생기원, 친환경 고강도 필름 개발···생분해성·물성 동시 잡아

홍석우 수석연구원팀 개가...셀룰로오스 나노섬유 도입 트레이드 오프 현상 해결

자연에서 스스로 분해하면서 기존 생분해성 플라스틱 단점까지 해결한 친환경 고강도 플라스틱 필름이 개발됐다.

한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)은 녹색순환연구부문 홍성우 수석연구원 연구팀이 셀룰로오스 나노섬유를 생분해성 플라스틱에 도입해 우수한 기계적 물성을 갖는 생분해성 필름을 개발했다고 21일 밝혔다. 셀룰로오스 나노섬유는 나무 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 끼친다. 특히 산업용 플라스틱 소재의 약 40%를 차지하는 패키징 분야에서 플라스틱 필름 사용량이 늘어나면서 폐플라스틱 문제가 심각한 상황이다. 이에, 생분해성 필름이 개발되고 있지만, 자연에서 분해되는 장점이 있는 반면 범용 플라스틱 대비 기계적 물성이 낮은 단점이 있다.

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

생기원 홍성우 수석연구원 연구팀. 왼쪽부터 홍성우 수석연구원, 권하늬 제1 저자,조고은 학생연구원, 홍평화 박사후연구원

 홍성우 수석연구원 연구팀은 셀룰로오스 나노섬유를 대표적 생분해성 플라스틱인 폴리부틸렌 숙시네이트(Poly(butylene succinate))와 결합해 생분해성과 기계적 물성을 동시에 갖춘 친환경 필름 개발에 성공했다고 생기원은 설명했다. 셀룰로오스 나노섬유는 수소 결합에 의해 강하게 뭉쳐있는 형태로 존재하는데, 뭉친 상태 그대로 생분해성 플라스틱에 도입할 경우 오히려 기계적 강도가 떨어진다. 연구팀은 옥수수에서 유래한 이소소바이드(Isosorbide) 물질을 함유한 기능성 분산제를 개발해 뭉쳐 있는 셀룰로오스 나노섬유 덩어리를 생분해성 플라스틱 내에 고르게 분산시켰다. 

그 결과, 생분해성과 기계적 물성 간 트레이드 오프가 극복돼 기존 폴리부틸렌 숙시네이트 기반 필름 대비 인성이 77% 상승한 고강도 생분해성 필름 제조에 성공했다고 밝혔다. 인성(Toughness)은 재료의 질긴 정도로 잡아당기는 힘에 견디는 성질을 말한다.

이와 관련해 2022년 3월 개최된 유엔환경총회(UNEA)에서는 강제성을 띤 국제 플라스틱 협약에 대한 결의안이 도출된 바 있다. 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”면서 “확보한 성과를 바탕으로 일상생활 뿐만 아니라 자동차, 전자기기, 의료기기 등 산업 전반에 활용할 수 있는 친환경 소재 개발에 매진할 계획”이라고 밝혔다. 이번 연구 성과는 5월 1일, 재료 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재됐다.(논문명:A bionanocomposite based on cellulose nanofibers modified by a sustainable heterocyclic dispersing agent with outstanding mechanical properties, Chem. Eng. J. 2024, 487, 150360)