▲ 이기훈 교수서울대 바이오소재공학 전공

보통 단백질 섬유라고 하면 대부분 실크와 양모를 떠올리게 된다. 이들 섬유는 더할 나위 없이 매우 우수한 섬유소재로 현재에도 고급소재로 애용되고 있다. 최근 원유 가의 상승과 함께 깨끗하고 친환 경적이며 피부와 친화성이 높은 소재에 대한 관심이 증가하면서 보다 다양한 천연소재를 활용한 섬유의 개발이 주목을 받고 있다. 특히 천연소재 중 단백질은 인체피부와 같은 성분으로 피부와의 친화성이 기대되어 섬유소재로 충분한 활용가치가 있다. 그러나 우리가 섬유형태로 얻을 수 있는 것은 현재는 실크와 양모뿐이다. 자연계에는 많은 단백질 원이 존재하며 이들로부터 단백질을 추출하여 섬유로 가공할 수 있다면 소재의 다양화는 급진전될 것으로 기대된다.

▲ 재생 단백질 섬유
이러한 취지에서 개발된 것이 바로 재생 단백질 섬유이다. Azlon이라고도 불리는데 최초의 의미 있는 재생 단백질 섬유는 1924년에서 1933년 사이에 이탈리아에서 개발된 우유에서 유래하는 카세인 섬유이다. 곧 이어 독일, 영국, 네덜란드 그리고 미국에서 비슷한 상품을 개발하였으며, 비슷한 시기에 땅콩, 옥수수 그리고 대두로부터 재생 단백질 섬유를 만드는 기술이 개발되었다. 재생 단백질 섬유를 만드는 공정은 레이온의 공정과 유사하다. 여기에는 원료에서 단백질을 추출하는 것과 이를 이용하여 방사원액을 제조하고 방사 구로부터 섬유 화시키는 것이 포함된다. 대부분 습식방사를 하게 되며 충분한 연신 후 형태 안정성을 갖도록 가공된다. 일반적으로 재생 단백질 섬유는 약하기 때문에 다른 합성고분자와 혼합하여 강도를 증진시킨다. 이러한 점은 100% 단백질 섬유가 아니라는 한계를 갖지만 이러한 재생 단백질 섬유의 제조 목적이 양모와 같은 포근하고 부드러운 성질을 도입하는 것이었고, 양모보다 저렴하다는 점에서 당시에는 큰 문제가 되지 않았다.

재생 단백질 섬유는 이후 잠시 세상의 관심에서 사라진다. 이러한 원인은 제2차 세계대전 이후 합성 섬유의 비약적 발전과 더불어 원료인 단백질 원들이 식품으로 보다 더 가치가 높았기 때문이다. 그러나 앞서 언급하였듯이 최근의 원유가 상승과 친환 경적, 인체 친 화적 소재에 대한 소비자의 욕구는 다시금 재생 단백질 섬유에 대한 관심을 갖게 한다.

쪾카세인 (우유) 섬유
카세인(casein)은 우유 단백질 중 80%를 차지하며, 전체 우유 중에는 3% 정도 함유되어 있다. 카세인은 탈지우유 또는 농축우유에 산을 첨가하여 침전물로 얻었으며, 농축 후 포름알데히드 등으로 가교 시켜서 제조 하였다. 카세인 섬유는 양모와 비슷한 성질을 갖는데 다른 섬유와 혼섬하여 이용되었다. 카세인 섬유는 양모를 대체하는데 효과적이었으나 몇 가지 단점으로 인하여 완전히 대체하지는 못 하였다. 우선 습윤강도가 상당히 떨어지고, 습한 조건에서는 곰팡이가 피고 악취가 발생하는 것이 단점이었다.
카세인 섬유는 1940년대 초 이탈리아에서 라니탈(Lanital), 미국에서 아라락 (Aralac)이라는 상품명으로 처음 판매되었다. 그러나 1960년대 이후에는 더 이상 생산되지 않았다. 최근에는 다시 중국에서 생산되고 있으며, 과거와 달리 아크릴과 그라프트 중합 법에 의하여 제조함으로서 포름알데히드의 잔유가능성이 없어 새로운 이용가능성을 제시하고 있다.

쪾땅콩 섬유
땅콩에서 기름을 제거한 후 단백질을 추출하여 제조되었다. 촉감이 매우 부드러운 특징이 있었으나 강도가 약해 실제 응용되기에는 한계가 있었다. 영국에서 아드릴(Adril)이라는 상품명으로 개발되었다. 1951년에 10,000톤까지 생산되었으나 성공적인 상품은 아니었다.

쪾옥수수 섬유
옥수수에는 제인(zein)이라는 단백질이 있는데 낟알 무게의 4%를 차지한다. 옥수수 섬유는 제인을 알칼리 용액에 용해하고 산성 응고 욕에서 방사한 후 포름알데히드로 가교 하여 섬유를 얻는다. 양모와 비슷한 성질을 가지며 미생물에 대한 저항성도 있으나 단독으로 사용하지 못 하고 주로 다른 섬유와 혼섬하여 이용된다. 미국에서 Vicara라는 상품명으로 50년대에 생산되었다.

쪾콩섬유
콩섬유는 현재 유일한 식물성 단백질 섬유로 캐쉬미어와 유사한 촉감을 갖는다. 특히 대두의 단백질 함량은 50%에 육박하여 훌륭한 단백질 원으로 이용될 수 있다. 또한 대두유 생산시 남는 대두 박을 이용하여 생산하므로 원가가 저렴하고 풍부하며, 생분해성이므로 환경친화적이다. 콩섬유의 생산과정을 보면 3단계로 나눌 수 있는데, 첫째는 대두 박에서 구상(球狀) 단백질을 추출하는 공정, 둘째는 추출한 단백질을 효소로 처리하여 단백질의 구조를 바꾸는 공정, 마지막으로 폴리비닐알코올(PVA)와 블렌드하여 습식방사하는 공정이다. 이렇게 생산산 콩섬유는 강도가 기존의 단백질 섬유인 실크와 양모보다 우수하며, 흡습율은 면과 대등하여 우수한 섬유소재로 기대된다.
콩섬유는 천연 단백질을 포함하고 있어 피부친화성이 우수할 것으로 기대된다. 최근 유아용품에서 콩섬유의 이용이 증대되고 있는데 이는 아토피성 피부염의 방지에 콩섬유가 보다 효과적일 것이라는 기대 때문이다. 그러나 아직까지 구체적인 실험결과가 없는 것이 아쉽다.

제2차 세계대전 이후 생산이 중단되었던 콩섬유는 2000년부터 중국에서 대량생산체제를 갖추어 엄청난 홍보를 하였지만, 아직 그 기대에 부흥하고 있지 못하다. 우선 PVA와 블렌드하였으므로 100% 단백질 섬유가 아니며, 또한 색상이 연한 갈색으로 염색에 문제가 있다. 특히 염색시의 문제를 해결하기 위하여 표백하는 방법에 대한 연구가 진행 중에 있으나 아직까지 뚜렷한 해결책이 있는 것 같지는 않다.

쪾재생 실크 단백질 섬유
실크는 원래 그 자체가 매우 뛰어난 섬유소재이다. 그러나 모든 천연소재가 그렇듯이 본연의 성질 이상의 성능을 기대하기 매우 힘들다. 재생 실크 단백질은 처음 일본에서 폐실크를 활용하기 위한 방법으로 개발되었으며, 초기에는 식품, 화장품 등으로 응용이 되었다. 이후 새로운 고분자 소재로 재조명되면서 최근에는 의료용 소재로 많은 연구가 되고 있다.

재생 실크 단백질은 정련한 실크를 진한 중성염 용액에 용해시킨 후 투석과 건조과정을 거쳐 분말로 얻게 된다. 이렇게 얻은 실크 단백질은 다시 방사용액에 재 용해시켜 습식방사를 통하여 섬유로 제조할 수 있다. 실크 단백질은 알코올 처리에 의하여 쉽게 불용 화시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 전기방사도 가능하여 나노섬유로도 가공이 가능하다. 재생 실크 섬유는 의류용으로는 사용하기 어렵겠지만 고부가가치의 의료용으로는 활용이 기대된다. 의료용 소재에서 가장 중요한 것은 인체 내에서 부작용이 일어나지 않는 생체적합성인데 재생 실크 섬유는 이러한 생체적합성이 우수한 소재로 알려졌다. 현재 재생 실크 섬유는 습식방사한 것은 수술용 봉합사로, 전기 방사한 것은 조직공학용 소재로 연구가 진행 중에 있다.

▲ 맺 음 말
재생 단백질 섬유는 인체의 피부와 친화성 있는 소재로서 그 이용가능성이 매우 크다. 특히 최근 유아의 아토피 피부염이 심각한 문제인데 이미 유아복 및 유아용품에는 콩섬유로 된 많은 제품들이 소개되고 있다. 또한 여성의 위생용품에도 재생 단백질 섬유를 이용하려는 시도가 진행 중에 있다. 그러나 아직까지 해결해야할 부분도 많이 있다. 우선 강도가 기존의 섬유에 비해 너무 떨어지는 것이 가장 큰 단점이다. 이러한 단점을 극복하고자 기존의 합성고분자와 섞어 사용하는 것이 일반적이다. 이 때 합성고분자와의 상용성 문제는 반드시 해결해야할 문제점이다. 또한 아직까지 재생 단백질 섬유와 인체 피부와의 상관관계가 명확하게 증명되지 않았다. 인체 피부도 단백질이다 보니 친화성이 좋을 것으로 기대되지만, 그래도 보다 명확한 근거를 제시해야할 필요성이 있다. 재생 단백질 섬유는 50년대 이미 개발되어 새로운 개념은 아니지만, 당시 시장에서 주목받지 못한 것이 섬유 자체의 문제가 아니고 여건의 변화에 의한 것이었으므로 아직 그 이용가능성은 충분히 있다. 더욱이 최근의 건강 및 환경에 대한 관심 증대는 재생 단백질 섬유의 이용을 더욱 촉진할 것으로 기대된다.
<공저 박영환 교수(서울대 바이오소재공학 전공)>

발 췌 : 한국섬유신문 2006년 10월 16일