▲ 개발 연구진 (좌) 진세빈 박사 (중) 서강대 박제영 교수 (우) 고려대 오동엽 교수 

사용 중에는 강인하고, 폐기 후에는 선택적으로 분해되는 차세대 지속가능 고분자 플랫폼 

 서강대학교 화공생명공학과 박제영 교수 연구팀은 고려대학교 오동엽 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 높은 기계적 강도와 우수한 자가치유 성능을 동시에 갖추면서도 사용 후에는 다양한 환경 자극에 따라 선택적으로 분해될 수 있는 바이오 기반 폴리(우레탄-우레아) 엘라스토머를 개발하였다. 

▲ a) 바이오기반 자가치유 다중 분해성 고분자 구조, b) 사용 중: 고강도·자가치유 / c) 폐기 후: 환원·UV·효소 분해 

 이번 연구는 기존 석유계 플라스틱이 가지는 높은 내구성과 환경 잔존성 문제를 동시에 해결하기 위한 전략으로, ‘사용 중(in-use)’에는 강인한 기계적 성능과 자가치유를 통해 수명을 연장하고, ‘폐기 후(on-demand)’에는 환원·광·효소 등 다양한 조건에서 빠르게 분해될 수 있도록 설계된 지속가능 고분자 플랫폼을 제시했다.

 공동연구팀은 바이오 기반 caprolactone/glycolide 유래 매크로다이올에 방향족 이황화 결합(aromatic disulfide)과 우레아 결합을 동시에 도입하는 분자구조 설계를 통해, 기존 자가치유 고분자에서 흔히 나타나는 ‘강도–동적 기능성 간 trade-off’를 극복하였다. 방향족 이황화 결합은 동적 공유결합 교환반응을 통해 자가치유성과 자극응답성을 제공하고, 우레아 결합은 강한 수소결합 네트워크를 형성하여 높은 기계적 강도와 구조적 안정성을 부여한다. 

 그 결과, 개발된 소재는 최대 인장강도 36 MPa, 신율 400% 이상의 우수한 기계적 특성을 나타냈으며, 80°C 조건에서 최대 98% 수준의 자가치유 효율을 달성하였다. 또한 UV 조사만으로도 상온에서 90% 이상의 자가치유가 가능해, 열에너지 의존성을 줄인 차세대 스마트 소재로서의 가능성을 입증했다. 

 더 나아가, 해당 소재는 기존 고내구성 플라스틱과 달리 다양한 환경에서 선택적 분해가 가능하다. 환원 조건에서는 37°C에서 4일 이내 99% 이상 질량 손실을 보였으며, UV 조건에서는 광유도 분해, 효소 조건에서는 21일 동안 기계적 물성의 현저한 감소를 나타냈다. 이는 실제 환경 변화에 따라 다중 경로로 분해될 수 있는 ‘multi-pathway degradation’ 특성을 의미하며, 플라스틱 폐기 후 환경 부담을 획기적으로 줄일 수 있는 가능성을 보여준다.

 연구팀은 특히 이번 기술이 단순 생분해성 플라스틱을 넘어, 높은 물성·자가치유·재가공성·환경 분해성을 하나의 시스템 내에 통합했다는 점에서 큰 의미가 있다고 설명했다. 개발된 소재는 향후 친환경 코팅재, 웨어러블 전자소자, 스마트 패키징, 연성 전자기기 및 지속가능 소비재 분야 등 다양한 산업으로의 확장이 기대된다.

연구 결과는 화학공학 분야의 국제 저명 학술지인 Chemical Engineering Journal (Impact Factor: 13.2)에 “In–Use Robust and Self–Healing, On–Demand Multi–Pathway Degradations: Bio–Based Poly(Urethane–Urea) Elastomers with Disulfide Bonds” 제목으로 게재되었다.

(1) 연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/jyp-plastic-research/

(2) 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.172098