- 음료에 젖지 않고 100% 생분해되는 친환경 종이 빨대 개발

- 『Advanced Science (IF:17.52)』 논문 발표

해양과 토양에서 100% 생분해되면서 쉽게 눅눅해지지 않는 친환경 종이 빨대가 개발됐다. 대량 생산하기에도 쉬워 향후 식당이나 카페 내 플라스틱 빨대 규제*에 대응할 수 있을 것으로 기대된다.

* 환경부 ‘자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률’ 시행 규칙에 따라 2022.11.24부터 식당과 카페 매장 안에서 플라스틱 빨대, 젓는 빨대 사용이 금지되며 1년간 계도기간을 가진다. 종이 빨대는 사용할 수 있다.

현재의 종이 빨대는 완전하게 종이만으로 만들어진 것이 아니다. 100% 종이만으로는 액체에 닿을 때 너무 눅눅해져서 빨대로서의 기능을 할 수 없기 때문에 표면을 코팅해야 한다. 코팅 물질은 주로 폴리에틸렌(PE)이나 아크릴 수지인데, 비닐봉투 또는 접착제와 같은 물질이다. 

종이컵에도 종이 빨대에 코팅된 물질과 같은 물질이 코팅되고 있는데, 많은 해외 연구에서 사용 후 폐기 시 종이컵에 코팅된 폴리에틸렌이 분해되지 않고 작은 입자로 떨어져나와 미세플라스틱을 생성시킬 수 있다고 보고됐다. 또한 종이와 플라스틱 서로 다른 두 물질이 합쳐져 있으므로 종이로도 플라스틱으로도 재활용이 어렵다.

사용할 때도 기존 종이 빨대는 불편한 점이 있다. 음료에 오래 두면 눅눅해지고, 탄산음료를 마실 때 종이 빨대의 표면 특성 때문에 거품이 다량 발생하기도 한다. 현재 종이 빨대의 대체재로는 폴리락틱산(PLA) 빨대, 쌀 빨대가 있다. 그러나 폴리락틱산(PLA) 일명 옥수수 플라스틱 빨대는 해양에서 잘 분해되지 않고, 쌀 빨대는 분해는 잘 되나 대량 생산이 어려워 가격이 비싸고 단면이 날카롭다는 단점이 있다.

성능이 우수하고 토양 및 실제 해양환경에서 생분해되는 친환경 종이 빨대의 제작 배경, 재료, 방수성을 보여주는 그림과 사진

기존 종이 빨대의 문제점인 탄산 거품 발생을 방지하고(좌), 다양한 음료를 편리하게 즐길 수 있는 친환경 종이 빨대 사진(우)

한국화학연구원 오동엽-곽호정 박사팀과 서강대학교 박제영 교수 공동 연구팀은 100% 생분해되면서 기능이 기존 종이 빨대보다 우수하며 대량 생산이 쉬운 친환경 종이 빨대를 개발했다.

본 연구를 주도한 오동엽 박사(우)와 곽호정 박사(좌)

연구팀은 대표적 생분해 플라스틱인 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS)*를 자체 기술력으로 합성한 후, 여기에 셀룰로오스 나노크리스탈**을 소량 첨가해 코팅 물질을 만들었다. 첨가된 셀룰로오스 나노크리스탈은 종이의 주성분과 같은 성분이라 종이와 잘 붙는다. 따라서 종이 빨대를 코팅할 때, 종이 표면과 생분해 플라스틱을 단단히 붙여주는 역할을 한다.

* PBS(Poly(Butylene) Succinate): 석유계 폴리프로필렌과 유사한 물성을 보이는 폴리에스터 계열의 생분해성 바이오 플라스틱.

** 셀룰로오스 나노크리스탈: 자연계에서 가장 많은 고분자인 셀룰로오스를 직경 10~20㎚, 길이 200㎚인 나노입자로 만들어, 표면적을 넓힌 소재를 말한다.

기존 종이 빨대는 코팅 시 플라스틱을 이렇게 단단히 붙여주는 역할을 하는 물질이 없었다. 그래서 표면이 플라스틱으로 균일하게 코팅되지 않아 사용할 때 불편한 점이 있었다. 

가장 큰 불편함은 코팅되지 않은 부분에 음료가 닿아 빨대가 눅눅해진다는 점이다. 또한 탄산음료에 종이 빨대를 넣으면 쉽게 거품이 일었다. 코팅되지 않은 종이 부분이 물과 쉽게 결합하고 코팅된 플라스틱 부분은 물을 밀어내는 성질을 가져, 탄산음료에 종이 빨대의 불균일한 표면이 부딪히기 때문이다.

그런데 연구팀이 개발한 새로운 종이 빨대는 코팅 물질이 균일하고 단단하게 붙어, 쉽게 눅눅해지거나 거품을 많이 일으키지 않는다. 게다가 코팅 물질 자체가 종이와 생분해 플라스틱이기 때문에 100% 썩어 없어진다.

연구팀은 친환경 종이 빨대가 찬 음료뿐만 아니라 뜨거운 음료 속에서도 일정한 성능을 유지하는 것을 확인했다. 

또한, 물이나 차, 우유나 기름이 포함된 음료, 탄산음료 등 다양한 음료를 휘젓거나 오랜 시간 사용해도 눅눅해지거나 구부러지지 않는 것을 확인했다. 눅눅해진 정도를 실험한 결과, 기존 종이 빨대는 5℃ 찬물에 1분간 담갔다 꺼낸 후 약 25g 무게 추를 걸었을 때 심하게 구부러졌다.

반면에 연구팀이 개발한 종이 빨대는 같은 조건에서 50g 이상의 무게 추를 올려도 잘 구부러지지 않았다.

찬물에 1분간 담갔다 꺼낸 후 눅눅해진 정도 관찰 실험

개발된 빨대는 바다에서도 분해가 잘 되는 것으로 나타났다. 일반적으로 바다는 온도가 낮고 염도 때문에 미생물 증식이 어려워 종이나 플라스틱의 분해가 토양에서보다 훨씬 느리다. 연구팀은 포항시 북구 흥애읍 오도리 인근 해안의 수심 1.5~2m 깊이에 빨대 샘플을 담가 해양환경에서 분해를 시험하였다.

실제 해양환경 분해 시험 장소의 지도, 사진, 그리고 플라스틱 망에 담긴 각종 빨대 샘플들

일반 플라스틱 빨대와 옥수수 플라스틱 빨대는 120일 동안 전혀 분해되지 않았다. 기존 일반 종이 빨대는 형체를 보존했고 총 무게의 불과 5%만 감소했다. 반면 연구팀이 개발한 빨대는 60일 동안 무게가 50% 이상 감소했고, 120일 후에는 완전히 사라졌다.

바다에 넣은 후 120일 동안 빨대의 분해 정도

위 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF:17.52) ‘Biodegradable, Water-resistant, Anti-fizzing, Polyester Nanocellulose Composite Paper Straws’ 제목으로 11월 21일 게재되었고, 누구나 열람할 수 있다.

연구책임자 오동엽 박사는 “본 기술은 플라스틱 시대에 살고 있는 우리가 나아가야 할 방향을 제시한 작은 사례이다. 

우리가 자주 사용하는 플라스틱 빨대를 종이 빨대로 바꾼다고 바로 그 효과가 즉각 나타나진 않겠지만 시간이 지나면 그 차이는 클 것이다. 사용하기 편한 일회용 플라스틱들부터 다양한 친환경 소재로 차근차근 바꾼다면, 미래 환경은 우리가 걱정하는 것보다 훨씬 나아질 것이다”라고 말했다.

이번 성과는 과학기술정보통신부의 나노 및 소재 기술개발사업과 한국화학연구원 기본사업, 산업통상자원부의 생분해성 바이오 플라스틱 제품화 및 실증사업의 지원으로 수행되었다.

< 연구진 소개 >