【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=생분해 플라스틱이 친환경 대안으로 주목받고 있지만 높은 생산비와 제한적인 환경성은 여전히 해결 과제로 꼽힌다. 이런 가운데 국내 연구진이 목재 가공 과정에서 발생하는 부산물을 활용해 성능과 경제성, 친환경성을 동시에 끌어올릴 수 있는 기술을 개발해 주목받고 있다.

▲ 페놀화 리그닌과 폴리(부틸렌 아디페이트-co-테레프탈레이트) 사이의 계면 상용성 향상을 통한 환경성 및 경제성 개선 효과  © 포스텍

POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 한지훈 교수 연구팀은 통합과정 권기현 씨, 한국과학기술연구원(KIST) RAMP융합연구단 최용석 선임연구원, 전남대학교 석유소재화학공학과 변재원 교수와 공동으로 목재 부산물인 ‘리그닌(lignin)’을 활용해 생분해성 플라스틱의 물성을 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 최근 화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal 온라인판에 게재됐다.

현재 생분해성 플라스틱 가운데 대표 소재로 꼽히는 PBAT는 일정 조건에서 분해가 가능해 포장재와 농업용 비닐 등에 활용 가능성이 크다. 그러나 주요 원료가 석유 기반인 데다 생산단가가 높다는 한계를 안고 있다. 여기에 식물 유래 성분을 첨가하는 기존 방식은 소재 간 상용성이 낮아 함량이 늘어날수록 강도가 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 리그닌의 화학 구조를 다각도로 변형해 PBAT와 가장 안정적으로 결합할 수 있는 ‘페놀화 리그닌’을 도출했다. 이 소재는 PBAT 내부에 최대 20중량%까지 균일하게 분산됐으며, 플라스틱의 내구성과 인성을 오히려 향상시키는 결과를 보였다.

특히 이번 기술은 경제성과 환경성 측면에서도 긍정적인 효과를 입증했다. 연구팀 분석 결과, 페놀화 리그닌을 적용한 경우 기존 PBAT 대비 온실가스 배출량은 약 11% 줄고 생산 비용은 약 12% 절감되는 것으로 나타났다. 친환경 소재는 가격이 비싸고 성능이 떨어진다는 기존 인식을 뒤집는 성과라는 평가다.

추가적으로 페놀화 리그닌은 우수한 광 차단 성능도 갖춘 것으로 확인됐다. 이에 따라 햇빛 차단이 중요한 농업용 멀칭 필름 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능성이 클 것으로 기대된다.

한지훈 교수는 “리그닌의 화학적 개질만으로도 플라스틱과의 상용성을 크게 높일 수 있다는 점을 확인했다”며 “상용화가 이뤄진다면 일상 속 친환경 소재 선택의 폭을 넓히는 계기가 될 것”이라고 말했다.

최용석 KIST 선임연구원은 “친환경 소재 역시 충분한 성능 경쟁력을 확보할 수 있음을 보여준 사례”라며 “바이오 기반 복합소재 산업 확대의 중요한 출발점이 될 것”이라고 평가했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 ‘석유 대체 원료 기반 친환경 화학소재 개발’ 사업과 국가과학기술연구회 융합연구단의 ‘재활용 가능한 미래 에어모빌리티 구조용 소재 경량화 플랫폼 기술 개발’ 지원을 받아 수행됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

POSTECH Research Team Overcomes Limitations of Biodegradable Plastics Using Wood By-products

While biodegradable plastics are garnering attention as an eco-friendly alternative, high production costs and limited environmental sustainability remain challenges. Amidst this, a team of domestic researchers is drawing attention for developing a technology that simultaneously enhances performance, economic efficiency, and eco-friendliness by utilizing by-products generated during the wood processing process.

A research team led by Professor Jihun Han of the Department of Chemical Engineering at POSTECH (Pohang University of Science and Technology), in collaboration with integrated graduate student Kihyun Kwon, Senior Researcher Yongseok Choi of the RAMP Convergence Research Group at the Korea Institute of Science and Technology (KIST), and Professor Jaewon Byun of the Department of Petroleum Materials and Chemical Engineering at Chonnam National University, announced that they have succeeded in improving the physical properties of biodegradable plastics by utilizing "lignin," a wood by-product.

The results of this research were recently published online in the international academic journal Chemical Engineering Journal.

PBAT, currently considered a representative material among biodegradable plastics, has great potential for use in packaging materials and agricultural vinyl due to its ability to decompose under certain conditions. However, it faces limitations as its main raw material is petroleum-based and production costs are high. The conventional method of adding plant-derived components suffered from low compatibility between materials, resulting in a decrease in strength as the content increased.

The research team modified the chemical structure of lignin in various ways to derive "phenolated lignin," which can bind most stably with PBAT. This material was uniformly dispersed within the PBAT up to a maximum weight of 20%, demonstrating results that actually improved the durability and toughness of the plastic.

In particular, this technology has proven positive effects in terms of economic and environmental benefits. According to the research team's analysis, the application of phenolated lignin resulted in approximately 11% reduction in greenhouse gas emissions and a 12% reduction in production costs compared to conventional PBAT. This achievement is evaluated as overturning the existing perception that eco-friendly materials are expensive and have inferior performance.

Additionally, phenolated lignin was confirmed to possess excellent light-blocking performance. Accordingly, it is expected to have significant potential for application in various industrial fields, such as agricultural mulching films where sunlight blocking is critical.

Professor Han Ji-hoon stated, “We have confirmed that chemical modification of lignin alone can significantly enhance compatibility with plastics,” adding, “If commercialization is achieved, it will serve as an opportunity to broaden the range of eco-friendly material choices for everyday use.”

Choi Yong-seok, a senior researcher at KIST, assessed the findings, saying, “This is a case demonstrating that eco-friendly materials can also secure sufficient performance competitiveness,” and “It will serve as an important starting point for the expansion of the bio-based composite materials industry.”

Meanwhile, this research was conducted with support from the Ministry of Science and ICT’s ‘Development of Eco-friendly Chemical Materials Based on Petroleum Substitute Raw Materials’ project and the National Science and Technology Council’s Convergence Research Group’s ‘Development of Lightweight Platform Technology for Recyclable Future Air Mobility Structural Materials.’