▲ 개발 연구진 : (좌측부터) 이준혁 연구원, 박제영 교수, 오동엽 교수, Bor-Yih Yu 교수 

서강대 공동 연구팀, PET·PEF 혼합 폐플라스틱을 분리 없이 고성능 소재로 전환하는 차세대 업사이클링 기술 개발 

서강대 화공생명공학과 박제영 교수 연구팀이 고려대 오동엽 교수 연구팀 및 대만국립대학교 Bor-Yih Yu 교수 연구팀과의 공동연구를 통하여, 기존 PET(polyethylene terephthalate)와 차세대 바이오 기반 플라스틱인 PEF(polyethylene furanoate)가 혼합된 폐플라스틱을 별도의 분리 공정 없이 고성능 PEFT(poly(ethylene furanoate-co-terephthalate)) 공중합체로 전환할 수 있는 새로운 업사이클링 기술을 개발하였다. 

최근 탄소중립과 자원 순환에 대한 관심이 증가하면서, 석유 기반 PET를 대체하기 위한 바이오 기반 플라스틱 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그중 PEF는 바이오매스로부터 유래한 원료를 기반으로 제조할 수 있으며 우수한 열적·기계적 특성을 가져 차세대 친환경 폴리에스터로 주목받고 있다. 그러나 향후 PEF의 사용량이 증가할 경우 기존 PET 폐기물과 혼합되어 새로운 재활용 문제를 야기할 가능성이 있다.

특히 PET와 PEF는 화학 구조와 밀도가 유사하여 기존 선별 기술만으로 완전히 분리하기 어렵고, 혼입된 PEF는 기존 PET 재활용 공정의 품질과 공정 안정성을 저하시킬 수 있다. 추가적인 분리 공정을 도입할 경우 공정 비용과 에너지 소비가 증가하며, 단순 혼합이나 용매 기반 공정 역시 소재의 물성 저하 또는 복잡한 공정이라는 한계를 가진다.

서강대 공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 PET와 PEF를 분리해야 할 대상으로 보는 기존 접근에서 벗어나, 두 소재의 높은 구조적 유사성을 오히려 화학적 업사이클링에 활용하는 전략을 제시하였다. 연구팀은 폐 PET와 PEF 사이의 직접 용융 에스테르 교환반응(direct melt transesterification)을 통해 별도의 분리 및 상용화제 첨가 없이 두 고분자를 하나의 PEFT 공중합체로 전환하였다.

* 에스테르 교환반응(transesterification) : 고분자 내 에스테르 결합이 서로 교환되는 화학반응으로, 서로 다른 폴리에스터 사슬을 재배열하여 새로운 공중합체 구조를 형성할 수 있는 반응

연구팀은 직접 에스테르 교환반응을 이용하는 공정과 기존의 해중합 및 재중합 공정을 비교하여 합성 경로와 PET/PEF 조성에 따른 구조와 물성 변화를 체계적으로 분석하였다. 그 결과, PET와 PEF가 단순히 물리적으로 혼합되는 것이 아니라 분자 수준에서 무작위로 배열된 PEFT 공중합체를 형성하는 것을 확인하였다. 이러한 무작위 사슬 구조는 규칙적인 결정 형성을 억제하여 높은 투명성과 향상된 열가공성을 구현하는 동시에, PET와 PEF가 갖는 분자 간 상호작용을 유지하여 우수한 기계적 특성을 확보할 수 있도록 하였다.

▲ PET·PEF 혼합 폐플라스틱의 분리 없는 업사이클링을 통한 고성능 PEFT 공중합체 제조 개념도 

특히 개발된 PEFT 소재는 우수한 기계적 성능과 가스 차단 특성을 동시에 나타냈다. P50 소재는 101 MPa의 높은 인장강도를, T20 소재는 378%의 높은 파단신율을 나타내어 기존 상용 고분자 대비 우수한 강도와 연성의 균형을 확보하였다. 또한 P50은 PET 대비 수분 및 산소 차단 성능이 각각 약 2배와 3배 향상되었으며, 이를 바탕으로 식품 포장용 필름과 용기 등 실제 포장 소재로서의 활용 가능성을 확인하였다.

또한, 연구팀은 Aspen Plus 기반 공정 시뮬레이션과 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 통해 환경적 효과도 검증하였다. 분리 및 해중합 공정을 생략한 T20 공정은 0.83 kg CO₂ eq.의 온실가스 배출량을 나타내어 기존 재활용 PET 대비 약 53% 감소한 것으로 나타났다.

본 연구는 향후 PEF의 상용화 확대에 따라 발생할 수 있는 PET·PEF 혼합 폐기물 문제에 선제적으로 대응하여, 분리의 대상이었던 혼합 폐플라스틱을 새로운 고성능 소재로 전환하는 순환형 소재 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

서강대학교 연구팀은 “이번 연구는 PET와 PEF의 구조적 유사성을 활용하여 혼합 폐플라스틱을 별도의 분리 공정 없이 고성능 소재로 전환할 수 있음을 보여주었다”며, “향후 PEF 상용화에 따른 새로운 혼합 폐플라스틱 문제에 대응하고, 고성능·저탄소 순환형 플라스틱 기술로 확장될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

연구 결과는 재료 및 에너지 분야의 국제 저명 학술지 Journal of Materials Chemistry A에 “Separation-free upcycling of emerging PET/PEF waste streams into high-performance PEFT copolymers via direct melt transesterification” 제목으로 게재되었다.

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

(2) 논문 링크: https://doi.org/10.1039/D6TA04823D