우리 학교 화학과 홍순혁 교수와 최경민 박사과정이 화학적 재활용이 가능해 탄소중립 순환 경제 사이클을 구현할 수 있는 신규 고분자 소재를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 국제학술지 ‘켐(Chem)’에 지난 6월 21일 출판됐다.
 

플라스틱 공해 문제를 해결할 수 있는 신소재 개발

플라스틱은 높은 내구성을 가지고 있어 높은 활용성을 갖고 있지만, 폐기가 어렵다는 문제가 있다. 하지만 플라스틱을 재활용한다면 폐기를 위한 비용과 공해를 줄일 수 있고, 원재료의 사용 또한 줄어, 당면한 환경 문제를 해결하는 데 큰 도움이 된다. 본 연구는 기존의 품질이 저하되는 기계적 재활용 또는 소각을 통한 에너지 재활용이 아닌, 화학적 재활용을 이용해 높은 수율로 고부가가치 화합물들을 얻어 재활용할 수 있는 소재를 개발하고자 하였다.

연구팀은 이중결합이 있는 고리 모양의 조각인 단량체를 결합해 선형의 고분자를 합성하는 이중결합 상호교환 중합법을 사용했는데, 이는 여러 작용기에 내성을 가지고, 합성한 고분자를 같은 반응을 통해 다시 분해할 수 있어 화학적 재활용에 적합하다. 그러나 분해 반응에 많은 에너지를 사용하고, 효율이 높지 않다는 단점이 있었다. 이를 극복하기 위해 사이클로헥센의 안정한 특성을 사용하였다. 안정적인 형태 때문에 고분자의 단량체로 활용하기 어렵다고 알려졌으나, 거꾸로 고분자를 재활용할 때 단량체를 쉽게 얻을 수 있다는 점에 주목한 것이다. 연구팀은 이산화탄소 고정을 통해 합성할 수 있는 카보네이트 작용기를 단량체에 도입하여 단량체의 구조를 변형시켜 높은 효율로 고분자를 합성하는 데 성공했다. 카보네이트 작용기는 쉽게 탈착이 가능해 필요할 때는 작용기를 제거하여 안정한 상태를 회복하고, 상온에서 쉽게 고효율로 재활용할 수 있음을 보였다.
 

화학적 재활용뿐 아니라 가공과 제작에도 용이한 신소재

기존의 연구는 적절한 고리 스트레인 에너지를 가지고 있는 단량체를 사용해 중합과 분해가 가능하게 했다. 하지만 각각의 반응을 일으키는 동력이 부족해 두 반응 모두 효율이 높지 않거나 외부에서 에너지를 투입해야 했다. 본 연구에서는 분자의 구조 변형으로 고리 스트레인 에너지를 각각의 반응에 적합하게 조절해 상온에서도 각각 98%와 96%의 높은 효율로 중합과 분해를 가능하게 했다. 

개발된 소재는 주사슬에 산소 함유 작용기를 풍부하게 가지고 있어 산소 차단성이 높고 산, 염기 조건에서도 높은 안정성을 보인다. 섭씨 300도 이상의 높은 온도도 견디는 열 안정성을 가져 프레스 성형이나 용액 주조 등으로 쉽게 가공할 수 있다. 이렇게 높은 가공성과 산소 차단성을 보여 식품과 의약품의 포장재부터 디스플레이, 반도체 소자 등의 제작에 사용할 수 있다. 또한, 단량체 디자인을 적용해 산소를 가지는 작용기뿐 아니라 활용 용도에 적합한 맞춤형 작용기를 가지는 기능성 고분자를 개발할 수 있어 다양한 분야에 응용할 수 있을 것이다.

나아가 신소재는 주변 환경에 내성이 강한 특징을 가지고 있지만 필요할 때는 촉매의 존재 하에 쉽게 단량체로 분해하여 다시 고분자의 원료로 사용할 수 있다. 또한 신소재는 산화 반응을 통해 폴리에스터, 나일론, 폴리우레탄 등 다양한 합성 섬유와 플라스틱의 원료인 디카복실산으로 분해하여 사용할 수도 있어 실질적인 재활용이 가능할 것으로 기대된다. 기존의 산소 차단재로 널리 사용되는 PVA, EVOH 소재의 경우 폐기 시 분해가 힘들고 분해 산물도 재사용할 수 없었지만, 신소재는 다양한 방식의 재활용이 가능해 친환경 기능성 대체제로써 활용될 수 있을 것이다. 
 

제1 저자로 연구에 참여한 최경민 박사과정은 기억에 남는 경험으로 고분자 소재의 기초적인 특성을 파악하기 위해 고분자를 이용한 필름을 만드는 데 성공했을 때를 답했다. 평소에 사용하는 플라스틱 제품과 다른 형태였던 고분자 원료를 필름 형태로 가공해 보니 새로운 플라스틱 소재를 만들었다는 실감이 강하게 들었다고 한다. 또한, 최 연구원은 이번 연구의 경우 새로운 고분자의 개발과 특성을 밝히는 데 집중하였다며 추가로 개발된 고분자의 특성을 활용한 다양한 소재를 개발하고 있다고 말했다.