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UNIST, 폐페트병으로 고품질 원료·수소 전환 기술개발

저온 촉매 공정으로 비용 절감…기존 기술 대비 최대 46％ 저렴

폐플라스틱 분해와 동시에 수소·전력 생산 가능한 다기능 기술

페트(PET)병은 가장 재활용이 잘 되는 플라스틱으로 알려져 있다. 그러나 이 플라스틱이 다시 페트병 원료로 쓰이는 비율은 20％ 안팎으로, 대부분 저급 섬유나 충전재로 쓰인 뒤 폐기된다. 이러한 폐페트병을 고품질 원료로 재생하는 동시에 수소까지 생산할 수 있는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 박종래) 에너지화학공학과 류정기 교수와 오태훈 교수 연구팀은 저온에서 페트 폐기물을 화학적으로 분해하고 청정 수소(H₂)나 전기를 생산하는 다기능성 촉매 공정을 제시했다.

현재 페트 플라스틱 재활용은 잘게 부순 뒤 녹이는 방식이 대부분이다. 이 방식으로는 투명 페트병 원료를 만들어낼 수 없어, 결국 한 단계 낮은 품질의 섬유나 충전재로 쓰인 뒤 폐기된다. 고품질 원료로 되돌리는 화학 분해 공정이 있지만, 200℃ 이상의 고온과 복잡한 정제 공정이 필요한 탓에 석유화학 공정에서 생산된 원료보다 비싸다.

연구팀이 개발한 공정은 100℃에서 이뤄지며, 분리정제도 간단하다. 분쇄 페트병을 물, 용매, 금속과 산소로 이뤄진 화합물인 폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate, PMA) 촉매와 섞어 가열하는 방식이다.

촉매가 페트 플라스틱을 고체 형태의 테레프탈산(Terephthalic Acid, TPA)과 액체 형태의 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol, EG)로 분해한다. 여과기로 에틸렌글리콜을 걸러내면 고품질 원료인 테레프탈산만 남길 수 있다. 이때 테레프탈산과 에틸렌글리콜은 페트를 구성하는 핵심 원료다.

이 공정은 고부가가치 포름산(Formic Acid, FA)도 함께 생산하며, 사용된 촉매를 수소나 전력 생산에 다시 재활용할 수 있다. 촉매는 페트 플라스틱을 분해하는 동시에 전자를 저장하는 ‘건전지’ 역할도 한다. 에틸렌글리콜이 촉매와 반응해 포름산으로 바뀔 때 촉매가 에틸렌글리콜에서 전자를 추출해 저장하는 원리다.

전자를 저장한 촉매를 수소 생산 장치로 보내면 일반적인 물(H₂O) 전기분해보다 낮은 전압에서 수소를 만들어 낼 수 있으며, 레독스 연료전지의 연료를 활용하면 저장된 전자를 뽑아내 전기를 생산하는 것도 가능하다. 실제 실험에서도 물 전기분해 전압보다 최대 25％ 낮은 1.2볼트(V)의 전압에서 수소를 만들어 냈으며, 연료전지는 전극 1㎠당 12.5밀리와트(㎽)의 전력을 생산했다.

실제 시장에서의 상용화 가능성과 최소 판매 단가를 따지는 경제성 평가(TEA) 결과, 개발된 공정을 통해 생산된 재생 테레프탈산의 최소 판매 가격은 ㎏당 0.81달러(약 1천224원)로 추산됐다.

기존 화학분해 재활용 기술과 비교해 최대 46％ 저렴한 수준이며, 원유에서 뽑아낸 테레프탈산 원료의 시장 가격과 비교해도 더 낮다. 저온 공정과 단순 여과 분리로 생산 비용을 줄이고 포름산과 수소 생산을 통해 수익성을 높인 덕분이다.

류정기 교수는 “폐페트병에서 고품질의 플라스틱 원료를 얻어내고 동시에 수소 생산까지 이어지는 공정 개발을 통해 원유에서 뽑아낸 원료에 버금가는 가격 경쟁력을 확보할 수 있었다”며 “플라스틱 순환 경제를 구축하고 친환경 수소 생산 비용을 절감하는 데 크게 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

영국 왕립화학회(Royal Society Chemistry)가 발행하는 국제학술지 『그린 케미스트리(Green Chemistry)』의 2026년 2월호 후면 표지 논문으로 게재됐다. 사진은 후면 표지 이미지.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 및 UNIST 하이드로 스튜디오(Hydro Studio) 이코노어(InnoCORE) 사업, 교육부와 울산광역시의 지역혁신중심 대학지원체계(RISE), 지역혁신선도연구센터(RLRC) 사업의 지원을 받아 수행됐다.

아울러 영국 왕립화학회(Royal Society Chemistry)가 발행하는 국제학술지 『그린 케미스트리(Green Chemistry)』의 2026년 2월호 후면 표지 논문으로 게재됐다. 논문 제목은 ‘다기능성 폴리옥소메탈레이트 촉매를 이용한 PET의 온화한 가수분해 및 전기화학적 에너지 회수(Mild hydrolysis of PET and electrochemical energy recovery via multifunctional polyoxometalate catalysts)’다.

[『워터저널』 2026년 4월호에 게재]