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부산대 김일 교수팀, 이산화탄소로 고부가가치 플라스틱 제조 기술 개발

- 이산화탄소를 에폭시계 단량체와 중합해 카보네이트계 폴리올 제조 성공

- 독성물질 배제해 위험도 낮추고, 사용 후 생분해까지…기존 공정에 바로 투입

- 배출가스 자원화, 지구온난화 해결…탄소중립 실현 핵심 전략 작용 기대

  • 디지털뉴스부 기자
  •  |   입력 : 2023-07-13 09:54:42
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□ 배출가스에서 나오는 이산화탄소로 고부가가치 플라스틱을 제조할 수 있는 기술이 국내 부산대학교 연구진에 의해 개발됐다. 배출가스 자원화와 지구온난화 해결 등 전 지구적으로 관심이 높은 탄소중립 실현을 위한 핵심 전략으로의 작용이 기대된다.
□ 부산대학교(총장 차정인)는 응용화학공학부 김일 교수 연구팀이 이산화탄소를 에폭시계 단량체와 중합(polymerization)해 다양한 구조와 기능성을 가진 카보네이트계 폴리올을 제조하는 기술을 새롭게 개발했다고 13일 밝혔다.

- ‘폴리올’은 일상생활에서 널리 사용되고 있는 폴리우레탄의 핵심 원료로, 이산화탄소가 들어간 플라스틱 제조가 가능해진 것이다.

□ 이산화탄소 활용 분야는 산업구조상 이산화탄소 배출양이 높은 우리나라의 탈탄소를 위한 핵심 전략수단이다. 2030년 우리나라의 온실가스 감축 목표는 연간 1,030만 톤이며, 2050년 목표는 최대 8,520만 톤까지 확대했다. 이를 달성하기 위해서는 매우 도전적인 노력이 필요하다.

- 2022년 과학기술정보통신부의 탄소중립기술특별위원회는 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS, Carbon Capture Utilization and Storage) 기술을 ‘탄소중립 기술혁신 전략 로드맵’에 포함시켰다.

□ 이산화탄소는 드라이아이스나 탄산음료의 원료로 사용할 수 있을 정도로 안정돼 있어 화학반응 원료로 사용하기는 매우 어렵다. 유용한 반응을 유도하기 위해 부산대 김일 교수팀은 값싼 금속촉매를 개발했다. 그 결과 이산화탄소를 에폭시계 단량체와 중합해 카보네이트계 폴리올을 제조하는 데 성공했으며, 제조과정에서 고분자의 기능성과 구조의 정교한 조절도 달성했다.

○ 폴리올은 우리 일상생활에서 가장 널리 사용되고 있는 폴리우레탄인 연질(스펀지) 및 경질(건축내장재) 발포제품을 제조하는 핵심 원료다. 시장이 연평균 6% 이상 성장하고 있으며 2027년까지 전 세계 시장 규모가 약 500억 달러에 이를 것으로 추산된다.

- 현재는 전량 에테르계 폴리올을 원료로 사용하고 있으나 이산화탄소 활용기술에 대한 전 세계적인 관심과 절박함이 관련 기술 연구의 촉매제가 되고 있다. 그러나 기술 선도국조차도 제품화가 쉽지 않은 상황에서, 이번에 김일 교수팀이 이를 위한 탄소 전환·활용 기술의 하나를 개발함으로써 이산화탄소가 들어간 폴리올로 기존 폴리올의 상당 부분을 대체할 수 있게 된 것이다.

□ 김일 교수팀에서 개발한 이산화탄소 함유 카보네이트계 폴리올은 기존의 에테르계 폴리올을 손쉽게 대체할 수 있도록 폴리올 말단의 기능기(機能基, 유기화합물의 성질을 결정하는 원자단)와 점도를 조절했다. 이를 통해 시스템화 돼 있는 현재의 폴리우레탄 공정에 바로 투입할 수 있다. 이는 새로운 설비나 제조 장비 투자를 하지 않고도 그대로 활용할 수 있다는 이점이 된다.

○ 연구팀은 반응을 일으키는 기능기를 변화시켜, 폴리우레탄 원료로 쓰이지만 독성이 있어 특히 화재 시 일산화탄소보다 위험한 이소시아네이트를 사용하지 않고도 폴리우레탄을 제조할 수 있도록 설계했다.

- 이소시아네이트를 사용하지 않아 연소 시 유독물질과 그을음이 종래의 폴리우레탄보다 아주 적어 화재 시 질식에 의한 사망률도 획기적으로 낮출 수 있다. 카보네이트계 폴리올로 제조한 폴리우레탄은 사용 후 생분해가 쉽게 일어나 미세플라스틱 발생과 같은 부수적인 문제도 줄일 수 있다.

□ 국제에너지기구(IEA)는 CCUS(이산화탄소 포집·활용·저장) 기술 활용을 전 세계 각 국가에 주문하고 있으며, 이를 통해 세계 온실가스 감축량의 약 19%를 담당하게 될 것이라는 보고서를 냈다. 미국 인터넷 매체인 ‘복스(Vox)’에서는 최근 CCUS가 2030년까지 약 1조 달러의 시장이 될 만큼 유망한 산업이라는 특집 기사를 게재하기도 했다.

○ 현재 대부분의 화학제품들은 석유를 원료로 사용하고 있으며, 생산 과정에서 대량의 이산화탄소가 배출된다. 김일 교수팀이 개발한 값싼 이산화탄소를 전환·활용한 카보네이트 폴리올 제품은 가격 경쟁력도 갖추고 있어 한계돌파형 기술혁신의 하나가 될 것으로 기대된다.

○ 김일 교수는 “이산화탄소를 카보네이트계 폴리올 제조를 위한 원료로 활용할 경우 환경문제를 해결함은 물론 현재 폴리우레탄 제품의 여러 가지 문제를 해결함과 동시에 고부가가치 제품을 창출하는 일거양득(一擧兩得)의 효과를 기대할 수 있을 것”이라고 말했다.

□ 이번 연구는 한국연구재단의 개인기초연구와 산업통상자원부에서 시행한 산업기술혁신사업의 기술개발 중 포집 CO₂ 활용 고부가 케미컬 제조 실증기술 개발의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제 학술지 『저널 오브 CO₂ 유틸라이제이션(Journal of CO2 Utilization)』 7월 7일자 온라인에 게재됐다.

- 논문 제목: Prussian blue analogs as catalysts for the fixation of CO₂ to glycidol to produce glycerol carbonate and multibranched polycarbonate polyols - 논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982023001415

○ 또한, 연구팀은 여러 건의 관련 특허(대한민국 특허 KR2021112897, KR2021087677, KR2020126635, 세계 특허 WO2021137632 외 20건)를 출원해 국내는 물론 세계 최고 수준의 기술개발을 선도하고 있다.
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