[신기술] POSTECH, 생분해성 플라스틱 성능·경제성 동시 개선

목재 가공 부산물 ‘리그닌’ 활용해 PBAT와의 상용성 향상

온실가스 배출 11%·생산 비용 12% 줄여 산업화 가능성 확인

땅에 묻으면 분해되는 ‘친환경 플라스틱’은 가격이 비싸고 석유계 원료 의존도가 높다. 이를 해결하기 위해 국내 연구팀이 나무를 종이로 만드는 과정에서 발생한 부산물을 활용하는 방안을 제시했다.

포항공과대학교(POSTECH, 총장 김성근) 화학공학과 한지훈 교수와 권기현 통합과정생 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) RAMP융합연구단 최용석 선임연구원, 전남대학교 석유소재화학공학과 변재원 교수와 함께 목재 가공 과정에서 나오는 부산물인 ‘리그닌(Lignin)’을 활용하여 생분해성 플라스틱 성능과 친환경성을 모두 높이는 데 성공했다.

생분해성 플라스틱 중 가장 활발히 연구되고 있는 소재는 ‘생분해성 고분자 소재(PBAT)’다. 일정 조건에서 자연 분해되기 때문에 포장재나 농업용 비닐 등에 활용된다. 그러나 원료 대부분이 여전히 석유에서 나오는 데다 가격도 높다는 문제가 있다. 리그닌이나 셀룰로스(Cellulose) 등 식물에서 추출한 물질을 섞는 방법도 있지만 이러한 천연 소재는 PBAT와 잘 섞이지 않아 많이 넣을수록 오히려 플라스틱이 약해진다.

연구팀은 리그닌의 화학 구조를 다양하게 바꿔 PBAT와 가장 잘 맞는 형태인 ‘페놀화 리그닌(Phenolated Lignin)’을 찾아냈다. 페놀화 리그닌은 PBAT 내에서 최대 20wt％(중량 백분율)까지 균일하게 퍼졌고, 플라스틱이 잘 찢어지지 않고 버티는 힘인 인성(Toughness)도 기존보다 증가했다. 소재 간의 궁합을 고려한 설계를 통해 고분자 복합재의 성능을 높이는 데 성공한 것이다.

그림1. 페놀화 리그닌과 생분해성 고분자 소재(PBAT)의 계면 상용성 향상 개념도

연구팀은 환경성과 경제성까지 고려해 이 기술의 산업 적용 가능성도 분석했다. 그 결과, 이 기술을 적용하는 경우 기존 PBAT에 비해 온실가스 배출량이 약 11％ 감소하고, 생산 비용도 약 12％ 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 친환경 소재는 비싸고 성능도 떨어진다는 일반적인 인식을 뒤집는 결과다.

또한 페놀화 리그닌은 빛을 차단하는 기능도 뛰어난 것으로 확인됐다. 잡초 억제와 토양 온도 유지를 위해 사용하는 농업용 멀칭(Mulching) 필름처럼, 햇빛 차단이 중요한 분야에 활용될 수 있음을 의미한다. 이번 연구는 단순히 플라스틱 물성을 강화하는 것을 넘어 기능까지 더하는 친환경 소재로 확장될 가능성을 보여줬다는 점에서 의미가 크다. 특히 목재 가공 과정에서 발생하는 부산물이 고부가가치 소재로 활용될 수 있다는 점에서, 폐자원의 새로운 활용 가능성을 제시한 연구로 기대된다.

한지훈 교수는 “리그닌의 화학적 변형만으로도 플라스틱과의 궁합을 크게 높일 수 있다는 점이 확인됐다”며 “이 기술이 상용화된다면 우리 생활 곳곳에서 더 친환경적인 선택지가 넓어질 것”이라고 말했다.

최용석 선임연구원은 “친환경 소재가 성능에서도 충분히 경쟁할 수 있다는 것을 보여준 연구”라며 “바이오 기반 복합소재 개발의 중요한 출발점이 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제 학술지인 『케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)』에 ‘지속 가능한 생분해성 플라스틱 구현을 위한 페놀화 리그닌과 폴리(부틸렌 아디페이트-co-테레프탈레이트)의 계면 적합성 향상(Engineering interfacial compatibility between phenolated lignin and poly(butylene adipate-co-terephthalate) toward sustainable biodegradable plastics)’이라는 제목으로 온라인판에 게재됐다. 이 연구는 과학기술정보통신부 ‘석유 대체 원료 기반 친환경 화학소재 개발’ 사업 및 국가과학기술연구회 ‘재활용할 수 있는 미래 에어모빌리티 구조용 소재 부품 경량화 플랫폼 기술 개발’ 융합연구단 사업 지원으로 수행됐다.

[『워터저널』 2026년 7월호에 게재]