스스로 복구하는 '괴물 플라스틱'

[흑룡]

스스로 복구하는 ‘괴물 플라스틱’

전기기기나 생활용품 등에 폭넓게 사용되고 있는 플라스틱. 이 플라스틱 내부에 생긴 상처가 자발적으로 회복되어 나간다는 전혀 새로운 ‘자체 복구 플라스틱’이 개발되어 실용화 단계에 이르렀다.

이 플라스틱은 ‘자체 복구 과정에서는 산소를 필요로 하고, 복구가 완료되면 배설물까지 배출’하는 등 언뜻 보면 생물과 같은 성질을 가져 학문적으로도 흥미로운 대상이 되고 있다.

▲ 자체 복구 시스템을 구축하는 데 활용된 공학용 플라스틱의 하나인 폴리페닐렌 에테르(PPE)

우리의 일상 생활 곳곳에서 사용되고 있는 플라스틱은 열화하기 쉬워 제품으로서의 수명이 짧다는 결점이 있다.

그래서 열화되지 않는 강한 재료를 만들려는 것이 지금까지 재료 연구의 큰 과제였고 또한 연구 방향이었다.

그럼에도 불구하고 우리가 사용하고 있는 플라스틱의 수명은 보통 10년에 불과하다.

플라스틱보다 훨씬 약한 재료로 구성되어 있는 인간의 수명은 100년쯤 된다. 생물은 상처가 난 곳을 스스로 회복시키면서 살아가기 때문이다.

10개월 가량 기업과 공동연구

일본 나고야 대학 대학원의 다케다 교수는 이러한 생물의 자체 복구 메커니즘을 인공 재료에 응용하여 생물처럼 스스로 회복하는 플라스틱을 만들어내는 데 성공했고 이미 10개 정도의 일본 기업과 공동 연구를 거쳐 구체적인 제품의 부품으로 사용하고 있다.

플라스틱은 ‘범용 플라스틱’ ‘공학용 플라스틱’ ‘초공학용 플라스틱’으로 크게 나눌 수 있다. 범용 플라스틱으로는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 염화비닐 등을 들 수 있고 일상적으로 사용하는 빨래집게나 랩 등에 쓰인다. 그 수명은 5~6년 정도이다. 공학용 플라스틱에는 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리옥시메틸렌 등이 있다. 자동차 부품, 전기·전자 부품 등에 이용되며 범용 플라스틱보다도 일반적으로 값이 비싸고 수명은 약 10년이다.

초공학용 플라스틱은 아주 가혹한 상황에서만 사용되는 것으로 주로 항공·우주 부품에 이용되고 있다. 가격이 매우 비싸고 주문에 따라 100년 정도의 수명을 가진다.

일상적으로 쓰이는 플라스틱의 수명이 짧은 주원인은 플라스틱의 내부에 생기는 ‘상처’ 때문이며 이것은 열화로 이어진다. 그렇다면 열화는 어떻게 생기는 것일까?

플라스틱은 탄소와 수소 그리고 산소 분자가 다수 결합하여 끈 모양으로 된 ‘고분자’로 이루어진다. 이 고분자의 끈끼리 복잡하게 얽혀 플라스틱은 고체로서의 강도를 갖게 된다. 보통 플라스틱의 경우, 한 가닥의 끈마다 약 7군데가 얽히면 인간이 사용하여도 충분한 강도가 된다.

열화는 이 끈이 끊어짐으로써 생긴다. 그 원인은 태양의 자외선이나, 인간이 사용함으로써 가해지는 힘 등이다.

예를 들어 7군데에 얽혀 있던 끈이 한가운데 부분에서 끊어졌다고 하자. 그러면 얽힘의 수가 반감한 두 가닥의 끈이 된다. 이 반응이 진행되어 플라스틱 내부에 있는 고분자 끈 전체의 얽힘이 줄어든 상태가 바로 열화 상태이다.

햇빛을 계속 쬔 플라스틱 물통에 물을 넣었다가 들어올리려고 하면 ‘탁’ 하고 물통이 깨지는 경험을 아마 한 번쯤 했을 것이다. 이 상태는 한 가닥의 끈마다 평

균적으로 네 군데밖에 얽혀있지 않은 상태이다.

보통의 플라스틱은 사용할수록 열화가 진행된다. 그래서 공업 제품의 재료에는 ‘자외선 흡수제’라는 열화를 억제하기 위한 물질이 혼합되는 경우가 있다. 도료를 칠하는 것도 하나의 대책이다. 그럼에도 불구하고 열화는 계속 진행된다.

‘자체 복구 플라스틱’은 끊어진 고분자의 끈이 다시 자발적으로 이어져 나가는 재료이다. 열화의 진행을 멈추도록 복구가 이루어지는 것이다. 그렇다고 수명이 무한대로 연장되는 것은 아니다. 보통의 플라스틱 등에 비해 열화되는 정도가 사용할수록 엄청나게 차이가 나서 아주 오랫동안 쓸 수 있다.

전혀 새로운 학문 영역

다케다 교수는 처음에는 공학용 플라스틱의 하나인 ‘PPE(폴리페닐렌 에테르)’라는 플라스틱으로 자체 복구 시스템을 구축하는 데 성공하였다. 간단히 말해 상처의 응급 처치를 위한 ‘반창고’와 상처를 아물게 하는 ‘보수제’를 PPE 안에 섞어 둔 것이다.

보수의 메커니즘은 간단하다. 먼저 어떤 외적 요인이 PPE 안의 고분자에 작용했다고 하자. 이때 분자의 결합을 담당하고 있던 전자가 떨어져 나가 고분자가 절단되고, ‘유리된 전자(짝을 이루지 못하는 홑전자)’가 생긴다. 열화의 시작이다. 그러면 이 홑전자에 대하여 미리 만들어진 ‘보수제’가 다가간다. PPE에서는 구리가 보수제의 역할을 한다.

이때 중요한 것이 반창고 역할을 하는 수소이다. 자체 복구 작용을 하는 PPE에는 수소를 공급하기 위한 ‘수소 공급제’가 미리 들어가 있으며, 여기서 나온 수소가 절단 부분에서 생긴 홑전자 쪽으로 다가와서 결합한다.

자체 회복은 이로써 완료된다. 그러나 반응은 계속된다. 이번에는 구리가 대기

로부터 공급되는 산소와 반응한다. 산소에 1개의 전자를 주고, 구리는 2가로 되돌아가 다시 보수제로서의 능력을 갖게 된다. 그리고 이때의 반응으로 생긴 산소 이온과 반창고의 역할을 하는 수소 이온이 반응하여 배설물로서 물(분자)이 생긴다. 플라스틱에서 생물처럼 배설물이 나온다는 것은 매우 재미있는 현상이 아닐 수 없다.

그러나 자체 복구 플라스틱을 처음 발표한 1997년 10월의 국제고분자학회에서는 누구 하나 이 연구를 믿으려 하지 않았다. 자체 복구는 구리 등의 촉매가 상처 부분에 작용하여 일어난다는 이론이다. 하지만 플라스틱은 고체이다.

고체 속에서 구리 등의 원자나 분자가 유동적으로 움직이는 일이 과연 가능한가? 많은 연구자들은 고체 안에서 촉매가 절단된 부분 쪽으로 움직여 나간다는 것은 있을 수 없다는 결론을 내렸다.

화학 반응이라면 일반적으로 수용액이나 대기 중 같은, 반응하는 분자가 유동적으로 움직일 수 있는 곳에서 생긴다는 것이 상식이다. 그 상식이 ‘자체 복구 반응’에 대한 이해를 방해하고 있었다.

하지만 5~10nm(나노미터·10억분의 1m)라는 영역에서는 플라스틱이 액체 정도의 유동성을 가진다. 즉 절단된 고분자의 말단 부분과 촉매가 5~10nm라는 영역 안에 있으면 자체 복구 반응이 일어나는 것이다. 이 반응은 절단된 부분에 있는 몇 개 단위의 분자가 관여할 뿐이어서 ‘화학 평형’ 등의 개념을 사용할 수 없다. 어쩌면 ‘자체 복구 반응’은 학문적으로 전혀 새로운 영역인지도 모른다. 다케다 교수는 요즘 거꾸로 국제고분자학회로부터 초청을 받아 강연을 하고 있다.

자체 복구 플라스틱의 등장은 다양한 재료에의 응용을 예고하고 있다. 플라스틱만이 아니라 금속이나 세라믹스 등 모든 인공 재료가 자체 복구성을 갖추고 열화에 스스로 대처하게 될 것이다.

자원이 자꾸만 줄어들고 있는 현실에서, 보다 오래 쓸 수 있는 자체 복구 재료의 개발은 자원 절약이라는 경제적인 면뿐만 아니라 환경 문제도 내다본 연구이다.

김형자 과학 프리랜서