바이오인

환경 대응형 생분해성 바이오융합 플라스틱 소재 개발 동향

◈ 목차

1.서론

2. 환경대응형 생분해성 바이오융합소재

3. 향후 과제와 연구개발 방향

◈본문

오동엽 / 인하대 고분자공학과 조교수   

1. 서론

플라스틱은 1907년 베이크라이트(Bakelite)의 합성으로 처음 등장한 이후, 1950년대 대량생산이 시작되면서 현대 사회에서 필수 불가결한 소재로 자리 잡았다. 플라스틱은 저렴한 가격과 뛰어난 내구성을 바탕으로 포장, 의류, 건설, 전자기기 등 다양한 산업 분야에서 필수 불가결한 소재로 자리 잡았다. 전 세계적으로 연간 3억 8000만 톤 이상의 플라스틱이 생산되고 있다. 현재까지 약 83억 톤 이상의 플라스틱이 생산되었으며, 이 중 70% 이상이 자연환경에 축적되고 있으나 대부분의 플라스틱은 수백 년에서 수천 년에 이르는 긴 시간 동안 분해되지 않으며, 해양 및 육상 생태계를 위협하는 미세플라스틱 오염을 야기하고 있다. 특히 석유화학 기반 플라스틱은 우수한 기계적 물성, 가공성, 내구성 및 경제성을 바탕으로 포장, 전자제품, 의료, 건설 등 다양한 산업에서 폭넓게 활용되고 있다. 그러나 플라스틱의 저비용·대량생산 구조는 일회용 소비 문화를 확산시켰으며, 이로 인해 폐플라스틱 축적, 미세 나노플라스틱의 환경 유입, 온실가스 배출 등 심각한 환경 문제가 대두되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 바이오 기반 또는 생분해성이거나 2가지 특성을 모두 갖춘 바이오플라스틱이 주목받고 있다. 바이오플라스틱은 기존 화석연료 기반 플라스틱과 유사한 기능성을 제공하면서도 탄소 배출량을 감소시킬 수 있어 순환경제 실현을 위한 유망한 소재로 평가된다. 연구에 따르면, 기존 합성 플라스틱의 약 3분의 2를 바이오플라스틱으로 대체할 경우 연간 약 241~316 Mt의 이산화탄소 배출 저감 효과를 기대할 수 있다. 또한, 생분해성 바이오플라스틱은 폐기 후 미생물에 의해 자연적으로 분해될 수 있어 환경 친화적인 처리가 가능하다. 이러한 이유로 바이오플라스틱 생산량은 지속적으로 증가하는 추세이며, 2021년 240만 톤에서 2026년까지 760만 톤으로 확대될 것으로 예상된다. 그러나 이는 여전히 전체 플라스틱 시장의 1%에 불과하며, 바이오플라스틱 산업의 확산을 저해하는 다양한 도전 과제가 존재한다.

제도적 문제로는 복잡한 인증절차, 높은 생산 비용, 생분해성에 대한 소비자 오해 및 그린워싱(Greenwashing) 현상이 있다. 특히, 바이오플라스틱 제품의 인증·라벨링은 지역별 표준 차이로 인해 복잡한 절차를 거쳐야 하며, 인증을 유지하기 위해서는 지속적인 갱신이 필요하다.

기술적 관점에서는, 생분해 플라스틱은 기계적 강도와 생분해 속도 간의 트레이드 오프(trade-off) 관계로 인해 산업적 활용에 한계가 존재한다. 일반적으로 기계적 강도가 높은 바이오플라스틱은 분해 속도가 느린 경향을 보인다. 예를 들어, 폴리젖산(PLA)은 우수한 기계적 물성을 갖추고 있어 다양한 산업에서 활용되지만, 해양 환경에서는 분해 속도가 극히 느려 사실상 생분해성이 제한적이다. 반면, 폴리부틸렌아디페이트-테레프탈레이트(PBAT)나 폴리부틸렌석시네이트(PBS)와 같은 일부 바이오플라스틱은 토양에서 분해가 비교적 빠르게 이루어지지만, 기계적 강도가 부족해 적용 범위가 제한적일 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. 생분해성 바이오플라스틱은 주로 지방족 폴리에스터(aliphatic polyester)계 고분자인데, 폴리에스터는 에스터 결합이 회전 가능하고 수소 결합을 형성하지 않아 가수분해에 취약하다. 이를 보완하기 위해 폴리에스터는 높은 결정성을 가져야 기계적 강도를 확보할 수 있으나 결정성이 높아질수록 물과 효소의 접근성이 감소하여 생분해 속도가 저하되는 문제가 존재한다. 그래서, 폴리젖산(PLA)은 해양 및 토양 환경에서의 분해 속도가 매우 느려 생분해성이 제한적인 반면, 비정질 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 기계적 성질이 부족하여 산업적 활용이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으나, 현재까지 석유계 비분해 플라스틱 수준의 기계적 성능과 신속한 생분해성을 동시에 만족하는 소재는 많지 않다.

많은 사람들이 바라는 이상적인 생분해 플라스틱은 사용 중에는 강한 기계적 강도를 유지하면서, 폐기 후 자연환경에서 빠르게 분해될 수 있어야 한다. 그러나 현재까지 이러한 특성을 동시에 충족하는 소재 개발은 쉽지 않으며, 바이오플라스틱의 성능 최적화를 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 이 리뷰 논문에서는 생분해성 바이오 융합소재 개발을 중심으로, 생분해성 플라스틱의 기계적 성능과 분해 속도 간의 트레이드오프를 해결하기 위한 최신 연구 동향을 정리하고자 한다. 기본적으로 생분해가 시작되는 환경을 감지하고 그 환경에서 자발적으로 생분해가 빨라지는 스마트 소재를 개발하는 것이 최신 연구의 주된 방향이다. 나아가, 차세대 생분해성 플라스틱 개발을 위한 기술적 과제와 향후 연구 방향을 제시한다.

2. 환경대응형 생분해성 바이오융합소재

가. 생분해성 생-소재(Engineered Living Materials(ELMs))

생분해 플라스틱에서 분해 거동의 최적 제어가 중요한 기술적 도전 과제로 이상적인 생분해성 바이오 융합 소재는 사용 중에는 높은 기계적 강도를 유지하면서 폐기 후 자연환경에서 신속하게 분해될 수 있어야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 환경조건(온도,습도,pH 등)에 따라 생분해성을 조절할 수 있는 기능성 소재 개발이 진행되고 있으며, 특정 화학적 트리거(trigger)나 외부 자극(예: 빛,전기,자기장 등)에 반응하는 스마트 생분해성 플라스틱 기술이 연구되고 있다. 이러한 접근 방식은 기존의 생분해성 플라스틱보다 더욱 정밀한 분해 거동을 구현할 수 있도록 하며, 특정 조건에서만 생분해를 활성화하는 온-오프 스위칭 기능을 갖춘 차세대 생분해성 플라스틱 개발로 이어지고 있다.

환경에 대응하는 생분해성 바이오융합소재 중에서 첫 번째로 소개할 소재는 생-소재(EngineeredLivingMaterials,ELMs)이다. 이는 생물학적 시스템을 기반으로 설계된 신소재로서, 생물학적 기능과 인공 소재의 구조적 특성을 동시에 갖추고 있다. 이러한 소재는 생물학적 활성 세포 또는 세포 집합체와 함께 스스로 재생이 가능한 매트릭스로 구성되어 자체적으로 생성되거나 인공적으로 설계된 구조체로 이루어져 있다. ELMs는 자연에서 발견되는 뼈, 나무, 피부와 같은 생체 소재와 유사한 특성을 가지며, 성장, 자가 조직화, 자가 복구와 같은 고유한 생물학적 기능을 수행할 수 있다. 또한, 외부 환경의 변화나 특정 자극을 감지하면 사전에 프로그래밍된 생물학적 반응을 보이며, 다양한 환경 조건에서 기능성을 유지할 수 있는 장점이 있다.

최근 ELMs는 지속 가능성과 친환경성을 갖춘 생분해 플라스틱 개발을 위한 유망한 접근법으로 주목받고 있으며, 특히 기존의 생분해 플라스틱에 효소, 미생물 포자와 같은 생물학적 요소를 포함하는 형태로 연구가 진행되고 있다. 이러한 접근 방식은 플라스틱의 생분해성을 높이고 친환경적인 처리를 가능하다는 점에서 중요한 의미를 가진다.

본 장에서는 세 가지 주요 생분해성 ELMs을 소개하며 이는 플라스틱 매트릭스 내에 내포된 생물학적 요소의 종류에 따라 효소(Enzyme) 기반 생분해 ELMs, 박테리아(Bacteria) 포자 기반 생분해 ELMs, 균사체(Mycelium) 포자 기반 생분해 ELMs로 분류된다. 이들 소재는 공통적으로 일반적인 사용 환경(상대적으로 습도가낮고,영양분이부족한상태)에서는 생분해가 활성화되지 않지만 폐기되어 자연환경(상대적으로 습도가 높고, 영양분이 존재하는 상태)에 노출되었을 때 생분해가 촉진되는 특성을 가진다. 이러한 환경 대응형 생분해 시스템이 구축된다면, 생분해도를 높이기 위해 굳이 매트릭스 소재를 연성(soft)으로 설계할 필요가 없기 때문에 기존 생분해 플라스틱이 가지는 기계적 강도와 생분해성 간의 트레이드오프 문제를 해결할 수 있을 것이다.

향후 연구에서는 이러한 환경 대응형 생분해 기술을 더욱 정교하게 조절할 수 있는 방안이 필요하다. 현재 연구된 내포형 미생물 및 효소 기반 생분해 기술은 특정 환경에서만 활성화되는 경우가 많고 제어된 방식으로 생분해 속도를 조절하는데 한계가 있다. 따라서, 앞으로 환경 변화에 따라 생분해 속도를 조정하거나 특정 조건에서만 활성화될 수 있는 스마트 바이오 융합 소재의 개발이 필요하다. 특히, 생분해성 플라스틱과 ELMs의 융합을 통한 실용화 기술을 개발하기 위해서는 여러 가지 해결해야 할 과제가 존재한다. 먼저, 가공 과정에서의 안정성과 균일성을 확보하는 것이 필수적이다. 생물학적 요소를 포함한 플라스틱의 경우 기존의 열가소성 수지 가공법과의 호환성이 낮을 수 있으며, 생물학적 시스템이 높은 온도나 가공 스트레스에 의해 쉽게 손상될 가능성이 있어 제조 과정에서 생물학적 요소가 안정적으로 유지되도록 적절한 보호 매커니즘을 마련해야 한다.

① 효소 담지형 생분해 바이오 융합 소재

플라스틱 폐기물 문제 해결을 위한 혁신적인 접근법 중 하나는 효소 기반 폴리머 분해 기술이다. 기존의 효소 내포 방식은 분해 속도를 높일 수 있지만 폴리머의 기계적 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 미세플라스틱 형성을 가속화 하는 한계가 있었다. 미국 UC버클리의 Ting Xu 교수 그룹은 효소를 나노스케일에서 균일하게 분산(nano-dispersed enzyme technology)시켜, 반결정성 폴리에스터(polyester) 사슬 말단 기반 해중합(depolymerization) 방식을 활용한 선택적 분해를 구현했다.

기존 연구에서 효소는 고분자 매트릭스 내에서 응집(aggregation)되거나, 무작위 사슬 절단(random chain scission) 방식으로 작용하여 분해 부산물이 다양하게 형성되는 문제가 있었으나 이 연구에서는 나노스케일에서 효소를 균일하게 분산시키는 기술을 도입하여 효소가 폴리머 사슬 말단과 직접적으로 상호작용할 수 있도록 설계하였다. 이를 통해 폴리(카프로락톤)(PCL) 및 폴리젖산(PLA) 필름 내에서 단 2 wt% 미만의 효소를 포함한 경우에도 가정용 수돗물과 표준 퇴비 조건에서 수일 내 98% 이상의 고효율 분해율을 달성하였다.

특히, 효소의 활성 부위(active site)가 깊게 위치한 경우, 폴리머의 사슬 말단에서 연속적인 탈중합(chain-endprocessivedepolymerization)이 유도되었으며, 이는 기존의 무작위 가수분해 방식보다 훨씬 효율적인 분해 경로를 제공하였다. 향후 연구에서는 이러한 기술을 실용화하기 위해 가공 공정과 저장 안정성을 확보하는 전략이 함께 고려되어야 한다.