국내 연구진이 강철보다 강하고 200℃ 이상 고온을 견디는 슈퍼 바이오플라스틱을 개발했다. 이 소재는 환경호르몬도 없어 기존 비스페놀A(Bisphenol-A)계 석유 플라스틱을 대체하는데 무리가 없을 것으로 기대된다.
한국화학연구원은 오동엽·박제영·황성연 박사 연구팀이 식물성 성분 '아이소솔바이드(isosorbide)'를 이용해 고강도·고내열성의 투명 바이오플라스틱을 개발했다고 19일 밝혔다.
이 바이오플라스틱은 식물성 성분 아이소솔바이드를 이용해 환경호르몬을 배출하지 않는 것이 특징이다. 오동엽 박사는 "아기들이 입을 가져다대는 장난감, 유모차, 젖병 소재가 믿을 수 있는 소재여야 한다"면서 "내 아이가 만진다는 생각으로 개발했다"고 말했다.
기존 비스페놀A계 석유 플라스틱은 고강도‧고내열성 특성을 갖고 있어 정수기 필터, 치아교정기, 젖병, 밥솥 등에 많이 쓰여 왔다. 그러나 비스페놀A가 비만, 심장질환, 고혈압 등을 일으키는 환경호르몬으로 알려지면서 사용에 제한이 생겼다.
비스페놀A계 플라스틱을 대체하기 위해 전 세계 연구자들은 환경호르몬이 없으면서도 이와 동일한 물성을 가지는 바이오플라스틱을 개발하고자 했다. 하지만 식물성 성분으로 석유계 플라스틱의 강도를 구현하기는 어려웠다.
이번에 개발된 슈퍼 바이오플라스틱은 상전이 촉매를 이용해 소재의 강도를 높이는 데 성공했다. 식물성 성분의 화학반응을 촉진시켜주는 상전이 촉매를 이용해 아이소솔바이드의 반응성을 극대화시킨 것이다.
실험 결과, 슈퍼 바이오플라스틱의 비강도(단위무게 당 강도)는 같은 무게일 때 69KN‧m/kg으로 강철(63KN‧m/kg)보다 높았다. 지금까지 학계에 발표된 바이오플라스틱 중에서 가장 강한 수치다.
슈퍼 바이오플라스틱은 고온에서 견디는 내열성도 매우 뛰어난 것으로 나타났다. 진공에서 무려 300℃가 넘는 고온에서도 팽창하거나 변형되지 않았고, 산소와 물리적 스트레스 조건에서 212℃를 견뎠다.
또 실제 OLED 투명기판을 만드는 화학공정에 사용했을 때 300℃가 넘는 고온을 이겨냈다. 단위온도가 증가할때 나타나는 팽창 정도도 약 25ppm/℃로 기존 석유 플라스틱보다 최대 10배 뛰어났다.
고강도·내열성과는 달리 독성은 매우 낮았다. 연구진은 국제표준기준(ISO 10993-6)에 따라 쥐 모델을 이용한 독성테스트를 실시했다. 독성강도는 0~5점 기준에서 하위 점수인 1점 미만으로 나타났다.
박제영 박사는 "쥐의 진피와 표피 사이에 플라스틱을 삽입한 후 나타나는 염증반응을 정량화했더니, 1점 미만으로 나왔다"면서 "이 정도 수치는 인공뼈와 임플란트 소재로 사용해도 무방할 만큼 안전하다는 의미"라고 설명했다.
황성연 바이오화학연구센터장은 "최근 케모포비아라는 이름으로 국민들이 플라스틱에 대한 불신이 확산되고 있다"면서 "국민들이 안심하고 쓸 수 있는 안전한 바이오플라스틱을 만들겠다"라고 말했다.
이번 연구결과는 세계적인 저널인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF:12.353)'온라인판 6월 13일자에 실렸다.