플라스틱으로 인한 자연환경 오염은 반드시 해결해야 할 전 지구적 난제로 꼽힌다. 특히, 패키징 소재(포장재)는 전체 플라스틱 소비의 30~50%를 차지하여 대체재로서의 생분해성 패키징 소재가 주목받고 있다. 가장 척박하다는 생분해 조건인 해양 속에서 미세플라스틱*을 남기지 않으면서도 높은 성능을 갖춘 생분해성 패키징 소재가 있을까?

* 미세플라스틱: 5㎜이하의 작은 플라스틱 조각으로, 플라스틱의 분해 과정에서 생성되며 바닷속과 해수면을 수십 년 이상 떠다니며 해양환경 오염을 일으키고 있음.

연구원 소개

(왼쪽부터) KAIST 건설및환경공학과 명재욱 교수, 최신형 박사과정, 생명과학과 양한슬 교수,

연세대학교 서종철 교수, 박기태 석박사통합과정

KAIST 건설및환경공학과 명재욱 교수, 생명과학과 양한슬 교수 및 연세대학교 패키징및물류학과 서종철 교수 공동 연구팀이 지속 가능한 해양 생분해성 고성능 종이 코팅제를 개발했다고 밝혔다.

일상에서 흔히 사용되는 종이 포장은 친환경 포장재로 인정받지만, 수분 저항성, 산소 차단성, 강도 등에서 매우 제한적인 면이 있다. 종이 포장재의 낮은 차단성을 향상하기 위해 폴리에틸렌(PE), 에틸렌비닐알코올(EVOH) 등이 코팅제로 활용되지만, 이런 물질들은 분해되지 않아 자연환경에 버려지면 플라스틱 오염을 심화시킨다.

이러한 문제에 대응하여 다수의 바이오 기반 물질, 생분해성 플라스틱*등을 활용한 패키징 소재들이 개발되어왔으나 패키징 성능이 향상될수록 생분해도가 급격하게 떨어지는 딜레마에 직면해왔다.

* 생분해성 플라스틱:난분해성 플라스틱의 대체재로, 토양, 해양 등 자연환경 또는 산업 퇴비화, 혐기소화 등 인공 조건에서 미생물에 의해 분해되는 고분자 화합물을 말함.

연세대 연구팀은 생분해성 플라스틱인 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)에 붕산(boric acid)을 이용해 고 물성 필름을 제작하였으며, 이를 종이에 코팅하여 생분해성, 생체 적합성, 고차단성, 고강도를 갖는 패키징 소재를 구현하는 데 성공하였다. 개발된 코팅 종이는 산소나 수증기에 우수한 차단성을 보이며 물리적 강도를 띄었다. 특히 다습한 환경에서도 높은 인장강도를 유지하여 종이의 단점을 획기적으로 극복하였다.

그림 1. (a) 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅 종이의 화학적 구조, (b-c) 산소 및 수증기 차단성 및 비교 그래프, (d-f) 건조 및 고습도 환경에서의 인장강도 및 비교 그래프

KAIST 대학연구팀은 개발한 코팅 종이의 지속가능성을 평가하기 위해 생분해도와 생체 적합성을 심층 검증하였다. 실험실에서 생분해가 일어나기 가장 어려운 환경인 해양환경을 모방하여 코팅지의 생분해도를 측정하였다. 물질의 탄소 성분이 이산화탄소로 광물화(mineralization)되는 정도를 111일 동안 분석한 결과, 코팅 성분에 따라 59~82% 생분해됨을 밝혀내었다. 전자현미경을 통해 해양 미생물이 코팅 소재를 분해하고 있는 현상을 포착하였고, 또한 코팅 소재의 낮은 신경독성을 확인하였고 쥐 생체 반응 실험을 통해 코팅 종이의 높은 생체 적합성을 검증하였다.

그림 2. (a) 일반 종이 및 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅지, (b) 코팅 종이의해양 미생물에 의한 생분해, (c) 인간 배아신장세포 및 쥐 배아섬유아세포를 활용한

신경독성 실험 결과, (d) 쥐 생체 반응실험 후 주요 조직 관찰을 통한 생체 적합성 검증

건설및환경공학과명재욱 교수는 이번 연구를 통해 “기존 종이 패키징의 한계를 극복하기 위해 지속가능성을 유지하면서도 패키징 성능을 향상시킬 수 있는 코팅 전략을 제시하였으며, 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅지는 인위적인 퇴비화 조건이나 하수처리 시설이 아닌 자연환경에서 생분해되며, 저독성 물질이기 때문에 의도치 않게 버려지더라도 환경오염을 심화시키지 않아 잠재적으로 플라스틱 포장재의 지속 가능한 대체재가 될 수 있다”고 밝혔다.

또한 “해양 생분해성 고성능 종이 코팅제의 개발은 각 분야에서 선도적인 세 연구팀의 혁신적인 기술이 결합된 결과물이다”라며, “앞으로도 환경친화적이고 성능이 뛰어난 소재 개발을 위해 노력할 것이다”라고 전했다.

그림 3. 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅 종이의 해양환경에서의 수명종료 시나리오.

코팅 종이는 파도, 조수와 생물학적 작용으로 단위체로 분해되며,탄소 성분은 궁극적으로 해양 미생물에 의해 광물화됨.

한편, 고성능 종이 코팅 개발 연구를 주도한 연세대학교 서종철 교수는 “본 연구를 통해 난분해성 플라스틱 포장의 대체가 가능한 친환경 종이 포장 기술을 개발하였으며, 소재 디자인, 응용, 폐기 등 기초부터 응용 전 과정의 체계적인 연구 결과를 기반으로 산업적 응용이 될 것으로 기대한다ˮ라고 전했다.

이번 연구는 한국연구재단과 농림식품기술기획평가원 등의 지원으로 수행되었으며, 친환경 지속 가능 과학·기술 분야, 식품과학·기술 분야에서 권위 있는 학술지인 Green Chemistry, Food Chemistry 등에 각각 4월 17일, 2월 19일 온라인으로 출판됐다.

* 논문명(1): Boric acid-crosslinked poly(vinyl alcohol): biodegradable, biocompatible, robust, and high-barrier paper coating

(저자 정보: 최신형(KAIST, 제1저자), 유슬기(KAIST), 박기태(연세대), 김영주(KAIST), 조용준(KAIST), 박제희(KAIST), 서종철(연세대), 양한슬(KAIST), 명재욱(KAIST, 교신저자) 총 9명)

* 논문명(2): Effect of epichlorohydrin treatment on the coating process and performance of high-barrier paper packaging

(저자 정보: 박기태(연세대, 제1저자), 최신형(KAIST), Kambiz Sadeghi(연세대), Pradeep Kumar Panda(연세대), 명재욱(KAIST), 김도완(국립강릉원주대학교), 서종철(연세대, 교신저자) 총 7명)

그림 4. 녹색화학(Green Chemistry) 저널 최신 호 백 커버(back cover).해양 생분해성, 생체 적합성, 고차단성, 고강도를 갖는 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅지