PLA '성능 한계' 넘었다…연세대·KAIST, 고강도 친환경 플라스틱 합성[과학을읽다]

초고속·고선택성 중합으로 열·강도 약점 개선 가능성 제시

친환경 플라스틱의 대표 소재로 꼽히는 폴리락타이드(PLA)의 성능 한계를 극복할 수 있는 합성 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 PLA의 약점으로 지적돼 온 낮은 내열성과 기계적 강도를 개선할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서, 바이오 플라스틱 상용화 범위를 넓힐 수 있을지 주목된다.

김병수 연세대학교 화학과 교수 연구팀은 이윤미 한국과학기술원(KAIST) 화학과 교수 연구팀과 공동으로 차세대 유기촉매를 활용해 PLA를 빠르게 합성하면서도 분자 구조를 정밀하게 제어하는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

높은 반응성과 선택성을 모두 가능하게 한 촉매 반응 및 합성된 스테레오블록 PLA를 나타낸 모식도. 연구진 제공

PLA는 옥수수·사탕수수 등 식물 유래 원료로 제조돼 자연 분해가 가능한 친환경 플라스틱으로, 카페 일회용 컵이나 포장재 등에 널리 쓰이고 있다. 다만 일반 석유계 플라스틱 대비 열에 약하고 강도가 낮아 적용 범위가 제한되는 한계가 있었다.

이번 연구의 핵심은 고분자의 '분자 배열'을 정밀하게 제어하는 데 있다. 연구팀은 PLA의 분자 사슬이 규칙적으로 배열된 '스테레오블록(stereoblock) 구조'를 구현하는 데 성공했다. 이는 무작위 배열 대비 분자 간 결합력이 높아져 소재의 내열성과 기계적 강도를 동시에 끌어올릴 수 있는 구조다.

특히 연구팀은 비교적 저렴하고 상업적으로 쉽게 확보할 수 있는 라세믹 락타이드 단량체를 활용해, 단 몇 분 만에 고성능 PLA를 합성하는 데 성공했다. 상온 기준 시간당 반응수(TOF)는 1710h-¹에 달해 기존 대비 매우 빠른 반응 속도를 보였고, 저온에서는 분자 규칙성을 나타내는 지표가 0.99 수준까지 도달해 높은 선택성을 확보했다. 기존 촉매 시스템에서는 동시에 달성하기 어려웠던 '속도'와 '정밀 제어'를 모두 구현한 셈이다.

"분자 배열 설계로 친환경 플라스틱 성능 끌어올려"

연구팀은 합성된 PLA의 구조를 확인하기 위해 류두열 연세대 화공생명공학과 교수 연구팀과 함께 X선 산란 분석을 수행했다. 그 결과, 분자들이 층층이 정렬된 라멜라 구조를 형성하고 있는 것으로 나타났으며, 이는 열적·기계적 성능 향상의 핵심 요인으로 작용하는 구조적 특징이다.

연구진 사진. 왼쪽부터 김병수 연세대 화학과 교수(교신저자), 이윤미 KAIST 화학과 교수(교신저자), 이수민 연세대 화학과 박사과정생(공동 제1저자), 이후승 KAIST 화학과 박사과정생(공동 제1저자). 연세대 제공

김병수 교수는 "이번 연구는 촉매를 통해 고분자 구조를 정밀하게 제어하고 복잡한 반응 메커니즘을 규명했다는 점에서 의미가 크다"며 "분자 배열 설계를 통해 친환경 플라스틱의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 가능성을 보여줬다"고 설명했다.

이어 "PLA는 생분해가 가능한 지속가능 소재로, 향후 포장재뿐 아니라 의료 소재 등 다양한 분야로 확장될 수 있는 잠재력이 크다"고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구자 사업 및 나노소재기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 독일화학회가 발행하는 국제 학술지 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)'에 지난 4일 온라인 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr