대한 적용 가능성을 제시했다. 이러한 배경에서 나노섬유가 고성능 소재로 주목받게 되었다.
초기 나노섬유 연구는 고분자화학과 방사공학의 발전과 밀접한 관계가 있으며, 직경이 큰 기존 섬유들이 제공하는 단순한 물리적 특성을 넘어서는 다양한 기능을 구현할 수 있는 방법으로 나노섬유가 부상했다. 나노섬유는 직경이 작아질수록 표면적이 기하급수적으로 증가하여 반응성이나 흡착성이 크게 향상된다. 특히 높은 비표면적과 미세기공 구조를 통해 고성능 필터, 의료용 드레싱, 배터리 전극 소재 등에서 기존 소재와 차별화된 응용이 가능해졌다.
또한 산업 전반에서 고성능 첨단 소재에 대한 수요가 증가하면서 나노섬유는 더욱 중요한 소재로 자리 잡았다. 예를 들어, 환경 오염 문제로 인해 고성능 필터 소재 수요가 증가하고, 전자 및 에너지산업에서는 경량화·고성능화·소형화 요구가 커짐에 따라 이를 충족할 수 있는 이상적인 소재로 나노섬유가 주목을 받았다. 특히 의료 분야에서는 생체 적합성, 높은 흡착성, 투과성, 유연성 등의 특성을 갖춘 나노섬유가 조직공학 및 재생의학 등 다양한 응용 가능성을 보여주면서 그 중요성이 확대되었다.
결과적으로 나노섬유는 과학기술의 발전과 산업적 요구가 결합되어 등장한 소재로, 다양한 산업에 적용할 수 있는 폭넓은 가능성을 제시했으며, 현대 기술 발전의 중요한 구성 요소로 자리 잡게 되었다.
2. 국내외 시장 동향
Grand View Research에 따르면, 세계 나노섬유 시장 규모는 2023년 약 22억 8천만 달러로 평가되었으며, 2024년부터 2030년까지 연평균성장률(CAGR) 8.8%로 지속적인 성장이 예상된다. 특히 의료, 여과, 전자 분야에서 나노섬유의 성능이 기존 소재를 훨씬 뛰어넘어 해당 분야의 수요 증가를 견인하고 있으며, 각 산업에서도 나노섬유의 우수한 특성을 기반으로 성장을 도모하고 있다.
아시아–태평양 지역은 글로벌 나노기술 시장에서 가장 빠르게 성장하는 시장으로, Grand View Research에 따르면 2023년부터 2032년까지 이 지역의 연평균성장률은 약 40%에 이를 것으로 전망된다. 이는 의료, 전자, 환경 등 고성능 나노소재 수요가 급증하면서 산업 가치가 높아지고 있음을 의미한다. 특히 아시아 지역은 고성능 필터, 첨단 의료기기 및 전자기기 부품 분야에서 나노섬유가 폭넓게 사용되고 있으며, 지속적인 연구 개발을 통해 기술 경쟁력을 강화하고 있다.
이러한 성장세는 전 세계적으로 나노섬유를 핵심 소재로 하는 산업의 중요성을 반영하며, 나노섬유 기술의 발전과 함께 향후 꾸준히 증가할 것으로 기대된다.
3. 국내외 기술 동향
1) 나노섬유 기술 동향
전 세계적으로 나노섬유의 개발과 응용에 대한 중요성이 점차 증가하고 있으며, 의료, 에너지 저장, 환경보호 같은 다양한 분야로 적용 시도가 확산되고 있다. 특히 미국과 유럽에서는 나노섬유의 안전성과 효율성을 높이기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 또 나노섬유 기반의 배터리 전극 소재, 정수 필터 개발, 생체 친화적 나노섬유 연구에 집중적 투자가 이루어지고 있으며, 다양한 연구기관과 기업들이 나노섬유 기술을 활용한 응용성을 높이기 위해 협력하고 있다. 아시아 지역에서는 한국, 일본, 중국을 중심으로 나노섬유를 전자, 에너지, 바이오 분야에 응용하려는 다양한 연구가 진행 중이다. 한국의 경우 나노섬유를 필터, 의료용 지지체, 전자 소자에 활용하기 위한 정밀 공정 및 대량 생산 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 많은 연구기관과 기업이 전기방사 기술을 이용해 고성능 필터와 의료용 조직 재생 지지체 같은 응용 제품을 개발하고 있으며, 대학 및 정부 출연 연구소에서는 환경 및 바이오 분야의 응용성 향상에 집중하고 있다. 정부와의 긴밀한 연계를 통해 상용화가 촉진되고 있으며, 향후 나노섬유 기술이 산업 전반에 걸쳐 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
2) 전기방사장치 기술 동향
- 전기방사 장치
최근 전기방사 장치는 다양한 산업 분야의 요구를 반영하여 빠르게 기술적 발전을 이루고 있다. 나노섬유 생산을 위한 전기방사 기술은 고성능과 생산 효율성을 목표로 최적화되고 있으며, 특히 코어–쉘 전기방사와 에멀션 전기방사 등의 응용 기술이 주목받고 있다. 이들 기술은 나노섬유의 구조를 정밀하게 제어할 수 있어서 배터리 분리막이나 약물 전달 시스템과 같은 고부가가치 분야에 접목되면서 기존 기술의 한계를 극복하고 새로운 기능을 구현하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 예를 들어, 최근에 개발된 원통형 고속 전기방사 장치는 기존 전기방사 장치와 달리 나노섬유의 생산 속도를 크게 향상시키면서 동시에 다양한 기능성 소재의 코팅을 가능케 하고 있다. 특히 혈관 협착 치료에 사용되는 스텐트 표면에 고분자 나노섬유를 코팅하는 방식이 연구되고 있다. 나노섬유로 코팅된 스텐트는 바이오필름 형성을 억제하여 스텐트 내강을 깨끗하게 유지하며, 나노섬유 내에 약물을 로딩하여 환부에 직접적인 약물 전달 기능을 제공할 수 있다. 이러한 나노섬유 코팅은 기존 스텐트가 가진 한계를 극복하고 기능성 스텐트의 성능을 크게 향상시킴으로써 의료기기 분야에 응용 가능성을 넓히고 있다.
이처럼 전기방사 기술의 발전은 나노섬유가 환경보호, 에너지 저장, 바이오 의료 등 다양한 분야에서 새로운 고부가가치 솔루션을 제공할 수 있는 기반을 마련하고 있으며, 향후 발전 방향에 따라 산업 전반에 걸친 혁신이 기대된다.
- 양상형 및 기타 전기방사 장치
나노섬유의 산업 내 응용 분야가 확대되면서 생산성 향상이 중요하게 요구되면서 이를 충족하기 위해 다양한 양산형 전기방사 장치가 개발되고 있다. 초기 전기방사 장치는 비교적 낮은 생산 속도로 인해 대량 생산에 한계가 있었지만, 멀티니들(Multi–needle), 니들리스(Needleless), 원심 전기방사 등 양산형 기술의 도입으로 나노섬유 생산 효율이 크게 개선되었다. 예를 들어, 니들리스와 멀티니들 방식은 다수의 전기방사 제트를 동시에 활용해 시간당 최대 450g의 나노섬유를 생산할 수 있으며, 제약과 의료 분야 고부가가치 제품 생산에 적합한 것으로 평가되고 있다.
또한 양산형 전기방사 장치 외에도 전기방사 기술을 기반으로 한 하이브리드 기술이 개발되고 있다. 하이브리드 전기방사는 나노섬유의 기공 크기와 표면적을 정밀하게 조절하거나 다양한 형태로 변형된 나노섬유를 생성할 수 있어 고품질 나노섬유 생산에 유리하다. 이는 다양한 특수 기능을 가진 나노섬유의 생산 가능성을 열어줄 뿐 아니라 필터링 효율이 높은 필터나 특정 환경에서의 기능성 소재 개발에 활용될 수 있다.
최근 개발된 원통형 고속 전기방사 장치의 경우 기존 전기방사 장치와 달리 나노섬유의 생산 속도를 크게 향상시킴과 동시에 다양한 기능성 소재 코팅을 가능하게 한다. 특히 혈관 협착 치료에 사용되는 스텐트의 표면에 고분자 나노섬유를 코팅하는 방식이 연구되고 있다. 나노섬유로 코팅된 스텐트는 바이오필름 형성을 억제하여 스텐트 내강을 깨끗하게 유지하며, 나노섬유 내에 약물을 로딩하여 환부에 직접적인 약물 전달 기능을 제공할 수 있다. 이러한 나노섬유 코팅은 기존 스텐트가 가진 한계를 극복하고, 기능성 스텐트의 성능을 크게 향상시킬 수 있어 의료기기 분야에서의 응용 가능성을 넓히고 있다.
이처럼 나노섬유의 대량 생산을 위한 양산형 전기방사 장치의 발전은 의료, 환경 보호, 고성능 필터 등 여러 산업 분야에서 나노섬유의 안정적 공급을 가능하게 하여 산업 전반에 걸쳐 중요한 역할을 할 것으로 전망된다.
4. 시사점
나노섬유는 그 고유한 특성 때문에 다양한 고부가가치 산업에서 혁신적 응용 가능성을 지닌 소재로 주목받고 있다. 특히 나노섬유는 높은 비표면적, 우수한 투과성, 흡착성, 고강도 등 물리적 특성을 통해 기존 소재가 제공하지 못하는 고성능 기능을 실현할 수 있으며, 필터링, 의료, 전자기기, 에너지 저장 등 첨단산업에서 필수적인 소재로 자리 잡아가고 있다. 이러한 특성은 고부가가치 제품에 대한 산업적 응용 가능성을 크게 확장시키고 있으며, 나노섬유를 활용한 제품들이 산업 전반에서 경쟁력과 경제적 부가가치를 높일 수 있는 잠재력을 내포하고 있다. 이런 배경 가운데 정부와 민간의 지속적인 연구 개발 투자는 더욱 중요해지고 있다. 정부의 정책적 지원은 나노섬유 기술의 상용화를 가속화할 뿐 아니라 친환경적 대량 생산 및 생체 적합성 향상 같은 기술적 과제를 해결하는 데 중요한 기반이 된다. 민간 기업과 연구소의 다양한 연구는 나노섬유의 응용성을 더욱 확대해 고부가가치 제품 개발을 촉진시키며, 이런 노력이 지속적으로 융합될 때 미래산업의 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 보인다. 나노섬유는 기존 소재의 한계를 극복하며 고성능과 친환경성을 동시에 갖춘 차세대 산업 소재로 지속적인 발전을 거듭해 왔으며, 여전히 무궁무진한 성장 가능성을 보유하고 있다. 높은 잠재력을 지닌 나노섬유 연구가 꾸준히 이루어져 국가와 기업의 기술적 경쟁력을 높이는 핵심 자산이자 지속 가능한 산업 전환의 전략적 자원으로 자리 잡길 기대한다.
*출처 및 참고자료
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4. A. Nadaf, et. al., “Recent update on electrospinning and electrospun nanofibers: current trends and their applications”, RSC Advances 12, Issue 37, 2022.08. 23808–23828.
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