CNF, 셀룰로오스나노파이버 - 셀룰로오스 나노파이버 시장동향에 관한 조사결과(2017년)

셀룰로오스 나노파이버 시장동향에 관한 조사결과(2017년)
~CNF의 용도개발·시장확대의 열쇠는 수지와 섬유 등과의 복합화에 있어∼

【자료 체재】
자료명：「2017년판 셀룰로오스 나노파이버 시장의 전망과 전략」
발간일：2017년 7월 31일
체재：A4판 105페이지

【조사 요강】
야노경제연구소눈 다음 조사요강으로 일본국내 셀룰로오스 나노파이버(CNF) 시장의 동향 조사를 실시했다.
1. 조사기간：2017년 5월~7월
2. 조사대상：셀룰로오스 나노파이버 메이커(제지 메이커, 화학 메이커 등)
3. 조사방법：당사 전문연구원이 직접 면담, 전화·e-mail을 통한 취재 및 문헌조사 병용

【조사 결과 서머리】
◆ 실제로 셀룰로오스 나노파이버를 사용한 제품은 일부에 머물러 생산량의 대부분은 샘플 공급으로
  일본국내에서 셀룰로오스 나노파이버(CNF)의 연구개발은 2014년 이후는 정부 주도에 의한 산관학 제휴로 전개되고 있으며 실용화를 향한 대응이 추진되고 있다. 그러나 현시점에서 실제로 CNF를 사용한 제품은 볼펜잉크와 종이기저귀, 페이퍼클리너, 헤드폰 스테레오 진동판 등 일부 제품에 머무른다. CNF의 생산량 모두가 실제 제품에 사용되는 것은 아니며 그 대부분은 샘플 공급인 것으로 보인다.

◆ 양산 플랜트의 가동도 시작되어 2017년말 일본국내 CNF생산능력은 880t/년을 전망
  2016년부터 2017년에 걸쳐 각 참가 메이커의 실험공장과 함께 상업생산을 목적으로 양산 플랜트 가동도 시작되어, 2017년말 시점의 일본국내 CNF(연간) 생산능력은 880t/년을 전망하며 CNF시장확대의 걸림돌의 하나인 생산·공급 능력의 한계는 일단 해소될 것으로 생각한다.

◆ CNF는 수지와 섬유 등과 복합화함으로써 고성능을 발휘, 강도 업과 경량화를 실현
  CNF는 필름과 부직포 등 일부 용도를 제외하고는 개별적으로 사용되는 케이스는 적으며 수지와 섬유 등과 복합화함으로써 고결정성, 고강도, 가요성(可撓性), 치수안정성 등의 성능을 발휘해, 강도향상과 경량화 등을 실현한다. 탄소섬유 등과 마찬가지로 단독이 아닌 복합에만 용도·시장확대의 가능성이 있어 수지나 섬유, 용제 등과 「얼마나 혼합되기 쉽게 만드느냐」라는 목표에서의 개발이 과제의 하나가 되고 있다.

【조사 결과의 개요】
1. 시장 배경
  셀룰로오스 나노파이버(Cellulose Nano Fiber, 이하 CNF)는 식물세포의 근간을 구성하는 셀룰로오스 섬유를 나노레벨로 해섬한 것으로 섬유 폭은 3~100nm, 길이 5μm 이상인 초미세한 섬유상 물질이다. 「무게는 철의1/5, 강도는 철의 5배」, 「비표면적이 크다(작은 사이즈이면서 고성능)」, 「열변형이 적고 치수 안정성이 뛰어남」, 「식물유래」, 「가스 차단성」과 같은 뛰어난 특성을 가진 재료이다. 또, 해섬 방법에 따라 특성이 다르며 ①화확적 해섬 타입, ②기계적 해섬 타입, ③수중 충돌 해섬 타입의 3 타입으로 나눌 수 있다.
  일본국내 CNF 연구개발은 1990년대 중반부터 대학, 연구기관을 중심으로 시작되어 2000년대에는 제지 메이커에서 샘플제작이 시작되었다. 2014년 이후는 정부 주도에 의한 산관학 제휴 전개를 하고 있어 실용화를 향한 대응이 추진되고 있다.
  경제산업성이 2014년 3월에 발표한 「2013년도 제조기반기술 실태 등 조사(제지산업의 장래전망과 과제에 관한 조사)」에 의하면 2020년 전후의 샘플을 포함한 생산규모는 600t/년~900t/년 정도로 이미지 되어 동 조사에 의한 개발을 향한 로드맵 안에서는 TEMPO 산화법과 이축혼련법 등 현행 기술로 생산되는 CNF는 2020년까지 실증실험을 종료해 2020년~2025년이 도입준비기간, 2025년 이후는 보급·확대기에 들어갈 것으로 예측된다.
  그러나 2017년 7월 시점에서 실제로 CNF를 사용한 제품이 세상에 나온 것은 볼펜잉크, 종이기저귀, 페이퍼클리너, 헤드폰 스테레오 진동판 등 일부 제품에 머무른다. CNF의 생산량 모두가 실제 제품에 사용되는 것은 아니며 그 대부분은 샘플 공급인 것으로 보인다.
2. 일본국내 CNF(연간) 생산능력 예측
  업계 내에서는 CNF는 화제가 선행하고 있지만 실제 수요를 얼마나 기대할 수 있는지는 미지수라고 보는 관측도 있어, 현재까지 CNF의 사업화와 시장 형성의 스피드는 결코 빠르다고는 말할 수 없다. 2020년에 600t/년~900t/년이라는 경제산업성의 당초 생산규모 이미지는 현시점에서 약간 먼 목표라고 말할 수 있다. 하나의 요인으로 각 참가메이커의 생산·공급 체제의 지연을 들 수 있는데 이것에 대해서는 2016년부터 2017년에 걸쳐 크게 개선되었다.
  처음에는 모든 회사가 연구소 기준으로 소량생산부터 시작하여 일부 메이커에서 실험공장이 형성되기 시작한 2013년말 시점에서는 연구소 기준이 아니라 일정 이상의 규모로 생산할 수 있는 플랜트의 CNF생산능력은 60t/년 정도에 머물렀다.(그림 1 참조)
  2016년부터 2017년에 걸쳐 각 CNF메이커의 실험공장과 함께 생산 목적으로 양산 플랜트의 가동도 시작되어, 2017년에 새로 가동 혹은 가동 예정인 양산 플랜트의 생산능력은 총 640t/년을 전망한다. 각 메이커가 2017년에 가동시키는 실험공장의 생산능력 40t/년을 합하면 2017년말 시점의 일본국내 CNF(연간) 생산능력은 880t/년을 전망하며, CNF시장확대의 걸림돌의 하나인 생산·공급 능력의 한계는 일단 해소될 것으로 생각된다. 향후는 정비된 생산체제를 완전히 활용할 수 있는 용도개발과 시장개발을 얼마나 진행할 수 있는지가 과제이다.

그림 1. 일본국내 셀룰로오스 나노파이버(CNF) 연간 생산능력 추이·예측

야노경제연구소 추계

​
​주 1. 각 연말시점 일본국내 실험공장과 양산 플랜트를 합계한 생산능력 기준
주 2. 2017년은 전망치

3. 주목해야 할 동향~CNF의 이용 용도에 대해
  현시점에서 CNF의 활용이 기대되는 용도로서는 ①강도향상·경량화 등을 목적으로 한 수지 복합재료, ②투명성·배리어성을 활용한 필름, 시트, ③나노 사이즈의 공경제어를 활용한 다공성 시트, ④증점제·분산제 등 각종 기능성 첨가제 등으로 크게 나눌 수 있다. 그러나 어떤 용도에 대해서도 선행하는 많은 경합재료가 있어 CNF를 제안했을 경우 경합재료를 대체할 만한 동기가 유저기업 측에 있는지가 문제가 될 것으로 생각된다.

3－1. 수지 복합재료
  CNF복합 수지의 용도로 특히 기대되는 것이 자동차 구조재이며, 최근에 NEDO와 환경성이 주도해 CNF의 활용으로 자동차 경량화를 목표로 프로젝트가 많이 시작되었다. 단, 자동차에 사용되고 있는 금속 소재를 CNF로 대체하려면 넘어야 할 장벽이 아직도 많다. 자동차 금속소재의 대체로 검토되려면 강성과 내충격성 등 안전성과 관련된 성능과 함께 표면형상과 도장, 성형에 대한 대응 등 개별 디자인 및 외관과 관련된 특성을 금속소재에 가깝게 만드는 연구개발이 필수적이 될 것이다. 금속소재 대체의 장벽이 높은 한편, 자동차에서는 유리섬유 등을 사용해 강도를 높이는 기술이 이전부터 채용되고 있어, 현재 내장재·외장재를 중심으로 사용되는 기존 수지재료를 CNF복합재로 대체한다는 주제에 대해서는 비교적으로 빠른 단계에서 실용화를 기대할 수 있다.

3－2. 필름, 시트
  투명성·배리어성을 활용한 필름과 시트에 대해서는 현재 개발중인 주제이며, 요구성능과 필름의 품질 등 사실 표준이 확립되어 있지 않는 플렉시블 디스플레이의 유리 대체로 전개가 유망하다고 생각한다. 현재, 필름 메이커, 필름 컨버터와 유저인 디스플레이 메이커 사이에서 시작제품과 샘플공급, 피드백, 개량, 재제안 등, 시험&에러를 반복하면서 개발이 진행되고 있어 새로운 재료인 CNF필름의 참가 여지도 크다.

3－3. 다공성 시트
  CNF를 사용해 나노사이즈로 공경을을 제어한 다공성 시트는 공기청정용 여과지(에어 필터)와 섬유강화 플라스틱(FRP)의 심재로서 채용이 기대되는 용도이다. 현시점에서는 필터의 망상조직의 공경을 나노사이즈로 제어할 수 있는 재료는 CNF외에는 없으며 동 용도는 경합 대체가아닌 「CNF가 아니면 안 되는」 용도라고 말할 수 있다.


​3－4. 기능성 첨가제
  기능성 첨가제에서는 주로 화장품, 식품, 잉크·도료 등 증점제·분산제를 타깃으로 개발이 진행되고 있다. 틈새 분야이지만 일반적인 천연유래 증점제에 비해 저첨가 영역이지만 높은 구조점성을 발현하는 것과 함께 높은 틱소트로피(틱소성)를 가져, 전단력이 더해지면 작은 힘이라도 고점도 겔 상태에서 유동성이 높은 액체와 같은 성질로 변화하는 등, CNF만이 가능한 특성을 활용할 수 있으므로 애플리케이션이 확대될 가능성이 높다고 생각한다.

4. 장래 전망~실용화를 향한 용도 개발의 과제에 대해
  CNF생산설비를 가진 제지 메이커가 자사 혹은 그룹 내에서 전개하고 있는 제품(종이기저귀와 요실금 패드, 청소용 페이퍼클리너 등)으로 자사 소비적인 사용법 외에는 CNF는 아직도 볼펜잉크의 증점제와 헤드폰 스테레오 진동판 등 일부 제품에만 사용되고 있다. 현시점에서는 CNF메이커, 유저기업 모두 본격적인 실용화를 향한 준비를 마련하고 있는 단계라고 봐야 할 것이다.
 메이커에서는 몇 십t/년~몇 백t/년을 넘는 규모의 양산 플랜트 설비가 설립되었다고 하지만 실제로 제품 재료로서 시장에 나오는 것은 아주 소량인 것으로 보이며, 시장의 주목도 및 기대도가 높은 한편, CNF각 메이커의 생산설비가 풀가동해 CNF를 사용한 제품이 시장에 나오기에는 아직 시간이 걸릴 것으로 전망한다.
  CNF는 필름과 부직포 등 일부 용도의 이용을 제외하면 단독으로 사용되는 케이스는 적으며 수지와 섬유 등과 복합화함으로써 고결정성, 고강도, 가요성(可撓性), 치수안정성과 같은 성능을 발휘해 강도 향상과 경량화 등을 실현한다. 탄소섬유 등과 마찬가지로 단독이 아니라 복합화에만 용도·시장확대의 가능성이 있으며, 수지와 섬유, 용제 등과 「얼마나 혼합하기 쉽게 만드느냐」라는 목표에서의 개발이 과제의 하나가 되고 있다.
  CNF각 메이커에서는 지금까지도 비수계 재료와의 복합화를 목적으로 소수변성과 유저기업 측의 복합화 과정의 핸들링성 향상을 위한 웨트파우더화에 대한 대응이 진행되어 왔다. 비수성 용액과 열가소성 수지 등, 복합화가 가능한 재료의 폭도 넓어지고 있어 향후 새로운 용도개발의 폭을 확대하기 위해서는 수지와 화학품 등 CNF를 직접 사용하는 유저기업과의 공동 개발에 머무르지 않고 그 후의 전방사업 메이커와의 제휴도 필요할 것이다. 자동차, 가전, 주택·건재와 같은 유망시장을 향한 CNF를 제안해 채용을 위해 무엇이 걸림돌이 되고 있는지, 어떠한 과제를 해결하면 좋은지를 파악해 새로운 제품개발에 활용하는 등, 지금까지의 제안과 용도개발의 범위를 뛰어넘는 대응을 어떻게 진행할 수 있는지가 향후 CNF시장의 행방을 예측할 포인트가 된다. CNF의 실용화와 시장 확립을 위해 업종을 뛰어넘는 대응이 요구되고 있다고 생각한다.

☞해당자료 목차보기