KITECH

생분해성·물성 동시에 잡은 플라스틱 필름 개발

-셀룰로오스 나노섬유 도입해 트레이드 오프(Trade-off) 현상 해결 

-기존 생분해성 플라스틱의 낮은 물성 해결한 친환경 고강도 필름 개발

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 자연에서 스스로 분해 되면서, 기존 생분해성 플라스틱의 단점까지 해결한 친환경 고강도 플라스틱 필름을 개발했다.

 ㅇ 생기원 녹색순환연구부문 홍성우 수석연구원 연구팀은 셀룰로오스 나노섬유를 생분해성 플라스틱에 도입해 우수한 기계적 물성을 갖는 생분해성 필름을 개발했다고 밝혔다.

 ㅇ 셀룰로오스 나노섬유는 나무의 주성분인 셀룰로오스를 잘게 쪼갠 천연 소재로, 생분해성과 재생 가능성이 우수하고, 철 대비 무게는 5분의 1에 불과하면서 강도는 5배 높아 제2의 탄소섬유로 불린다.

□ 2022년 기준 연간 4억3천만 톤 가량 생산되는 전 세계 플라스틱 대부분은 난분해성 소재로 만들어져 폐기 후 분해되지 않고 환경과 인체에 악영향을 끼치고 있다. 

 ㅇ 특히 산업용 플라스틱 소재의 약 40%를 차지하는 패키징 분야에서 플라스틱 필름 사용량이 늘어나면서 폐플라스틱 문제가 심각한 상황이다. 

 ㅇ 이에 따라 생분해성 필름이 개발되고 있지만, 자연에서 분해되는 장점이 있는 반면 범용 플라스틱 대비 기계적 물성이 낮은 단점이 있다. 

 ㅇ 이러한 현상을 친환경 플라스틱의 생분해성과 기계적 물성 간 트레이드 오프(Trade-off)*라고 부르며, 생분해성 플라스틱을 필름 응용 분야에 활용하는 데 있어 가장 큰 문제점으로 꼽혀 왔다.

  * 트레이드 오프(Trade-off) : 서로 상충한다는 뜻으로, 하나를 얻으면 다른 하나를 잃는 현상 

□ 홍성우 수석연구원 연구팀은 셀룰로오스 나노섬유를 대표적 생분해성 플라스틱인 폴리부틸렌 숙시네이트(Poly(butylene succinate))와 결합해 생분해성과 기계적 물성을 동시에 갖춘 친환경 필름 개발에 성공했다.

ㅇ 셀룰로오스 나노섬유는 수소 결합에 의해 강하게 뭉쳐있는 형태로 존재하는데, 뭉친 상태 그대로 생분해성 플라스틱에 도입할 경우 오히려 기계적 강도가 떨어진다. 

ㅇ 연구팀은 옥수수에서 유래한 이소소바이드(Isosorbide) 물질을 함유한 기능성 분산제를 개발해 뭉쳐 있는 셀룰로오스 나노섬유 덩어리를 생분해성 플라스틱 내에 고르게 분산시켰다.

ㅇ 그 결과 생분해성과 기계적 물성 간 트레이드 오프가 극복돼 기존 폴리부틸렌 숙시네이트 기반 필름 대비 인성*이 77% 상승한 고강도 생분해성 필름 제조에 성공했다.

 * 인성(Toughness): 재료의 질긴 정도, 잡아당기는 힘에 견디는 성질

□ 이와 관련해 2022년 3월 개최된 유엔환경총회(UNEA)에서는 강제성을 띤 국제 플라스틱 협약에 대한 결의안이 도출된 바 있다. 

 ㅇ 2040년 플라스틱 오염 종식을 목표로 전 세계 175개 국가가 합의한 이 결의안에 따라 올해 안에 '국제 플라스틱 협약(Global Plastic Treaty)’ 합의문이 채택될 예정이다. 

□ 홍성우 수석연구원은 “법적 구속력을 지닌 국제협약이 마련되는 등 플라스틱 규제 강화에 대비해 천연 소재인 셀룰로오스 나노섬유를 친환경 보강재로 활용할 수 있는 방안을 찾는 데 주목했다”고 설명하며, "확보한 성과를 바탕으로 일상생활 뿐만 아니라 자동차, 전자기기, 의료기기 등 산업 전반에 활용할 수 있는 친환경 소재 개발에 매진할 계획”이라고 밝혔다. 

ㅇ 이번 연구 성과는 5월 1일, 재료 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재*되었다.

 * 논문명 : A bionanocomposite based on cellulose nanofibers modified by a sustainable heterocyclic dispersing agent with outstanding mechanical properties, Chem. Eng. J. 2024, 487, 150360