투명 바이오 폴리카보네이트의 스마트폰 커버 응용 예시. (사진=한국화학연구원 제공)
국내 연구진이 일본이 독점하고 있는 친환경 바이오플라스틱 '바이오 폴리카보네이트'를 개발해 국산화에 들어갔다.
환경호르몬 유발 물질인 비스페놀A(BPA)가 포함된 폴리카보네이트를 대체할 수 있는 플라스틱으로 현재 상용화에 성공한 건 일본의 미쓰비시케미컬이 유일하다.
15일 한국화학연구원에 따르면 울산 바이오화학연구센터 박제영‧오동엽‧황성연 박사가 개발한 바이오 폴리카보네이트는 식물성 성분인 아이소소바이드와 나노셀룰로스를 섞어 만들었다.
바이오 폴리카보네이트는 그간 인체에 유해한 BPA가 포함된 폴리카보네이트의 대안으로 주목받았지만, 식물에서 추출한 원료로 만들다 보니 시장성과 고기능성 플라스틱의 특성(투명성‧고강도‧내충격성)을 모두 만족하기 어려웠다.
BPA는 내분비계 교란과 대사 장애 등을 일으키는 환경호르몬으로 국내에서 젖병과 화장품 원료로 사용이 금지돼 있다. 대부분 폴리카보네이트에 쓰이며 영수증 용지와 식품캔 코팅소재 등에도 사용한다.
연구진은 아이소소바이드에 보강재 역할을 하는 나노셀룰로스를 섞어 석유 폴리카보네이트보다 뛰어난 바이오 폴리카보네이트를 만드는 데 성공했다.
연구진은 유사한 화합물끼리 서로 잘 섞이는 'like-dissolve-like' 원리를 적용했다.
우선 나노셀룰로스를 아이소소바이드 액상에 미리 분산시킨 후 나노 복합체 플라스틱 중합 과정을 진행했다. 콘크리트의 철근처럼 보강재 역할을 하는 나노셀룰로스의 분산도를 극대화한 것이다.
그 결과 바이오플라스틱의 한계점으로 지적됐던 강도와 투명도 등 플라스틱의 특성이 크게 개선됐다.
이번에 개발한 바이오 폴리카보네이트의 인장강도(튼튼한 정도)는 93MPa(메가파스칼)로 현존하는 석유 및 바이오 폴리카보네이트를 통틀어 가장 높은 수치를 기록했다. 석유 폴리카보네이트의 인장강도는 55~75MPa, 일본 미쓰비시케미컬 바이오 폴리카보네이트의 인장강도는 64~79MPa이다.
플라스틱의 투명도를 나타내는 투과율도 93%를 기록했다. 석유 폴리카보네이트의 투과율은 90% 수준이며 바이오폴리카보네이트의 투과율은 87%이다.
특히 장기간 자외선에 노출하더라도 변색할 우려가 없다는 게 연구진의 설명이다. 바이오 폴리카보네이트에는 석유 폴리카보네이트와 달리 벤젠고리가 없기 때문이다.
쥐를 이용한 염증 실험에서도 현저히 낮은 독성을 나타냈다.
쥐 진피세포에 고분자를 넣어 염증 유무를 실험한 결과 독성 0~5 수치 중 1을 기록했다. 0에 가까울수록 독성이 낮다.
영유아들이 입에 가져다 대도 안전하다는 뜻으로 장난감, 젖병, 유모차 소재뿐만 아니라 임플란트와 인공 뼈 소재로도 개발이 가능할 전망이다.
또 자동차 선루프와 헤드램프, 고속도로 투명 방음 시설, 스마트폰과 같은 전자기기 외장재 등 산업용 소재로 사용하며 기존 폴리카보네이트를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모은다.
현재 생산량 기준 석유 폴리카보네이트 시장규모는 연간 500만t 규모로 미쓰비시케미컬의 연간 바이오 폴리카보네이트 생산능력은 2만t 수준이다. 아직 바이오 폴리카보네이트 시장이 걸음마 단계지만, 이번 성과가 상용화로 이어지면 향후 바이오플라스틱 시장을 선점하는 데 도움이 될 것이라고 연구진은 밝혔다.
한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진. 왼쪽부터 박슬아 연구원, 박제영 박사, 전현열 박사, 황성연 센터장, 오동엽 박사. (사진=한국화학연구원 제공)
박제영 박사는 "바이오플라스틱은 물성이 떨어지고 가격이 비싸다는 편견을 깨고 싶었다"며 "식물성 원료 간의 시너지를 극대화해 석유 플라스틱보다 우수한 플라스틱을 개발했다"고 말했다.
황성연 바이오화학연구센터장은 "폐플라스틱 문제, 케모포비아 현상 등으로 플라스틱에 대한 불안감이 확산하고 있다"며 "플라스틱은 일상생활에 없어서는 안 되는 소재이기 때문에 국민들이 안심하고 쓸 수 있는 바이오플라스틱을 국내 독자기술로 개발하겠다"고 강조했다.
이번 연구는 산업통상자원부 바이오화학소재 공인인증센터 구축사업과 한국화학연구원 주요 사업의 지원을 받아 수행했다.
녹색화학분야 최고권위지인 영국왕립화학회'그린 케미스트리(Green Chemistry, IF:9.405)' 10월호에 '고도로 분산된 셀룰로스 나노결정을 이용해 시너지화된 강화 투명 바이오 폴리카보네이트 나노복합체의 제조'라는 제목으로 전면 표지논문에 실렸다.