Review on Separation and Modification Technologies of Kraft Lignin and Their Potential Applications as Environmental Materials

Park, Gil Eun; Jo, Young-Tae; Park, Jeong Hun

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J Korean Soc Environ Eng > Volume 48(8); 2026 > Article

크라프트 리그닌의 분리 및 개질 기술과 환경 소재로서의 활용 가능성에 대한 고찰

Review Paper

Journal of Korean Society of Environmental Engineers 2026; 48(8): 216-228.

Published online: August 31, 2026

DOI: https://doi.org/10.4491/KSEE.2026.48.8.216

크라프트 리그닌의 분리 및 개질 기술과 환경 소재로서의 활용 가능성에 대한 고찰

박길은

, 조영태

, 박정훈^†

전남대학교 환경에너지공학과

Review on Separation and Modification Technologies of Kraft Lignin and Their Potential Applications as Environmental Materials

Gil Eun Park

, Young-Tae Jo

, Jeong Hun Park^†

Department of Environment and Energy Engineering, Chonnam National University, Gwangju, Republic of Korea

^†Corresponding author E-mail: parkjeo1@jnu.ac.kr Tel: 062-530-1855 Fax: 062-530-1859

Received June 16, 2026 Revised July 15, 2026 Accepted July 15, 2026

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Abstract

Kraft lignin is a major biomass byproduct generated in large quantities from the kraft pulping process and has attracted attention as a renewable aromatic polymer with the potential to replace petroleum-based aromatic compounds. Since the kraft process accounts for the majority of global pulp production, large amounts of lignin are continuously generated, providing a stable supply of biomass-derived resources. Kraft lignin contains a complex aromatic structure and various functional groups; however, variations in molecular weight distribution and functional group composition caused by differences in feedstock species and pulping conditions lead to significant quality inconsistency. In addition, sulfur-containing structures and a high degree of condensation act as major technical barriers during separation, purification, and subsequent modification processes, thereby limiting its application in high-value materials. Various separation and purification technologies, including acid precipitation, membrane separation, and solvent-based fractionation, have been applied to obtain lignin fractions with properties suitable for specific applications. In particular, the abundant phenolic hydroxyl and carboxyl groups of kraft lignin have enabled its development as water-treatment adsorbents and porous carbon precursors for the removal of heavy metals and organic pollutants, demonstrating its potential as an environmental material. In applications such as adhesives, resins, and carbon materials, structural reproducibility is also an important requirement, emphasizing the importance of selective separation and structural control technologies. However, the high capital investment and production costs required for high-purity purification and modification processes remain major challenges for large-scale industrial utilization. Furthermore, quality standardization and the establishment of large-scale production systems are essential for practical applications. Future research should focus on the development of selective separation and fractionation technologies capable of precisely controlling molecular weight and functional group composition, along with the transition to continuous processing systems to enhance industrial applicability.

Key words: Kraft lignin, Biomass, Biorefinery, Separation and purification, Valorization

요약

크라프트 리그닌(Kraft lignin)은 크라프트 펄프 공정에서 대량으로 발생하는 대표적인 바이오매스 부산물로, 재생 가능한 방향족 고분자로서 석유 기반 방향족 화합물을 대체할 수 있는 잠재적 원료로 주목받고 있다. 크라프트 공정은 전 세계 펄프 생산의 대부분을 차지하며, 이에 따라 대량의 리그닌이 지속적으로 발생하고 있어 안정적인 공급이 가능한 바이오 기반 자원으로 평가된다. 크라프트 리그닌은 복잡한 방향족 구조와 다양한 관능기를 포함하고 있으나, 원료 수종 및 공정 조건에 따른 분자량 분포와 관능기 조성의 변동성으로 인해 품질 불균일성이 발생한다. 또한 황 함유 구조와 높은 응축도는 분리 및 정제 과정과 후속 개질 공정에서 주요 기술적 제약 요인으로 작용하며, 이러한 특성은 고부가가치 소재 적용을 제한하는 요인으로 보고되고 있다. 현재 산성 침전을 기반으로 한 분리 공정을 비롯하여 막 분리 및 용매 기반 분획 기술이 적용되고 있으며, 이러한 공정은 응용 목적에 적합한 물성 확보에 중요한 역할을 한다. 특히 크라프트 리그닌의 풍부한 페놀성 하이드록실기와 카복실기는 중금속 및 유기오염물질 제거를 위한 수처리용 흡착제와 다공성 탄소 전구체 개발에 유리하게 작용하며, 이는 크라프트 리그닌의 환경소재로서의 활용 잠재력을 뒷받침한다. 또한 접착제, 수지 및 탄소 소재 분야에서는 구조적 재현성 확보가 중요한 요소로 제시되고 있으며, 이에 따라 선택적 분리 및 구조 제어 기술의 중요성이 강조되고 있다. 그러나 고순도 정제 및 개질 공정에 요구되는 높은 설비 투자와 생산 단가는 상업적 활용 확대를 제한하는 주요 요인으로 지적되고 있으며, 품질 표준화와 대량 생산 공정의 확립은 산업적 적용을 위한 필수 조건으로 제시되고 있다. 향후에는 분자량 및 관능기 조성을 정밀하게 제어할 수 있는 선택적 분리 및 분획 기술과 함께 연속 공정 기반 생산 체계 구축이 중요한 연구 방향으로 제시된다.

주제어: 크라프트 리그닌, 바이오매스, 바이오리파이너리, 분리･정제, 고부가가치화

1. 서 론

1.1. 연구 배경과 목적

기후 변화, 자원 고갈 및 환경 오염과 같은 전 지구적 문제에 대응하기 위해 재생 가능한 바이오매스를 고부가가치 자원으로 활용하는 방안이 중요하게 부각되고 있다. 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 구성되며, 이 중 리그닌은 셀룰로오스 다음으로 풍부한 천연 고분자이자 방향족 구조를 갖는 유일한 바이오 기반 고분자로서 높은 활용 잠재력을 지닌 자원이다[1]. 일반적으로 리그닌은 식물 세포벽을 구성하는 천연 방향족 고분자로, p-쿠마릴 알코올, 코니페릴 알코올 및 시나필 알코올의 세 가지 모노리그놀 단위체가 β–O–4 결합을 중심으로 다양한 결합으로 연결된 비정형 고분자이다. 리그닌은 식물체 내에서 세포벽의 기계적 강도와 병해충 저항성을 부여하는 구조적 역할을 담당한다[2]. 반면 크라프트 리그닌은 이러한 천연 리그닌이 크라프트 펄프화 공정을 거치면서 화학적으로 변형된 산업 부산물을 의미한다. 크라프트 리그닌은 천연 리그닌과 동일한 H, G, S 단위체를 기반으로 하지만, 알칼리성 백액(NaOH, Na₂S)에 의해 β–O–4 결합이 선택적으로 절단되고 탄소–탄소 결합 중심의 응축 반응이 진행되면서 페놀성 하이드록실기 함량이 증가하고 황 함유 구조가 도입되는 특징을 가진다[3]. 이러한 구조적 변화는 천연 리그닌과 구별되는 크라프트 리그닌만의 특성이며, 이후 분리･정제 공정과 다양한 소재 응용 성능에 직접적인 영향을 미친다. 리그닌은 주로 펄프 및 제지 산업의 부산물로 생성되며, 특히 크라프트(Kraft) 공정을 통해 가장 대량으로 발생한다[4]. 크라프트 리그닌은 알칼리 조건과 황화합물을 이용한 펄프 생산 과정에서 형성되는 부산물로, 전 세계 펄프 생산의 약 80%를 차지하는 크라프트 공정에서 연간 약 수천만 톤 규모로 생산되는 것으로 보고되고 있다[5]. 이러한 대량 생산은 리그닌을 재생 가능한 원료로 안정적으로 공급할 수 있는 기반을 제공하며, 순환경제 및 탄소중립 실현 측면에서 중요한 역할을 할 수 있다[6]. 최근 바이오 기반 산업의 성장과 함께 크라프트 리그닌을 고분자 소재, 화학 중간체, 에너지 저장 소재 및 환경 소재 등 다양한 분야로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[7]. 특히 크라프트 리그닌은 풍부한 페놀성 하이드록실기와 방향족 구조를 바탕으로 접착제, 탄소 소재뿐만 아니라 수처리용 흡착제, 중금속 제거 소재, 활성탄 전구체 등 다양한 환경 소재로의 활용 가능성이 활발히 연구되고 있다[8]. 또한 리그닌 기반 소재는 화석자원 기반 화학물질을 대체하고 온실가스 배출을 저감할 수 있는 친환경 대체 소재로서 주목받고 있다[9]. 그러나 크라프트 리그닌은 구조적 이질성, 황 함유 구조, 낮은 용해성 및 품질 변동성으로 인해 분리, 정제, 저분자화 및 기능화 공정에서 기술적 어려움이 발생하며, 이러한 특성은 상업적 활용 확대를 제한하는 주요 요인으로 작용하고 있다[10]. 또한 경제적인 대규모 생산 공정과 품질 표준화 기술의 부족 역시 산업적 적용을 위한 중요한 과제로 지적되고 있다[11]. 이에 본 리뷰 논문에서는 크라프트 리그닌의 물리･화학적 특성, 주요 분리 및 정제 기술, 다양한 산업적 활용 사례 및 상업화 동향을 체계적으로 고찰하고자 한다. 또한 크라프트 리그닌의 기술적 한계와 향후 연구 방향을 종합적으로 분석함으로써, 지속 가능한 리그닌 기반 산업 발전을 위한 기초 자료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

2. 본 론

2.1. 크라프트 리그닌의 개요

2.1.1. 크라프트 공정과 리그닌 생성

크라프트 공정(Kraft process)은 1879년 Carl F. Dahl에 의해 개발된 화학적 펄프화 공정으로, 현재 전 세계 펄프 생산량의 약 80%를 차지하는 대표적인 산업 공정이다[12]. 본 공정에서는 목재 칩을 수산화나트륨(NaOH)과 황화나트륨(Na₂S)으로 구성된 알칼리성 백액과 함께 고온･고압 조건에서 처리하여 리그닌과 헤미셀룰로오스를 용해시키고 셀룰로오스 섬유를 분리한다[13]. 이 과정에서 리그닌의 β–O–4 에테르 결합이 우선적으로 절단되며, 동시에 탄소–탄소 결합 중심의 응축 반응이 진행되어 분자량 감소와 페놀성 하이드록실기 증가, 구조적 이질성 확대가 나타난다[14]. 또한 공정 중 도입되는 황 함유 작용기는 냄새 발생과 열적 안정성 저하를 유발하며, 고성능 소재 적용 시 품질 저하 요인으로 작용할 수 있다[15]. 이러한 반응 특성과 공정 조건의 변동성으로 인해 크라프트 리그닌은 분자량 분포와 관능기 조성이 다양한 다분산성 물질로 분류된다[16]. 산업적으로 크라프트 리그닌은 흑액을 산성화하여 침전시키는 방식으로 회수되며, 여과･세척･건조 공정을 거쳐 분말 형태로 생산된다(Table 2) [17]. 최근에는 LignoBoost® 공정과 같은 고도화된 회수 기술이 적용되면서 고순도 리그닌 생산이 가능해지고 있다[18]. 전반적으로 크라프트 공정은 안정적인 리그닌 공급원을 제공하지만, 생성된 리그닌의 구조적 복잡성과 황 함유 특성으로 인해 고부가가치 활용을 위해서는 추가적인 정제 및 개질 공정이 요구된다.

2.2. 생산 현황 및 시장 동향

전 세계 펄프 및 제지 산업에서는 매년 약 5,000만~7,000만 톤의 리그닌이 부산물로 생성되며, 이 중 대부분이 크라프트 공정에서 유래한다[19]. 현재 생산되는 크라프트 리그닌의 95% 이상은 흑액 상태로 소각되어 공정 에너지원으로 활용되고 있으며, 소재로 활용되는 비율은 여전히 제한적인 수준에 머물러 있다[20]. 그러나 최근 바이오 기반 화학 산업의 성장과 순환경제에 대한 관심 증가에 따라 리그닌의 분리·정제 및 소재화 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 산업적 활용 가능성이 점차 확대되고 있다[21]. 리그닌 시장의 성장은 환경 규제 강화와 친환경 소재에 대한 수요 증가에 크게 영향을 받고 있다. 특히 EU의 탄소국경조정제도(CBAM) 도입과 바이오 기반 소재 사용 확대 정책은 화석자원 기반 소재의 사용을 제한하고 재생 가능한 바이오 소재의 산업적 수요를 증가시키고 있다[22]. 이에 따라 리그닌은 석유 기반 방향족 화합물을 대체할 수 있는 원료로 주목받고 있으며, 바이오 기반 페놀 수지 및 연료 첨가제 분야를 중심으로 상업적 적용이 확대되고 있다[23]. 또한 저분자화, 촉매 분해 및 화학적 기능화 기술의 발전은 응용 목적에 적합한 맞춤형 리그닌 생산을 가능하게 하여 소재로서의 활용성과 경제성을 동시에 향상시키고 있다[23]. 최근에는 탄소 섬유, 이차전지 전극재, 바이오플라스틱 및 수처리 흡착제와 같은 첨단 산업 분야로의 적용 연구가 확대되고 있으며, 이러한 응용 분야의 확장은 향후 리그닌 시장 성장을 견인하는 핵심 요인으로 평가된다[24].

3. 크라프트 리그닌의 구조적･화학적 특성

리그닌은 방향족 알코올 단위체가 복잡하게 결합된 비정형 고분자로, 생성 공정에 따라 구조와 물성이 크게 달라진다. 크라프트 공정에서 생성되는 크라프트 리그닌은 천연 리그닌에 비해 구조적·화학적 변형이 크며, 이러한 특성은 가공성, 정제 공정 및 응용 분야에 직접적인 영향을 미친다.

3.1. 분자 구조 및 주요 결합

천연 리그닌은 p-쿠마릴 알코올, 코니페릴 알코올, 시나필 알코올 단위체로 구성되며, 각각 H, G, S 단위로 구분된다. 침엽수 리그닌은 G 단위가 우세하고, 활엽수 리그닌은 G와 S 단위가 혼합된 구조를 갖는다[25] (Fig. 1).

리그닌에서 가장 풍부한 결합은 β–O–4 에테르 결합으로 전체 결합의 약 45~60%를 차지하며, 알칼리 조건에서 비교적 쉽게 절단된다[27]. 크라프트 공정에서는 이 결합이 우선적으로 분해되어 분자량 감소와 페놀성 하이드록실기 생성이 일어나며, 이로 인해 화학적 반응성이 크게 증가한다[28]. 반면 β–5, β–β, β–1, 5–5 결합과 같은 탄소–탄소 결합은 화학적으로 안정하여 분해가 어렵고[29,30], 공정 중 응축 반응에 의해 상대적 비율이 증가한다(Fig. 2). 이로 인해 크라프트 리그닌은 천연 리그닌에 비해 분자 구조가 더욱 복잡해지고 선택적 분해 및 가공성이 저하되는 특성을 나타낸다. 또한 공정 중 황화나트륨(Na₂S)에 의해 티올기 및 설파이드 결합과 같은 황 함유 구조가 도입되며, 이는 크라프트 리그닌의 특징적인 구조 요소로 작용한다[31].

또한 공정 중 황화나트륨(Na₂S)에 의해 티올기 및 설파이드 결합과 같은 황 함유 구조가 도입되며, 이는 크라프트 리그닌의 특징적인 구조 요소로 작용한다[33]. 크라프트 공정에서 β–O–4 결합이 퀴논 메티드 중간체를 거쳐 HS⁻에 의해 절단되는 대표적인 반응 경로를 나타낸다[34]. β–O–4ʹ 퀴논 메티드의 Cβ 위치에 대한 HS⁻의 친핵성 공격은 결합의 개열을 유도하며, 이 과정에서 티올기(–SH)와 새로운 페놀성 하이드록실기(–OH)가 생성된다[32,35]. 이러한 반응은 크라프트 리그닌의 황 함유 구조 형성과 페놀성 하이드록실기 증가를 설명하는 핵심 메커니즘으로 알려져 있으며, 최종 리그닌의 반응성과 물성에 중요한 영향을 미친다(Fig. 3).

3.2. 관능기와 물성 특성

크라프트 리그닌에는 페놀성 하이드록실기, 지방족 하이드록실기, 메톡실기 및 카보닐기 등 다양한 관능기가 존재하며, 이러한 관능기는 리그닌의 반응성과 물리･화학적 특성을 결정하는 주요 요인이다[36](Table 3).

크라프트 공정에서는 β–O–4 결합이 선택적으로 절단되면서 페놀성 하이드록실기 함량이 천연 리그닌보다 크게 증가한다[37]. 이는 에폭시 수지, 폴리우레탄 및 접착제 합성에서 가교 반응성을 향상시키는 동시에, 금속 이온과 결합할 수 있는 활성 부위를 제공하여 수처리용 흡착 소재의 성능 향상에도 기여한다. 실제로 페놀성 하이드록실기와 카복실기가 풍부한 크라프트 리그닌 기반 소재는 Cd(II), Cr(VI), Pb(II) 등에 대해 착화 및 이온교환 메커니즘을 통해 우수한 흡착 성능을 나타내는 것으로 보고되었다[38,39]. 지방족 하이드록실기는 공정 중 비교적 안정적으로 유지되어 에스테르화 및 에테르화와 같은 후속 개질 반응의 주요 반응점으로 활용되며, 메톡실기는 일부 탈알킬화가 일어나지만 대부분 보존되어 소재의 친유성과 전자적 특성에 영향을 미친다[40]. 크라프트 리그닌의 또 다른 특징은 크라프트 공정 과정에서 도입되는 티올기와 설파이드 결합 등 황 함유 구조이다. 이러한 구조는 냄새 발생과 열적 안정성 저하를 유발하여 탄소 섬유나 전극 소재와 같이 고온 열처리가 필요한 응용에서는 품질 저하 요인으로 작용하므로 일반적으로 탈황 공정이 요구된다[41]. 반면 일부 황 함유 작용기는 특정 중금속과 높은 친화성을 나타낼 수 있어, 응용 목적에 따라서는 선택적으로 활용될 가능성도 보고되고 있다[42]. 또한 크라프트 공정 중 진행되는 탄소–탄소 결합 중심의 응축 반응은 높은 방향족 탄소 함량과 응축 구조를 형성한다. 이러한 특성은 활성탄 및 다공성 탄소 소재 제조 시 높은 탄화 수율과 우수한 구조 안정성을 제공하는 장점이 있는 반면[43], 저분자화와 균일한 구조 제어가 필요한 화학소재 응용에서는 반응성을 저하시켜 선택적 개질을 어렵게 하는 한계로 작용한다[44]. 크라프트 리그닌은 알칼리성 수용액에는 용해되지만 중성 및 산성 조건에서는 거의 불용성이며, 분자량은 수백에서 수만 g/mol 범위로 넓게 분포한다[45]. 이러한 낮은 용해성은 정제 및 분획 공정을 복잡하게 하여 공정 비용 증가의 원인이 될 수 있지만, 내수성이 요구되는 접착제 및 코팅 소재에서는 오히려 장점으로 활용될 수 있다. 또한 회수 과정에서 무기물과 잔류 다당류가 포함될 수 있어 순도가 상대적으로 낮은 특성을 나타낸다(Table 4).

다른 유형의 리그닌과 비교하면, 유기용매 리그닌은 높은 순도와 균일한 분자량 분포를 가지며, 리그노설포네이트는 우수한 수용성과 계면활성을 나타내고[46], 가수분해 리그닌은 응축도가 높아 주로 연료용으로 활용된다[47]. 종합하면 크라프트 리그닌의 높은 페놀성 하이드록실기 함량, 황 함유 구조, 높은 응축도 및 낮은 용해성은 각각 응용 분야에 따라 장점과 한계로 동시에 작용하는 특성이며, 이러한 특성을 목적에 맞게 선택적으로 제어하거나 활용하는 것이 후속 분리･개질 공정과 고부가가치 소재 개발의 핵심 요소라고 할 수 있다.

4. 크라프트 리그닌의 분리 및 정제

크라프트 리그닌의 분리 및 정제는 흑액의 물리·화학적 특성에 기반하며, 적용 공정에 따라 최종 리그닌의 순도와 물성이 크게 달라진다. 현재 산업적으로는 흑액의 pH 변화에 따른 용해도 차이를 이용한 산성 침전법이 가장 널리 활용되고 있으며, 주요 분리 기술의 특징은 Table 5에 정리하였다.

4.1. 흑액에서의 분리 원리

흑액은 강한 알칼리성 용액으로, 리그닌은 페놀성 하이드록실기와 같은 산성 관능기의 이온화에 의해 용해된 상태로 존재한다[48]. 용액의 pH가 감소하면 이러한 이온화가 억제되어 리그닌의 용해도가 감소하고 응집･침전이 발생하며, 이 원리가 크라프트 리그닌 분리의 기본 메커니즘으로 활용된다[49]. 일반적으로 흑액에 CO₂ 또는 H₂SO₄를 주입하여 pH를 약 9~10 이하로 낮추면 리그닌이 침전되며, 이후 여과 또는 원심분리를 통해 회수한 뒤 세척 및 건조 과정을 거쳐 분말 형태로 제조된다[50]. 분리 효율은 pH 변화 조건과 교반 상태에 영향을 받으며, 적절한 조건 제어는 입자 응집을 촉진하여 회수 효율을 향상시키는 것으로 보고되고 있다[46].

4.2. 주요 분리 및 정제 기술

크라프트 흑액으로부터 리그닌을 회수하기 위해 산성 침전법을 기반으로 다양한 보조 기술이 적용되고 있으며, 요구되는 품질과 응용 목적에 따라 선택적으로 활용된다[51]. 산성 침전법은 공정이 단순하고 비용이 낮아 산업적으로 가장 널리 사용되는 기술이다[52]. CO₂를 사용하는 경우 황 성분의 추가 유입이 없고 비교적 균일한 분자량 분포를 유지할 수 있다는 장점이 있으나, 침전 속도가 상대적으로 느려 처리 시간이 증가할 수 있다. 반면 H₂SO₄를 사용하는 경우 침전 속도가 빠르고 회수 효율이 높은 장점이 있으나, 황산염의 잔류 가능성과 장비 부식 문제가 발생할 수 있다는 한계가 있다[53, 54]. 염산(HCl) 역시 pH 2 부근에서 황산과 유사한 수준의 리그닌 회수율을 나타내는 것으로 보고되었다[55]. 그러나 염화물 이온에 의한 설비 부식 위험이 크고, 부산물로 생성되는 염화나트륨(NaCl)은 크라프트 공정의 화학약품 회수 사이클에 재활용되지 못하므로 산업적으로는 거의 적용되지 않는다[56]. 또한 질산(HNO₃)은 강한 산화제로 작용하여 리그닌의 방향족 구조를 산화하거나 니트로화할 수 있어 원료 리그닌의 화학적 구조를 변형시킬 가능성이 있으므로 대량 침전 공정에는 적합하지 않은 것으로 알려져 있다[57]. 따라서 현재 크라프트 리그닌 회수 공정에서는 황 성분이 추가로 도입되지 않는 CO₂와 공정 효율이 높은 H₂SO₄가 산업적으로 가장 널리 사용되는 산성 침전제로 활용되고 있다[58]. 응집제 처리는 미세 리그닌 입자의 응집을 유도하여 고액 분리 효율을 향상시키고 여과 성능을 개선할 수 있다는 장점이 있으나, 화학 약품 잔류 가능성과 선택적 분리 성능이 제한적이라는 단점이 있다[59, 60]. 막 분리 기술은 한외여과를 이용하여 분자량에 따른 분획과 불순물 제거가 가능하다는 장점이 있으며, 고순도 리그닌 확보에 효과적인 방법으로 평가된다[61]. 그러나 막 오염(fouling)과 유지관리 비용 증가가 주요 한계로 지적된다[62]. 용매 추출은 용해도 차이를 이용하여 특정 분자량 또는 기능기를 갖는 리그닌을 선택적으로 분리할 수 있다는 장점이 있으며, 기능성 소재 생산에 유리한 특성을 제공한다[63]. 그러나 용매 회수 공정이 필수적으로 요구되며, 이에 따른 공정 비용 증가와 안전성 관리 문제가 경제성 확보의 주요 과제로 지적된다[64].

5. 크라프트 리그닌의 활용과 산업화

크라프트 리그닌은 풍부한 페놀성 하이드록실기와 방향족 고분자 구조를 기반으로 다양한 산업 분야에서 활용 가능성이 제시되고 있다[65]. 현재 활용은 접착제 및 수지, 탄소 및 에너지 소재, 환경･농업 소재를 중심으로 이루어지고 있으며, 최근에는 고부가 기능성 소재로의 적용이 확대되고 있다[66].

5.1. 주요 활용 분야

접착제 및 수지 분야에서는 크라프트 리그닌이 페놀–포름알데히드(PF) 수지에서 석유 유래 페놀을 부분적으로 대체할 수 있는 바이오 기반 원료로 활용되고 있다[67]. 리그닌의 방향족 구조는 수지의 기계적 강도와 열적 안정성을 유지하는 데 기여하며, 포름알데히드 방출 저감 효과 또한 보고되고 있다[68]. 또한 에폭시 수지 및 폴리우레탄(PU) 소재에서도 항산화 및 자외선 차단 특성을 활용한 적용이 증가하고 있다[69]. 탄소 및 에너지 소재 분야에서는 높은 탄소 함량과 방향족 구조를 활용하여 탄소 섬유, 활성탄 및 전극 소재 전구체로 활용되고 있다[70]. 특히 리그닌 기반 탄소 소재는 기존 PAN 기반 소재 대비 원가 절감 가능성을 가지며, 슈퍼커패시터 및 이차전지 전극 소재로의 적용 가능성이 보고되고 있다[71]. 환경 소재 분야에서는 크라프트 리그닌의 풍부한 방향족 구조와 페놀성 하이드록실기, 카복실기를 활용한 수처리용 흡착제 및 탄소 기반 환경 소재 개발이 활발히 이루어지고 있다[72]. 최근 연구에서는 크라프트 리그닌 유래 흑액 기반 바이오차가 열분해 온도 상승에 따라 표면 다공성과 작용기 노출이 증가하여 Cd(II)에 대한 착화 흡착능이 향상됨이 보고되었으며[73], 아민화 및 산화 등 화학적으로 개질된 크라프트 리그닌은 Cr(VI), Pb(II) 등에 대해 Langmuir 등온흡착 모델에 부합하는 높은 최대 흡착용량을 나타내는 것으로 확인되었다[74]. 또한 질소 도핑 다공성 탄소와 같은 리그닌 기반 탄소 소재는 1,000m²/g 이상의 높은 비표면적을 나타내며, 이산화탄소 포집과 수중 제초제 제거에 효과적인 것으로 보고되어 수처리용 활성탄 전구체로서의 활용 가능성을 보여주고 있다[43]. 이 밖에도 리그닌 유래 활성탄은 염료와 신흥오염물질(emerging pollutants)의 제거에도 활용되고 있으며, 활성화제 종류와 탄화 조건에 따라 비표면적 및 흡착 성능이 크게 달라지는 것으로 보고되었다[75]. 다만 크라프트 리그닌의 황 함유 구조와 공정 조건에 따른 표면 특성의 불균일성은 흡착 성능의 재현성과 상업화를 제한하는 요인으로 지적되고 있으며[76], 이를 개선하기 위한 탈황 및 표면 기능화 기술의 개발이 지속적으로 요구된다(Table 6).

5.2. 산업화 현황과 한계

현재 크라프트 리그닌의 산업적 활용은 비교적 부가가치가 낮은 응용 분야를 중심으로 이루어져 왔다[77]. 예를 들어, 술폰화 등 화학적으로 개질된 크라프트 리그닌은 콘크리트 혼화제(감수제･유동화제)로 활용되어 시멘트 입자 표면에 흡착하고 정전기적 반발력을 유도함으로써 물 사용량을 줄이고 작업성을 향상시키는 것으로 보고되었다[78]. 또한 목재 및 사료 펠릿 제조에서는 열가소성을 이용한 결합제로 작용하여 입자 간 응집력을 높이고 펠릿의 기계적 강도와 내구성을 향상시키는 데 활용된다[79]. 한편, 회수되지 않은 대부분의 크라프트 리그닌은 여전히 흑액 상태로 회수보일러에서 연소되어 공정 열원과 전력 생산에 이용되고 있다[80]. 최근에는 고순도 분리 및 구조 제어 기술의 발전에 따라 접착제, 수지 및 탄소 소재와 같은 고부가가치 소재 분야로 산업적 적용이 점차 확대되고 있다[81]. 주요 펄프·제지 기업들은 크라프트 리그닌을 독립적인 제품으로 상업화하여 다양한 소재 분야에 적용하고 있으며, 이러한 흐름은 바이오 기반 소재 수요 증가와 탄소중립 정책 강화에 따라 점진적으로 확대되고 있다[82]. 그러나 크라프트 리그닌의 산업적 활용 확대에는 여전히 품질 불균일성과 황 함유 구조와 같은 기술적 한계가 존재한다[83]. 이러한 특성은 응용 분야별 표준화된 제품 생산을 어렵게 하며, 고부가 소재 적용 시 물성 안정성 저하로 이어질 수 있다[84]. 또한 고순도 정제 및 개질 공정은 추가적인 에너지와 설비 투자를 요구하여 생산 단가 증가의 주요 요인으로 작용한다[85]. 경제적 측면에서는 기존 석유 기반 원료가 안정적인 공급망과 가격 경쟁력을 확보하고 있어, 리그닌 기반 제품은 성능뿐 아니라 공정 비용 측면에서도 경쟁력을 확보할 필요가 있다[86]. 특히 산업적 적용 확대를 위해서는 생산 규모의 증가보다 분자량 분포와 관능기 조성의 일관성 확보가 우선적으로 요구된다[87]. 이는 응용 목적에 따라 요구되는 물성을 안정적으로 재현하기 위한 핵심 조건이며, 품질 변동성은 대량 생산 공정 적용 시 가장 큰 제약 요인으로 작용할 수 있다. 또한 범용 소재 중심의 활용에서 벗어나, 특정 기능성을 요구하는 응용 분야를 대상으로 한 선택적 활용 전략이 중요하다. 또한 크라프트 리그닌의 산업적 활용 확대를 위해서는 회수 과정에서 포함되거나 공정 중 형성되는 불순물의 관리 역시 중요한 과제로 제시된다. 대표적인 불순물로는 잔류 무기염(Na₂SO₄, Na₂CO₃ 등), 헤미셀룰로오스 유래 잔류 다당류 및 크라프트 공정에서 도입되는 황 함유 구조를 들 수 있다[88]. 무기염과 잔류 다당류는 세척, 용매 추출 및 투석 공정을 통해 상당 부분 제거할 수 있으나, 공유결합 형태의 황 함유 구조는 일반적인 세척만으로 제거가 어려워 냄새 발생과 열적 안정성 저하를 유발하는 주요 요인으로 작용한다[89]. 따라서 고순도 탄소 소재 및 전극 소재와 같은 고부가가치 응용을 위해서는 세척 공정의 최적화와 함께 선택적 탈황 기술 개발이 지속적으로 요구된다[90]. 따라서 향후 기술 개발은 품질 제어 기술과 공정 비용 절감을 동시에 고

6. 연구 방향 및 기술 제안

크라프트 리그닌의 고부가가치 활용 확대를 위해서는 구조적 한계와 공정적 제약을 동시에 고려한 기술 중심의 연구 방향 정립이 필요하다. 본 장에서는 향후 연구 방향을 기본 기술 개선, 신기술 개발, 공정 변경, 산업·정책 연계의 네 가지 축으로 정리하였다.

6.1. 기본 기술 개선

크라프트 리그닌 활용 확대를 위해 가장 우선적으로 요구되는 연구는 품질 일관성 확보를 위한 기본 물성 제어 기술의 고도화이다[91]. 현재 리그닌의 주요 한계는 원료 수종 및 공정 조건에 따른 품질 변동성으로, 이는 분자량 분포와 관능기 조성의 불균일성으로 나타난다[92]. 따라서 향후 연구는 평균 물성 향상보다는 분자량 범위 제어, 페놀성 하이드록실기 함량 조절 및 황 함량 저감과 같은 핵심 물성의 정밀 제어에 초점을 둘 필요가 있다[93]. 또한 응용 목적에 따른 등급화 및 규격화 기준 구축은 다양한 산업 적용을 위한 필수 조건으로 평가된다[94].

6.2. 신기술 개발

기존 기술의 개선만으로는 리그닌의 구조적 복잡성을 근본적으로 해결하는 데 한계가 있으므로, 중･장기적으로는 신규 전환 및 개질 기술 개발이 필요하다[95]. 특히 선택적 분해 및 촉매 기반 전환 기술은 방향족 단량체 또는 기능성 올리고머 생산을 가능하게 하는 유망한 연구 방향으로 제시되고 있다[96]. 또한 전기화학적 또는 생물학적 전환 기술은 비교적 온화한 조건에서 반응이 가능하여 에너지 소비와 환경 부담을 동시에 저감할 수 있는 잠재력을 가진다[97]. 이러한 기술은 단기 상업화보다는 기존 활용 기술을 보완하거나 특정 고부가 시장을 목표로 단계적으로 개발될 필요가 있다[98].

6.3. 공정 구조 개선

현재 리그닌 분리 및 개질 공정은 주로 배치 공정 중심으로 운영되고 있어 품질 일관성과 생산성 측면에서 한계를 가진다[99]. 이에 따라 향후 연구에서는 연속 공정 기반의 공정 구조 전환이 중요한 기술 방향으로 제시된다[100]. 특히 산성 침전, 막 분리 및 건조 공정을 통합한 연속형 공정 설계는 생산성 향상과 에너지 효율 개선에 기여할 수 있다[101]. 또한 분획 기반 공정 설계를 적용하면 불필요한 후처리 단계를 줄여 전체 공정 비용 절감 효과를 기대할 수 있다[102].

6.4. 산업 및 정책 연계

기술 개발과 함께 산업 수요 및 정책 환경과의 연계 역시 중요한 요소이다[103]. 리그닌 기반 소재는 가격 경쟁보다는 친환경성 및 탄소 저감 효과와 같은 차별적 가치를 기반으로 시장 접근 전략이 필요하다[104]. 특히 접착제, 코팅제 및 탄소 소재와 같이 성능과 환경성을 동시에 요구하는 분야는 산업 적용 가능성이 높은 영역으로 평가된다[105]. 또한 탄소중립 및 순환경제 정책은 리그닌 기반 소재의 상용화를 촉진하는 주요 외부 요인으로 작용할 수 있으며, 실증 기반 연구 지원과 인증 제도는 초기 시장 진입을 지원하는 중요한 수단이 될 수 있다[106].

7. 고찰

크라프트 리그닌은 연간 수천만 톤 규모로 생산되는 대표적인 바이오매스 부산물로서 풍부한 공급량과 방향족 고분자 구조를 바탕으로 다양한 산업 분야에서 활용 가능성을 갖고 있다. 특히 접착제, 수지, 탄소 소재, 흡착제 및 바이오 기반 복합소재 분야에서 석유 기반 원료를 대체할 수 있는 잠재력이 지속적으로 보고되고 있으며, 최근에는 친환경 소재에 대한 수요 증가와 탄소중립 정책 확대에 따라 산업적 관심도 높아지고 있다[107]. 그러나 현재 생산되는 크라프트 리그닌의 대부분은 여전히 공정 내 연료로 사용되고 있으며, 고부가가치 소재로 활용되는 비율은 제한적인 수준에 머물러 있다. 이러한 활용 한계는 크라프트 리그닌이 갖는 구조적 이질성과 품질 불균일성에서 비롯된다. 크라프트 공정 과정에서 β–O–4 결합이 절단되고 응축 반응이 동시에 진행되면서 분자량 분포가 넓어지고 다양한 관능기가 형성된다. 또한 원료 수종과 펄프화 조건에 따라 분자 구조와 관능기 조성이 달라져 품질 변동성이 발생하며, 이러한 특성은 응용 분야별로 요구되는 물성을 안정적으로 재현하는 데 어려움을 초래한다[108]. 다른 산업용 리그닌과 비교하면 크라프트 리그닌의 장점과 한계는 더욱 뚜렷하게 나타난다. 리그노설포네이트는 우수한 수용성을 바탕으로 분산제와 바인더 분야에는 즉시 활용될 수 있으나, 낮은 탄소 함량과 높은 회분 함량으로 인해 탄소 소재와 같은 고부가가치 응용에는 적합성이 제한된다[109]. 반면 유기용매 리그닌은 황 함유 구조가 없고 순도가 높아 구조적으로는 고성능 소재 제조에 가장 적합하지만, 생산 규모가 작고 용매 회수 비용이 높아 경제성 확보에 어려움이 있다[110]. 이에 비해 크라프트 리그닌은 전 세계 펄프 생산의 약 80%를 차지하는 크라프트 공정에서 대량으로 발생하므로 원료 공급성과 경제성 측면에서는 가장 큰 장점을 가진다. 그러나 황 함유 구조, 높은 응축도 및 품질 변동성은 고부가가치 소재로의 전환을 제한하는 주요 기술적 한계로 작용한다. 즉, 크라프트 리그닌은 풍부한 공급량과 경제성을 갖춘 반면 구조적 개질이 필요하며, 유기용매 리그닌은 우수한 구조적 특성을 갖지만 생산 규모와 경제성이 제한되는 상반된 특성을 보인다. 이러한 비교는 향후 크라프트 리그닌의 고부가가치화 전략이 풍부한 원료 공급이라는 장점을 유지하면서도 선택적 탈황, 분획 및 구조 제어 기술을 통해 구조적 한계를 극복하는 방향으로 추진될 필요가 있음을 시사한다. 이러한 구조적 한계를 개선하기 위한 핵심 기술로는 분리 및 정제 기술이 제시된다. 현재 산업적으로는 산성 침전법이 가장 널리 사용되고 있으나, 최근에는 막 분리와 용매 분획 기술을 활용하여 보다 높은 순도와 균일한 특성을 갖는 리그닌을 생산하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 분자량 분포와 관능기 조성을 제어할 수 있는 분획 기술은 응용 목적에 적합한 물성을 확보하는 데 중요한 역할을 하며, 향후 고부가가치 소재 개발에서도 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다[111]. 또한 크라프트 리그닌에 포함된 황 함유 구조는 냄새 발생, 열적 안정성 저하 및 소재 성능 저하의 원인으로 알려져 있으며, 고성능 탄소 소재와 전극 소재 개발 과정에서 해결해야 할 주요 과제로 제시되고 있다. 아울러 고순도 정제 및 개질 공정은 추가적인 설비 투자와 생산 비용 증가를 수반하므로, 경제성과 성능을 동시에 고려한 공정 최적화가 필수적이다.

따라서 향후에는 분자량 분포와 관능기 조성을 정밀하게 제어할 수 있는 분리･분획 기술의 고도화와 함께, 황 함량 저감 및 품질 표준화 기술, 연속 공정 기반 생산 체계 구축이 병행되어야 한다. 이를 통해 크라프트 리그닌은 기존의 연료 중심 활용에서 벗어나 탄소 소재, 기능성 고분자 및 환경 소재와 같은 고부가가치 산업 분야로 활용 범위를 더욱 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

8. 결론

크라프트 리그닌은 크라프트 펄프 공정에서 대량으로 발생하는 재생 가능한 방향족 고분자로, 석유 기반 방향족 화합물을 대체할 수 있는 유망한 바이오 자원이다. 그러나 구조적 이질성, 넓은 분자량 분포, 황 함유 구조 및 품질 변동성은 고부가가치 소재로의 활용을 제한하는 주요 기술적 한계로 작용한다. 최근 다양한 분리·정제 및 개질 기술의 발전을 통해 접착제, 탄소 소재, 수처리용 흡착제 및 환경 소재 등으로의 활용 가능성이 확대되고 있으나, 산업적 활용 확대를 위해서는 품질 표준화와 분자량 및 관능기 조성을 정밀하게 제어할 수 있는 기술 개발이 지속적으로 요구된다. 이러한 기술적 기반이 확보된다면 크라프트 리그닌은 펄프 산업의 부산물을 넘어 지속 가능한 바이오 기반 산업의 핵심 원료로 활용될 것으로 기대된다.

Notes

Acknowledgement

본 연구는 한국연구재단 중견연구(창의연구형)과제의 연구비 지원으로 수행되었습니다(과제번호: RS-2025-16066840). 이에 감사드립니다.

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.

Chemical structures of the three primary lignin units: p-hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G), and syringyl (S) [26].

Fig. 2.

Schematic representation of the lignin macromolecular structure [26].

Fig. 3.

Proposed mechanism for β–O–4 cleavage via quinone methide intermediates during kraft pulping [32].

Table 1.

Comparison between kraft lignin and petroleum-based aromatic feedstocks.

Property	Kraft lignin	Petroleum-based aromatics
Resource type	Biomass-derived	Fossil resource
Renewability	Renewable	Non-renewable
Carbon footprint	Low/potentially carbon-neutral	High
Structural complexity	High (heterogeneous polymer)	Low (uniform small molecules)
Sulfur content	Present	None
Price stability	Moderate (byproduct dependent)	Oil market dependent
Sustainability	High	Low

Table 2.

Comparison of major types of lignin.

Type	Production Process	Main Linkages	Solubility	Characteristics
Kraft lignin	Alkaline pulping with NaOH and Na₂S	β–O–4 cleavage, increased C–C condensation	Soluble in alkaline medium	Contains sulfur; condensed structure; high phenolic hydroxyl content
Lignosulfonate	Sulfite pulping process	Introduction of sulfonic groups	Water-soluble	Excellent dispersibility; anionic surface activity
Organosolv lignin	Solvent extraction of biomass	Well-preserved β–O–4 linkages	Soluble in organic solvents	High purity; low sulfur; homogeneous structure
Hydrolysis lignin	Acid or enzymatic hydrolysis residues	Condensed linkages	Insoluble	High thermal stability; low reactivity

Table 3.

Functional groups in kraft lignin and their reactivity.

Functional Group	Chemical Formula	Main Reactivity	Relevant Applications
Phenolic hydroxyl (–OH)	Ar–OH	Electrophilic substitution, resin synthesis	Phenol–formaldehyderesins, antioxidants
Aliphatic hydroxyl (–CH₂OH)	R–CH₂OH	Esterification, etherification	Polyurethane foams, plasticizers
Methoxy (–OCH₃)	Ar–OCH₃	Dealkylation under acidic/oxidative conditions	Aromatic chemicals, fuel additives
Thiol/sulfide (–SH, –S–)	R–SH / R–S–R′	Oxidation, disulfide bond formation	Functional modification, metal binding
Carbonyl (C=O)	Ar–CHO / Ar–COOH	Redox and condensation reactions	Cross-linking agents, adsorbents

Table 4.

Typical molecular weight and elemental composition of kraft lignin.

Parameter	Mw (g/mol)	Mn (g/mol)	PDI	Carbon (wt%)	Oxygen (wt%)	Hydrogen (wt%)	Sulfur (wt%)
Typical range	1,000-20,000	500-5,000	2-6	60-65	28-34	5-6	1-3

Table 5.

Comparison of kraft lignin separation and purification technologies.

Principle	Advantages	Limitations	Industrial Applicability
Acid precipitation	Decreased solubility by pH reduction (CO₂/H₂SO₄)	Simple, cost-effective	Possible sulfur increase; corrosion issues
Flocculation	Flocculant-induced aggregation	Improved filtration efficiency	Chemical residues; limited selectivity
Membrane separation	Molecular size-based fractionation (ultrafiltration)	High purity; selective separation	Membrane fouling; high maintenance cost
Solvent fractionation	Solubility difference in organic solvents	Fractionation by molecular weight or functionality	Solvent recovery required; costly

Table 6.

Major application fields of kraft lignin.

Application Field	Example Products	Functional Role of Lignin	Expected Benefits
Adhesives & Resins	Phenol–formaldehyde (PF) resin, polyurethane foams	Phenol substitute	Reduced formaldehyde emissions, enhanced thermal stability
Energy & Carbon Materials	Carbon fibers, electrode materials, supercapacitors	Carbon precursor	Lightweight, conductive, sustainable alternative
Environmental Materials	Heavy metal adsorbents (Cd, Cr, Pb), lignin-based biochar, N-doped porous carbon, lignin-derived activated carbon for dyes/emerging pollutants	Chelation/ion-exchange active sites (phenolic –OH, –COOH); porous carbon precursor	Heavy metal removal, CO₂/herbicide/dye/emerging pollutant adsorption, low-cost water treatment material
Agriculture	Soil conditioners, slow-release fertilizers	Moisture retention, nutrient carrier	Enhanced crop growth and soil health
Advanced Bio-Materials	Hydrogels, bio-based composites, nanomaterials	Functional modification platform	Biocompatibility, high-performance applications

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