현대는 ‘플라스틱의 시대’라고 불릴 만큼 플라스틱 제품들이 우리 생활에서 중요한 역할을 하고 있다. 가볍고 저렴하다는 장점으로 인해 전자제품에서부터 자동차와 포장 재료에 이르는 모든 분야에서 인기를 끌고 있는 것. ‘성형하기 알맞다’는 뜻의 그리스어인 ‘플라스티코스(plastikos)’에서 유래한 명칭처럼 유동성이 좋은 것도 주요한 장점 중 하나다.
하지만 플라스틱엔 수많은 장점만큼이나 단점도 존재한다. 열의 흐름을 제한하는 성질이 있어 열을 잘 전달하지 못할뿐더러 전기 전도성이 없다. 또한 플라스틱은 보통 수백 년 동안 분해되지 않아 매립지와 해양에 거의 영구적으로 남게 되며, 연소될 때 대기로 독소를 생성시키거나 환경을 화학물질을 침출시킬 가능성이 있다.
그런데 최근 이 같은 단점들을 보완할 수 있는 새로운 플라스틱 소재들이 잇달아 선을 보이고 있어 화제다.
미국 미시간대학의 김진상 교수팀은 케빈 파이프 교수팀과 공동으로 일반적인 플라스틱에 비해 열을 10배나 더 잘 전달할 수 있는 플라스틱을 개발하는 데 성공했다.
열에너지는 분자진동에 의해 물질을 이동한다. 따라서 열이 효과적으로 재료를 통과하기 위해서는 강력하게 결합된 원자나 분자들에 의해 연속적인 통로를 만들어주는 것이 필수적이다. 그렇지 않으면 열은 갇히게 되고 물체는 뜨거워지게 된다.
김 교수가 포함된 공동연구진은 폴리아크릴산(PAA)이라 불리는 고분자의 긴 사슬과 폴리아크릴로일 피페리딘(PAP)이라 불리는 고분자의 짧은 사슬을 강력하게 결합시킬 수 있는 새로운 방법을 개발함으로써 열이 연속적으로 전달되는 통로를 만들 수 있었다.
이 새로운 결합은 대부분의 플라스틱에서 관찰되는 것들에 비해 10~100배 정도 강력한 결합을 가능하게 하는 수소결합에 의존하는데, 이를 통해 열에너지가 지속적으로 재료 사이를 통과한다는 사실이 밝혀졌다.
기존에는 고분자에서 열의 전달을 향상시키기 위해 금속 혹은 세라믹 충전 재료 등을 직선 형태의 라인 안에 채워넣는 방법을 사용했다. 그러나 그런 방법들은 무게와 가격이 올라가고, 재료를 불투명하게 만들어 빛을 반사하는 속성에 영향을 주는 등 한계가 있었다.
그러나 이번 연구결과는 그러한 결점을 가지고 있지 않으며 일반적인 방법으로도 제조가 용이하다. 따라서 금속 대체 재료로써 강력한 전자기기나 효과적인 운송수단 등 다양한 곳에 응용이 가능한 것으로 보인다. 김 교수는 “금속에 비해 10배가량 낮은 열전도도를 지니고 있지만 우리의 연구결과는 지속적인 성능 향상을 위한 계기를 마련한 데서 그 의의를 찾을 수 있다”고 말했다.

원할 때만 분해 가능한 플라스틱 선보여

특정 유형의 빛에 노출될 때 분해되며, 이후 새로운 플라스틱을 생성하는 데 이용될 수 있는 분자로 환원되는 신개념 플라스틱도 개발됐다. 미국 노스다코타주립대학 산하 ‘지속가능한 재료과학연구소’ 소속의 다학제간 연구팀이 바로 그 주인공.
이 연구진은 플라스틱을 빌딩 블록(생체 고분자의 구성단위가 되는 분자)으로 분해한 후 다시 고분자로 만들 수 있다는 것을 보여주었다. 즉, 3시간 동안 350나노미터의 자외선에 노출시킴으로써 플라스틱을 분해한 다음, 용해가 가능한 빌딩 블록 분자로 다시 환원시킨 것이다. 연구팀은 이 같은 실험 증명 개념에서 플라스틱으로 전환될 수 있는 분자 방안을 생성하기 위해 과일에서 일반적으로 찾아볼 수 있는 과당을 이용했다.
쉽게 분해될 수 있는 플라스틱을 만들기 위한 이러한 ‘전 생애적 접근’은 화석연료에 대한 의존성을 감소시킬 수 있으며, 필요한 원재료의 양을 감소시키는 궁극적인 제품을 위한 과학적 가능성을 제공한다는 데 의의가 있다.
연구진은 앞으로 2년 동안 이 공정이 다른 품목뿐 아니라 자동차와 전자기기 등에 사용됐던 플라스틱에 어떻게 사용될 수 있는가를 조사할 계획이라고 밝혔다.
포장재료로 이용되는 플라스틱을 쓰레기에서 저렴하게 생산할 수 있는 방법도 개발됐다. 스위스 취리히 연방공과대학의 연구진들이 바이오디젤을 생산할 때 부산물로 만들어지는 글리세롤로부터 대량으로 폴리락틱산(PLA)을 생산할 수 있는 환경친화적인 방법을 개발한 것이다.
글리세롤은 1세대 바이오연료를 제조하는 과정에서 부산물로 생산되는데, 현재는 이용 가치가 없어 그냥 버려지고 있는 상황이다. 글리세롤이 지닌 불순물 때문에 화학이나 약학 산업에 적합하지 않으며, 또한 이 물질은 잘 타지도 않아 좋은 에너지원이 될 수 없기 때문이다.
그런데 스위스 연구진은 이 쓰레기 원료 물질을 락틱산으로 변환시키는 새로운 방법을 개발했다. 즉, 글리세롤을 효소에 의해 처리함으로써 디하이드록시아세톤으로 변형시킨 후 여러 종류로 이루어진 촉매를 통해 락틱산으로 전환시키는 것.
이 새로운 공정은 이산화탄소의 발생을 30%까지 줄일 수 있다는 장점도 지니고 있다. 이전의 방법을 이용할 경우 7.5킬로그램의 이산화탄소가 발생하는 반면, 이 새로운 기술을 이용할 경우 6킬로그램의 이산화탄소가 발생한다. 또한 이 방법은 전체적인 공정 비용을 낮춤으로써 수익을 17배 정도 증진시킬 수 있다고 한다.

원래 형상으로 돌아가는 형상 기억 플라스틱

형태가 변화된 후에 다시 원래의 형상으로 돌아갈 수 있는 형상 기억 플라스틱도 개발됐다. 코네티컷 대학 등이 포함된 미국 연구진이 개발한 이 새로운 플라스틱은 프로그램된 형상 간의 가역적인 변화를 할 수 있어 마이크로로봇과 수술에 매우 유용하게 사용할 수 있다.
그들이 개발한 탄성중합체(탄성과 점성을 가진 폴리머)는 지속적인 외부 힘을 적용하는 일 없이 형상 변환이 가능하다. 즉, 60℃에서 코일 모양으로 비틀어지며 그 후 약 4℃까지 냉각되면 직선의 탄성중합체가 된다. 또 약 37℃까지 재가열되면 직선의 탄성중합체는 어떠한 힘을 적용하는 일 없이 자발적으로 원래의 코일 형상으로 돌아간다. 코일의 각도는 많은 가열 및 냉각 주기 후에도 반복적으로 재현될 수 있다.
이 연구결과는 손상을 최대한 줄여야 하는 외과수술이나 손을 사용하지 않는 포장, 항공우주산업, 마이크로로봇산업 등에 매우 중요하게 적용될 수 있을 것으로 예상되고 있다. 이 새로운 플라스틱은 다양한 길이 크기로 매우 복잡한 형상 변환을 할 수 있을뿐더러 열이나 빛, 전자기장 등의 다양한 외부 자극에 반응해서 변환될 수 있기 때문이다.