바다에서도 생분해되는 종이포장재 개발

연세대-KAIST, 종이 코팅으로 인한 미세플라스틱 생성 방지

[아이뉴스24 최상국 기자] KAIST와 연세대 공동연구팀이 바닷물에서 82%까지 생분해되는 종이 포장제를 개발했다고 17일 밝혔다.

생분해성 플라스틱인 폴리비닐 알코올 (PVA)을 코팅재로 활용할 수 있게 개량한 것으로, 기존 폴리에틸렌(PE) 코팅으로 인한 미세플라스틱 생성을 방지하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

녹색화학(Green Chemistry) 저널 최신호 백 커버(back cover) 이미지. 연세대-카이스트 공동연구팀이 해양 생분해성, 생체 적합성, 고차단성, 고강도를 갖는 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅지를 개발했다 [사진=KAIST]

포장재는 전체 플라스틱 소비의 30~50%를 차지하는 미세플라스틱 발생의 주범이다. 종이는 일상에서 흔히 사용되는 포장재이지만, 수분 저항성, 산소 차단성, 강도 등을 보완하기 위해 폴리에틸렌(PE), 에틸렌비닐알코올(EVOH) 등을 코팅해서 쓴다. 이런 물질들은 분해되지 않아 자연환경에 버려지면 플라스틱 오염을 심화시킨다.

대부분의 생분해성 플라스틱은 온도, 습도, 미생물 군집 조성 등 조건이 갖춰진 인공환경에서만 생분해(생물학적 분해)가 일어나고 통제되지 않는 자연환경에서는 분해되지 않는 경우가 대부분이다. 특히 상대적으로 낮은 온도와 미생물 농도를 특징으로 하는 해양환경에서 미세플라스틱 오염이 심각하다.

이러한 문제에 대응해 다수의 바이오 기반 물질, 생분해성 플라스틱 등을 활용한 패키징 소재들이 개발돼 왔으나 패키징 성능이 향상될수록 생분해도가 급격하게 떨어지는 딜레마에 직면해왔다.

연세대학교 패키징및물류학과 서종철 교수 연구팀은 생분해성 플라스틱인 폴리비닐알코올(PVA)에 붕산을 이용해 고물성 필름을 제작했다. 이를 종이에 코팅해 생분해성, 생체 적합성, 고차단성, 고강도를 갖는 패키징 소재를 구현하는데 성공했다. 개발된 코팅 종이는 산소나 수증기에 우수한 차단성을 보이며 물리적 강도를 띄었다. 특히 다습한 환경에서도 높은 인장강도를 유지해 종이의 단점을 획기적으로 극복했다.

KAIST 건설및환경공학과 명재욱 교수, 생명과학과 양한슬 교수팀은 개발한 코팅 종이의 지속가능성을 평가하기 위해 생분해도와 생체적합성을 검증했다. 실험실에서 생분해가 일어나기 가장 어려운 환경인 해양환경을 모방해 코팅지의 생분해도를 측정했다. 물질의 탄소 성분이 이산화탄소로 광물화되는 정도를 111일 동안 분석한 결과 코팅 성분에 따라 59~82% 생분해 되는 것을 확인했다. 전자현미경을 통해 해양 미생물이 코팅 소재를 분해하고 있는 현상을 확인했으며, 쥐를 대상으로 생체적합성을 검증했다고 밝혔다.

붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅 종이의 해양환경에서의 수명종료 시나리오. 코팅 종이는 파도, 조수와 생물학적 작용으로 단위체로 분해되며 탄소 성분은 궁극적으로 해양 미생물에 의해 광물화된다.[사진=KAIST]

명재욱 교수는 "붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅지는 인위적인 퇴비화 조건이나 하수처리 시설이 아닌 자연환경에서 생분해되며 저독성 물질이기 때문에 의도치 않게 버려지더라도 환경오염을 심화시키지 않아 잠재적으로 플라스틱 포장재의 지속가능한 대체재가 될 수 있다”고 말했다.

고성능 종이 코팅 개발 연구를 주도한 연세대학교 서종철 교수는 “난분해성 플라스틱 포장의 대체가 가능한 친환경 종이포장 기술을 개발했다. 소재 디자인, 응용, 폐기 등 전 과정의 체계적인 연구 결과를 기반으로 산업적 응용이 될 것으로 기대한다" 라고 전했다.

연구진 사진. (왼쪽부터) 명재욱 교수, 최신형 박사과정, 양한슬 교수, 서종철 교수, 박기태 석박사 통합과정 [사진=KAIST]

이번 연구는 한국연구재단과 농림식품기술기획평가원 등의 지원으로 수행됐으며, 관련 논문은 친환경 지속가능과학·기술 분야, 식품과학·기술 분야에서 권위 있는 학술지인 'Green Chemistry', 'Food Chemistry' 등에 온라인으로 출판됐다.

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)

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