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최종편집2022-05-18 19:59 (수) 기사제보 구독신청
김용진 수석연구원, 바이오플라스틱 대중화 시대 연다
김용진 수석연구원, 바이오플라스틱 대중화 시대 연다
  • 노철중 기자
  • 승인 2021.12.01 14:12
  • 댓글 0
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페트병 대체할 화합물 제조 원천기술 개발
김용진 수석연구원이 실험을 진행하고 있다. 한국생산기술연구원
김용진 수석연구원이 실험을 진행하고 있다. <한국생산기술연구원>

[인사이트코리아=노철중 기자] 현재 학계와 산업계의 최대 화두는 ‘탄소중립’이다. 탄소중립은 쉽게 말해 산업 현장과 실생활에서 탄소 배출량을 ‘0’으로 만드는 것이다. 학계에서 친환경 기술을 개발하면 산업계는 이를 상용화하는 식으로 협력이 이뤄지는 추세다. 정부는 2030년까지 탄소 배출량을 2018년 대비 40% 감축하고, 2050년까지 탄소중립을 달성하겠다는 목표를 제시했다.

환경오염을 일으키는 주요 원인 중 하나인 플라스틱을 대체할 수 있는 바이오플라스틱을 개발하는 것도 중요한 과제 중 하나다. 대표적 생분해성 바이오플라스틱으로는 옥수수계 플라스틱으로 불리는 PLA, 순수 미생물 기반의 PHA, 화학적 합성을 통해 자연계에서 완전 생분해가 가능한 PBS·PBAT 에스터계 생분해성 플라스틱 등이 있다.

김용진 한국생산기술연구원 친환경융합소재연구부문 수석연구원(박사)은 2017년 ‘바이오매스 유래 퓨란계 화합물(FDCA) 제조용 신촉매 상용화 기술’을 개발해 한국공학한림원의 ‘2025년 미래 100대 기술 및 그 주역’에 선정됐다. 바이오매스(동식물·미생물 등 생물유기체의 총칭)를 페트(PET)병을 대체할 수 있는 바이오플라스틱의 주요 원료인 FDCA로 전환시키는 촉매 기술을 개발한 것이다. 최근에는 이보다 진일보한 ‘지속 가능 자원기반 화학적 촉매 전환기술’ 개발에 성공했다. <인사이트코리아>는 김용진 박사로부터 수행하고 있는 연구에 대한 설명과 이 기술이 ‘탄소중립’ 사회에서 어떤 역할을 할 수 있을지 들어봤다.

연구하고 있는 신촉매·신공정 기술은 구체적으로 어떤 것인가.

“신촉매·신공정 기술은 크게 C1가스(이산화탄소·일산화탄소) 전환과 바이오매스 전환용 기술로 나눌 수 있다. 두 기술 모두 고활성 촉매개발이 중요하다. C1가스 전환 기술은 주로 산업계에서 다량 배출되고 있는 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO)와 같은 C1 가스를 촉매로 이용해 폴리우레탄의 원료가 되는 물질(단량체)로 전환하는 기술을 지칭한다. 바이오매스 전환 기술은 재생 가능한 식물계 바이오매스를 페트(PET)를 대체할 바이오플라스틱의 주요 원료로 사용될 수 있는 퓨란계 화합물(FDCA·FDMC 등)로 전환시킬 수 있는 기술을 지칭한다. 현재 다루고 있는 C1 가스 중 특히 CO2는 지구온난화 유발 물질인 동시에 값싼 원료이며, 바이오매스는 자연계에서 순환이 가능하므로 이 두 가지 원료를 이용해 일상생활에 밀접한 고분자 단량체(기존은 석유원료를 사용)를 제조할 수 있다면, 기후위기에 대처할 수 있을 뿐 아니라 탄소중립 실현과 경제성이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 기술이라 할 수 있다.”

2017년 개발한 바이오매스 유래 퓨란계 화합물(FDCA) 제조기술과 올해 개발에 성공한 신기술의 차이점은 무엇인가.

“2017년 개발된 FDCA 제조기술은 앞서 언급했던 퓨란계 화합물의 대표적인 물질을 고수율로 제조할 수 있는 기술이다. 최근 연구에 있어서 진척이 있었던 기술은 FDCA 뿐 아니라 FDCA 분자에 있는 이중결합을 없앤 ‘THFDCA’와 FDCA의 카르복실산 그룹을 환원시킨 ‘FDM’, 이중결합을 없앤 ‘THFDM’을 제조할 수 있는 신촉매 공정을 개발했다는 데에 의의가 있다. FDCA, THFDCA, FDM, THFDM 화합물은 모두 바이오 폴리에스터·폴리우레탄의 중요한 단량체로 사용될 수 있다. 또 THFDCA를 바이오 나이론의 원료가 될 수 있는 아디픽산(AA·adipic acid)으로 전환할 수 있는 촉매공정기술도 개발된 상태다.”

이번에 개발한 플랫폼 단량체 제조기술은 무엇인가.

“FDCA, THFDCA, FDM, THFDM, AA는 모두 식물계로부터 제조될 수 있는 ‘5-HMF’로부터 만들 수 있다. 그래서 5-HMF를 플랫폼 화합물이라고 지칭한다. 우리 연구실은 백자연 박사님 주도로 5-HMF를 효과적으로 제조할 수 있는 촉매공정 기술도 함께 연구 중이며 의미 있는 연구 결과가 도출되고 있다.”

다양한 단량체를 제조하는 원천기술 포트폴리오 100여건을 보유한 것으로 알고 있다. 그만큼 이 분야 연구 대가라고 할 수 있는데, 관련 연구의 국내외 동향은 어떠한가.

“C1과 바이오매스 전환기술 중 C1 전환기술은 박사과정 때부터 약 27년간 연구했던 테마이고 바이오매스 전환은 생기원 입사 이후부터 연구했던 테마다. 한 분야를 이렇게 길게 연구할 수 있었던 것도 연구자로서 큰 복이라 할 수 있다. 최근 탄소중립이 중요한 화두로 부각되면서 더욱 어깨가 무거워 졌다. 과거에는 정부출연연구기관의 소수 연구자가 원천기술 수준으로 연구를 진행했던 반면 최근에는 LG화학, SK케미칼, SKC, 대상, CJ, BGF까지 바이오폴리머 상용화에 큰 관심을 보이고 있는 추세로 바뀌었다. 원천기술에 머물렀던 기술이 상용화 기술로 꽃을 피울 수 있는 호기라 판단되며, 길목 기술로 표현될 수 있는 우리 그룹의 기술이 상용화까지 갈 수 있도록 더욱 노력하겠다.”

가장 도전해보고 싶은 대체플라스틱이 있나. FDCA는 페트병을 대체하고 PBAT는 비닐봉지와 빨대 등을 대체할 수 있는 것으로 안다.

“PBAT는 생분해도가 매우 좋은 차세대 플라스틱으로 각광받고 있다. 하지만 이 단량체는 모두 석유계 출발물질을 사용해 제조하고 있다. 우리 그룹은 이 단량체 중 바이오 아디픽산(AA)과 테레트탈산(PTA)의 대체물질인 FDCA 제조기술을 개발한 상태다. 현재 석유계에서 출발한 PBAT 제조를 바이오 단량체를 사용해 제조한다면 생분해성뿐 아니라 탄소중립에도 기여할 수 있는 바이오플라스틱이 될 수 있으므로 의미가 있다고 본다. 참고로 생분해성 플라스틱은 미세플라스틱 저감에는 효과가 있지만 빨리 생분해가 되면 결국 탄소를 배출하게 되므로 탄소중립과는 거리가 있는 개념이다.”

FDCA 제조 기술을 이전한 기업은 SK케미칼로 알려져 있다. 상용화 연구가 진행 중인 것으로 아는데 어느 단계까지 이뤄졌나.

“SK케미칼의 내부 상황으로 현재 해당 기술은 홀딩 돼 있는 상태다. 최근 대기업 중심의 바이오플라스틱 개발 의지가 제고되고 있는 상황이므로 좋은 소식을 기다리고 있다.”

정부가 목표로 제시한 2050년 탄소중립은 실현 가능할 것으로 보나.

“바이오플라스틱에 대한 기업과 국민의 의지가 매우 높은 시점이다. 결국, 기업의 의지가 가장 중요한데, 낙관적으로 바라보고 있다.”

향후 어떤 연구 계획을 가지고 있나.

“연구 키워드는 C1과 바이오매스다. 이 두 가지 키워드가 연구 인생의 시작이자 마지막이 될 것 같다. 특히 최근에는 C1 가스 중 산업체에서 대량 발생되는 CO(일산화탄소·합성가스 중 하나로 정밀화학에서 매우 중요한 가스임)를 이용해 차세대 불연성 유기카보네이트를 고수율로 제조할 수 있는 세계 최고 수준의 촉매를 개발했다. 최근 전기차 화재사고가 큰 이슈가 되고 있는데 이는 리튬 2차전지 소재의 노후화와 불량(분리막 찢김 등)에서 촉발된 발화가 인화점이 낮은(불이 잘 붙는) 전해액(DMC 등)으로 인해 발화 상황이 가속되는 까닭이다. 우리 연구팀이 개발한 차세대 불연성 유기카보네이트를 DMC 대신 사용하게 되면 리튬 2차전지의 발화문제가 상당 부분 해결될 것으로 기대한다. 차세대 전고체 전지가 화두이긴 하지만 개인적인 의견으로는 이의 상용화는 앞으로 10년 이상 더 걸릴 것으로 판단되므로 불이 붙지 않는 전해액의 개발은 향후 전기자동차 시장에서 중요한 위치를 차지할 수 있을 것으로 판단된다.”

이런 연구가 기반이 돼 펼쳐질 미래 사회 모습이 궁금하다.

“모든 플라스틱이 바이오 유래 플라스틱으로 대체 돼 석유 의존도를 낮추고 국민들이 친환경 패러다임에 더 가까이 다가가서 생활하는 모습, 그리고 더 이상 자동차에 불이 날까봐 걱정하지 않아도 되는 세상 정도로 그려진다.”

인사이트코리아, INSIGHTKOREA

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