플라스틱 폐기물 발생은 2040년 1.3 billion ton으로 추정된다. 플라스틱 폐기물의 축적과 이로 인한 환경오염을 줄이기 위해 합성고분자를 대체할 수 있는 생분해성 바이오 플라스틱의 개발이 시급하다.
바이오 고분자 중에 폴리락트산 (poly(lactic acid), PLA)은 열가소성 합성고분자와 유사한 가공성과 물성을 갖고 있어 기존에 설계된 산업용 플라스틱 장비를 이용한 고분자 가공이 가능하여 상대적으로 생산 비용이 낮고 가장 많은 관심을 끌고 있는 생분해성 고분자 중 하나이다.
NatureWorks, Total Corbion PLA, BASF, Novamont, 및 Mitsubishi Chemical 등 글로벌 기업들이 PLA 시장을 주도하고 있는데 특히 NatureWorks는 분리정제 비용 최소화, 생산 비용절감 및 제품 다양성 확보 등을 통해 석유기반소재 수준의 높은 가격 경쟁력을 확보하고 있다. 국내에서는 SK이노베이션, SK케미칼 등 대기업을 중심으로 PLA 생산 기술을 확보하여 사업적 가능성을 타진하고 있으며 특히 SK케미칼은 PLA 기반의 ECOPLAN FLEX 제품 판매를 시작하여 PLA 기반 바이오 블렌드 필름 및 시트 소재, 의료용 소재, 식품용기 소재 생산에 나서고 있다*. *특허10-2014-0033079, 10-2014-0024371, 10-1478999, 10-2013-0058899 등 참조
본 연구에서는 기존의 범용 플라스틱을 대체할 수 있는 수준까지 PLA 소재의 기계적 물성을 향상시키고 복합소재 제조기술을 확보하여 고기능성 제품 적용까지 목표로 한다. 이 기술의 핵심은 제2고분자 도입을 통한 입자분산 제어이다. 입자는 다성분계 내에 상 (phase) 간 열역학적 친화도 차이, 입자와 상 간의 젖음성 제어를 근간으로 입자의 자기응집 (self-induced particle aggregation)을 유도한다. 제2고분자의 첨가와 복합소재 가공기술을 통한 입자분산 구조 (배열 형상)를 제어함으로써 보다 적은 양의 입자로도 복합소재 내의 입자 네트워크구조를 형성하는 기술이다.
[그림 1] (a) 입자 응집 유도화
(b) 복합소재 제조공정 제어를 통한 입자분산 제어기술 구현
입자의 자기 응집 유도화를 통한 소재 내 입자분산 구조 제어는 그림 2와 같이 제2고분자의 효과적 분산을 유도하여 입자와 제2고분자의 상호 상승작용을 구현하고 취성의 PLA 소재에 연성 물성을 도입하여 기계적 성능을 향상시킨다.
[그림 2] PLA/natural rubber/CaCO3의 입자분산 제어기술을 통한 연성 물성 향상과 그 복합소재구조 (특허번호 10-1999919, PCT 출원번호 PCT/KR2019/002162)
그림 3에서는 제2고분자 도입을 통한 연성 및 기계적 물성 개선, 전도성 입자의 분산구조 제어기술을 통한 전도성 확보 결과를 설명하고 있다
[그림 3] PLA/PCL/CB의 입자분산 제어기술을 통한 기계적 물성 및 전기전도성 향상과 그 복합소재구조 (출원번호 10-2020-0010840)
본 기술은 입자분산을 위한 화학적 분산제의 도입 혹은 별도의 입자 표면개질 과정이 필요하지 않다는 장점을 가지고 있다. 또한, 소량의 입자로 입자 분산 네트워크 구조를 형성하여 기계적 물성 및 고기능성 구현이 용이하다는 장점을 살려 전도성 및 EMI 차폐 용도, 친환경 센서 소재 개발에 적용 중이다.