연구에 참여한 부산대 김채빈 교수(왼쪽)와 박진영 학생. (사진=부산대 제공)

접착제나 타이어 고무처럼 한 번 경화(단단하게 굳어짐)되면 분자구조가 변해 재가열을 해도 녹지 않는 ‘열경화성 고분자’는 우리 주변 곳곳에 쓰이지만, 재활용이 어려워 전량 폐기돼 왔다.

그러나, 지금까지 불가능했던 열경화성 고분자의 재가공과 수리가 가능하도록 한 최신 연구성과가 부산대학교에서 나왔다. 특히 이번 연구는 빛에 반응하는 촉매를 사용해 ‘필요한 부위를 원하는 시간에’ 재활용할 수 있어 상용화 기대감을 높이고 있다.

부산대학교는 응용화학공학부 김채빈 교수 연구팀이 재가공과 수리가 불가능했던 열경화성 고분자를 재가공 및 수리 가능한 비트리머로 전환하는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

전 세계적으로 대두되는 환경 문제로 인해 재활용 가능한 고분자와 이의 효율적인 재활용 방법에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다.

현존하는 고분자 재활용법 중 가장 간단하고 친환경적인 재활용법은 열가공을 통해 폐고분자를 녹여 고치거나 새로운 제품을 만드는 물질 재활용인데, 열가소성 고분자와 달리 열경화성 고분자는 다양한 쓰임에도 불구하고 사슬 간 영구적 화학 결합으로 가교(架橋)된 3차원 그물망 조직을 갖고 있어 열가공과 물질 재활용이 불가능했다.

이러한 제한점에 주목해 부산대 김채빈 교수팀은 열가공이 불가능한 열경화성 고분자를 열가공 가능한 비트리머로 전환하는 광화학적 접근법을 개발, 적용에 성공했다.

이를 위해 연구팀은 열적으로 안정된 광잠재성 촉매를 모델 열경화성 고분자와 혼합했다. 광잠재성 촉매를 포함한 열경화성 고분자 시료에 빛을 쪼인 후 가열을 통해 분자 사슬 간 가교 결합의 가역적 교환 반응을 활성화했는데, 그 결과 열경화성 고분자가 재가공 및 자가치유가 가능해진 것으로 나타났다. 반면, 빛을 주지 않은 시료의 경우 재가공뿐만 아니라 자가치유도 구현되지 않았다.

예를 들어, 열경화성 고분자 재료로 만드는 타이어 제작 시 빛을 받으면 활성화되는 광잠재성 촉매를 섞는다. 이 타이어에 손상이 가면 ‘필요한 부위에’ 빛을 쪼여 가공성을 확보해 ‘원하는 시간에’ 복구할 수 있게 된다.

연구책임자인 김채빈 교수는 “이번 연구는 열경화성 고분자의 변형 및 수리 가능한 비트리머화를 원하는 시간에, 필요한 부위에 시행할 수 있어 시공간적으로 제어할 수 있다는 점과 지금까지 불가능했던 열경화성 고분자의 물질 재활용을 가능하게 했다는 점에서 중요한 의의를 지닌다”고 밝혔다. 김 교수는 “향후 플라스틱 재활용과 이 기술의 상용화에도 큰 기대를 모으고 있다”고 덧붙였다.

이번 연구는 부산대 응용화학공학부 박진영 석사과정생이 제1저자, 김채빈 교수가 교신저자로 수행했으며, 같은 학과 현규 교수팀과 안석균 교수팀이 공동으로 참여했다. 한국연구재단의 우수신진연구와 나노 및 소재 기술개발사업의 지원을 받았다.

이 같은 연구결과는 에너지 및 친환경 재료 분야의 저명 국제학술지인 'Journal of Materials Chemistry A' 지난 3월 28일자에 게재됐다.