화학공학과 이은열 교수·서강대 박제영 교수 공동연구팀
‘이중 원료’ 기반 폴리우레탄 탄성체 개발
기존 순수 폴리우레탄 대비 기계적 강도 약 4배 향상, 열적 안정성도 개선

친환경 소재의 한계로 꼽혀온 강도와 유연성을 동시에 높이는 기술이 개발됐다. 화학공학과 이은열 교수 연구팀이 서강대 화공생명공학과 방제영 교수 연구팀과 함께 미생물이 생산하는 생분해성 바이오플라스틱과 나무 성분인 리그닌을 결합해 고성능 폴리우레탄 탄성체를 개발했다. 연구 결과는 국제 학술지 『International Journal of Biological Macromolecules』(IF: 8.7) 10월호에 게재됐다.

폴리우레탄 탄성체는 고무처럼 유연하게 늘어나는 고분자 소재다. 산업용 타이어와 자동차 부품, 스마트 기기 등 다양한 분야에서 활용된다. 그러나 주로 석유를 원료로 생산해 플라스틱 폐기물 문제를 유발한다. 이를 대체하기 위한 바이오 기반 소재 연구가 이어져 왔지만, 단일 바이오 원료만으로는 기존 소재의 성능을 확보하기 어려웠다. 원료가 고르게 섞이지 않거나 소재가 뻣뻣해져 가공성과 유연성이 떨어지는 문제가 있었다.

서로 다른 두 원료의 장점 살려 강도와 유연성 동시 확보

공동 연구팀은 서로 다른 성질을 지닌 두 바이오 원료를 함께 사용하는 ‘이중 원료’ 방식에 주목했다. 잘 녹도록 가공한 리그닌과 바이오플라스틱 성분인 PHB(Polyhydroxybutyrate)를 폴리우레탄 구조에 화학적으로 결합했다. 리그닌의 단단한 구조는 소재의 강도와 열에 견디는 능력을 높인다. 반면 길고 부드러운 구조를 지닌 PHB 성분은 원료가 한쪽으로 뭉치는 현상을 줄이고 유연성을 더한다. 두 원료가 서로의 한계를 보완하도록 설계한 것이다.

두 원료를 적정 비율로 결합한 탄성체는 기존 순수 폴리우레탄보다 당기는 힘에 견디는 강도가 약 4배 높았다. '파단 시 신장률(Elongation at break, 연신율)'도 약 280%를 보여 강도와 유연성을 모두 확보했다. 열분해가 시작되는 온도는 기존의 159℃에서 260℃로 100℃ 이상 높아졌다. 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)으로 소재 내부를 관찰한 결과, PHB 성분이 고르게 분포하며 소재의 질긴 성질을 높이는 데 기여하는 것도 확인했다. 이는 두 원료의 결합이 소재의 기계적 성능과 열적 안정성을 개선한다는 점을 뒷받침한다.

바이오 원료의 분자 단위 결합으로 고성능 소재 개발 방향 제시

이번 연구는 바이오 원료를 단순히 섞는 데 그치지 않고, 분자 단위에서 화학적으로 결합해 성능을 높였다는 데 의미가 있다. 석유 기반 고분자를 대체하면서도 높은 강도와 유연성이 필요한 지속 가능한 엔지니어링 소재의 개발 가능성을 제시했다. 이은열 교수는 “이번 성과는 단일 친환경 원료만으로는 달성하기 어려웠던 튼튼한 유연함의 딜레마를 두 원료의 화학적 결합을 통해 해결한 것”이라며 “앞으로 자동차 부품이나 의료 장비 등 고성능 고무 소재가 필요한 다양한 산업 분야에서 훌륭한 친환경 대체 소재로 쓰이길 기대한다”라고 밝혔다.

연구는 과학기술정보통신부의 ‘C1 가스 리파이너리 밸류업 사업’의 지원으로 수행됐다. C1 가스로부터 바이오플라스틱을 생상하는 기술은 탄소 자원 활용 측면에서도 의미가 있다. 공동연구팀의 성과는 바이오 원료의 활용 범위를 넓히고, 고성능 소재 개발과 환경 부담 저감을 함께 모색하는 기반이 될 것으로 기대된다.