KAIST, 폐플라스틱 재활용 높이는 ‘해중합 기술’ 개발

폐플라스틱의 재활용을 더 가속할 수 있도록 KAIST 연구진이 해중합 온도를 낮출 수 있는 원리를 발견하는 데 성공했다.

KAIST는 화학과 서명은 교수 연구팀이 고분자 자기조립을 활용해 고분자의 해중합 온도를 낮추는 방법을 개발했다고 24일 밝혔다.

 

중합은 간단한 분자 수준의 단량체들이 화학적 반응으로 연결돼 거대한 고분자 사슬을 형성하는 것을 말하며, 해중합은 고분자 사슬을 단량체 수준으로 분해하는 것을 말한다.

기존에 고분자를 해중합해 화학적으로 분해하는 방법은 높은 온도가 필요하여 효율성이 낮았다. 연구팀은 고분자 합성과정에서 자기조립이 일어날 때 해중합 온도가 낮아지는 것을 발견했다. 

고분자가 잘 섞이지 않는 용매에서 일어나는 자기조립은 엔트로피에 반해서 질서를 만들어내는 과정이며, 조그마한 분자 단량체들을 서로 이어 거대한 고분자 사슬을 만드는 합성과정 또한 질서를 증대하는 반면, 고분자 사슬을 조각내어 원래 단량체로 돌리는 해중합은 무질서해지는 방향을 향한 변화이다. 

따라서 연구진은 자기조립이 일어나는 상황에서는 질서와 무질서의 균형을 이루기 위해 중합보다 해중합이 우세해지는 결과를 확인했다. 이를 이용해, 천정온도 186℃로 알려진 고분자가, 자기조립이 일어나는 선택적 용매에서는 천정온도가 90℃로 감소해 더 낮은 온도에서 해중합을 유도할 수 있었다.

연구팀은 고분자를 합성한 후 온도를 올려 고분자 나노구조체를 구성하는 사슬을 재사용이 가능한 단량체로 분해했다. 다시 온도를 내리면 분해된 단량체는 다시 중합돼 나노구조체를 형성하는 지속할 수 있는 자기조립 체계를 구현했다. 

나노 구조체의 형상은 사슬의 길이에 따라 달라지기 때문에, 연구팀은 온도를 올리고 내리면 그에 따라 구조체의 모양이 바뀌는 것을 관찰했다. 점도와 같은 물성은 단량체 중에 고분자로 존재하는 비율에 의존하므로 중합‧해중합을 반복하면서 점도를 조절할 수 있는 결과도 확인했다.

연구를 주도한 서명은 교수는 “기존에 고분자를 화학적으로 분해하기 위해서는 높은 온도가 필요해 어려움이 있었지만, 고분자 자기조립을 활용, 해중합 온도를 낮출 수 있었고 이 원리를 활용해 폐플라스틱의 재활용을 더 효율적으로 할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 

이어 “자연이 단백질들을 붙이고 떼는 중합‧해중합 과정을 통해 능동적으로 세포의 모양과 움직임을 조절하는 것처럼, 필요에 따라 물성과 형상을 바꿀 뿐만 아니라 움직임도 가능한 스마트 고분자 소재로 향후 발전시킬 가능성을 탐구하고 싶다ˮ고 덧붙였다.

KAIST 화학과 남지윤 박사가 제1 저자로, 유창수 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여해 수행한 연구 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)'에 지난 8일 자(字)로 온라인 게재됐다.