카이스트, 페트병 대체 가능한 바이오플라스틱 개발

송고 2016.10.11 23:10 | 수정 2016.10.11 23:10
강승혁 기자 (kang0623@ebn.co.kr)

퓨란계 바이오플라스틱 고분자량 합성 성공

퓨란계 수지를 성공적으로 합성, 고상중합을 통해서 고분자량화한 모식도.ⓒ카이스트

카이스트(KAIST)는 박오옥 생명화학공학과 교수 연구팀과 롯데케미칼이 산학협력 연구를 통해 기존의 플라스틱 페트 소재를 대체할 수 있는 식물 기반의 바이오 플라스틱 수지를 개발하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

이 기술은 식물 기반의 퓨란(furan)계 바이오 플라스틱을 고분자량으로 합성한 것으로 기존 페트 수지를 양산하는 생산 공정을 통해서 상업화가 가능할 것으로 기대된다.

퓨란계 바이오플라스틱은 식물에서 추출한 원료로 만든 플라스틱이다. 식물을 소재로 하기 때문에 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 줄일 수 있고, 석유 기반의 플라스틱을 대체하기 때문에 자원도 절감할 수 있다. 또한 기체 차단성과 내열성이 좋아 기존 페트 소재가 사용되지 못했던 분야에 사용 가능하다.

많은 연구자들이 퓨란계 바이오플라스틱이 가진 장점을 활용하기 위해 상용화가 가능하도록 연구를 하고 있으나 퓨란계 바이오플라스틱은 분자 구조가 유연하지 않아 깨지기 쉽고 결정화 속도가 느리다.

즉 분자의 확산성이 낮고 고분자량화에 한계가 있어 원하는 모양을 얻기가 어렵다는 뜻이다. 결정화 속도가 느리다는 것은 기존의 상업 설비에서 양산을 할 수 없음을 의미한다.

이 같은 문제 해결을 위해 연구팀은 먼저 퓨란계 플라스틱이 왜 깨지기 쉬운 특성을 갖는지 확인했다. 기존 페트는 화학구조상 선형구조이기 때문에 외부 충격에 유연하게 반응할 수 있어 확산이 부드럽고 빠르다.

반면 퓨란계 플라스틱의 화학구조는 약간 꺾여있는 구조로 유연성이 떨어져 깨지기 쉽고 분자의 확산이 빠르지 않아 결정화 속도가 상대적으로 느리다.

연구팀은 문제 해결을 위해 육각환형의 고리 화합물을 공 단량체로 도입해 새로운 퓨란계 폴리에스터를 합성했다. 이 과정을 통해 유연성이 높아져 기계적 물성(연성, 내충격성)이 개선됐고 결정화 속도도 빨라졌다.

이 새로운 퓨란계 폴리에스터의 결정화 속도 개선으로 인해 고상중합공정이 가능해졌다. 고상중합공정이 중요한 이유는 수지의 변색 없이 분자량을 단시간에 고분자량으로 올릴 수 있기 때문이다.

고분자량으로 올리지 못하고 분자량이 낮으면 플라스틱의 모양을 형성하는 블로우 몰딩(Blow molding, 녹인 뒤 불어서 모양을 만드는 방식)과정에서 물질이 찢어지게 된다. 연구팀의 바이오플라스틱은 고분자량화에 성공해 상업적으로 활용할 수 있는 공정이 가능할 것으로 예상된다.

연구팀은 "이 기술은 병, 옷, 섬유, 필름 등 기존에 페트 소재가 사용되던 분야를 넘어 페트가 쓰이지 못했던 분야에도 적용 가능하다"며 "기존 페트보다 내열성과 기체 차단성이 높기 때문에 유리 용기를 일정 정도 대체할 수 있을 것이다"라고 말했다.

1저자인 홍성민 연구원은 "학술적인 부분 뿐 아니라 상업적으로도 의미가 있는 기술이다"며 "탄탄한 기초연구를 바탕으로 실제로 우리 산업과 국가 경쟁력에 기여할 수 있는 기술이 될 것"이라고 기대했다.

이 연구는 국제 학술지 '그린 케미스트리(Green chemistry)' 10월 7일자 뒷 표지 논문으로 게재됐다.

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