새우 껍질로 만든 분해가 가능한 바이오플라스틱 :: 전체

미국 하버드 대학 산하 비스 연구소(Wyss Institute; Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) 소속의 연구진은 새우 껍질(shrimp shell)에서 격리된 완전히 분해가 가능한 바이오플라스틱(bioplastic)을 이용하여 휴대 전화에서 식품 용기와 장남감에 이르는 일상 제품의 대규모 제조에 적용할 수 있는 방법을 개발했다. 바이오플라스틱으로 만들어진 제품은 합성 플라스틱으로 만든 제품과 동일한 특성을 나타내지만, 환경 위협은 없었다. 또 이러한 방안은 식량 공급과 경쟁을 하지 않고 나무에 전혀 위협을 가하지 않으면서 오늘날 시장에 판매되고 있는 대부분의 바이오플라스틱의 성능을 능가한다. 이와 관련된 연구는 Macromolecular Materials & Engineering 저널에 온라인 판으로 발표됐다.

대부분의 바이오플라스틱은 식물을 기반으로 하는 다당류 재료인 셀룰로오스(cellulose)로부터 만들어진다. 비스 연구소 연구팀은 키틴질(chitin)의 형태인 키토산(chitosan)으로부터 제조하는 바이오플라스틱을 개발했다. 키토산은 자연적인 고분자의 세계에서 가장 강력한 물질이며, 지구상에서 2번째로 풍부한 유기 재료이다. 키틴질은 갑옷 같은 곤충의 큐티클(cuticle), 단단한 곰팡이 세포벽 및 유연한 나비의 날개 등 새우와 다른 갑각류가 딱딱한 껍질을 가지게 하는 원인이 되는 고리가 긴 다당류이다.

전 세계에서 이용이 가능한 키틴질의 상당수는 버려진 새우 껍질과 비료, 화장품 또는 식품 보충제에 사용되거나 버려진 물질 등으로부터 유래한다. 그러나 재료 공학자들은 현재까지 키틴질을 기반으로 하는 재료를 이용하여 복잡한 3 차원의 형태를 지닌 물체를 제조할 수 없었다.

박사 후 연구원인 Javier Fernandez 박사가 주도하는 비스 연구소 연구팀과 지원 책임자인 Don Ingber 등은 전통적인 주물 또는 사출 성형 제조 기술을 사용하여 복잡한 형태를 가지는 거대한 3D 물체를 제조하는데 사용할 수 있는 재료에 대한 새로운 공정 방법을 개발했다. 연구진의 키토산 바이오플라스틱(chitosan bioplastic)은 약 2주 이내에 환경으로 복귀하여 분해되고, 식물 성장을 효율적으로 지원하는 풍부한 영양분을 배출하기 때문에, 더욱 더 우수하다.

대량 제조가 가능한 지속 가능한 재료에 대한 수요가 많은 산업 분야에서 시급한 수요가 있다고 Ingber는 밝혔다. 또 Ingber는 연구진이 개발한 규모를 확대할 수 있는 제조 방법이 용이하게 이용할 수 있고 저렴한 키토산이 수많은 산업적 응용에 사용되고 있는 상용 플라스틱 대신에 적용 가능한 유용한 바이오플라스틱으로 사용될 수 있다는 가능성을 보여주었다고 제안했다.

이러한 진보는 Advanced Materials 저널에 2년 전 동일한 연구팀이 발표했던 살아 있는 곤충 큐티클의 독특한 재료 특성과 모양을 복제하는 Shrilk라고 불리는 재료의 차세대 복제를 반영하고 있다. 연구진은 이 재료가 비단(silk)으로부터 유래한 단백질과 새우 껍질로부터 얻은 키틴질로 구성되어 있기 때문에 Shrilk라고 부른다.

이 연구에서, 연구팀은 새우 껍질을 사용했지만, 보다 더 저렴한 재료를 생성하고, 확산된 제조에 만들기 용이한 키틴질 기반의 바이오플라스틱에 대한 요구에 따라 비단을 사용하지 않았다.

Fernandez는 작은 물질이 실제로 문제를 해결한다는 것이 판명됐다고 밝혔다. 키토산에 대한 일련의 테스트를 수행한 후, 그는 키토산의 분자 기하학(molecular geometry)이 키토산을 만들어내는데 사용되는 방법에 매우 민감하다. 따라서 목표는 키토산의 자연적인 분자 구조의 온전한 상태를 보존하여 따라서 키토산의 강력한 기계적 특성을 유지하는 방식으로 키토산을 제조하는데 있다.

제조 방법에 따라 당신은 깨지기 쉽고 불투명한 키토산 재료를 얻어 사용할 수 없거나, 강력하고 투명한 재료를 얻을 수 있다고 최근 재료 과학 분야에서 “Early Excellence in Science” 상을 수상한 Fernandez는 밝혔다.

온도와 농도 같은 요인이 분자 수준에 대한 키토산의 기계적 특성에 어떻게 영향을 끼치는지에 대하여 완전하게 특징을 규명한 후, Fernandez와 Ingber는 주물과 사출 성형(injection molding) 등과 같은 대규모 제조 방법에서 바로 사용할 수 있는 유연한 액체 결정 재료를 제조하는 방법과 관련된 실력을 갖추었다.

연구진은 키토산 고분자가 사출 성형 공정 후 원래의 형태를 유지하는 못하는 수축과 관련된 문제를 해결하는 방법을 발견했다. 나무 가공 공정으로부터 발생하는 폐기물인 목분(wood)을 추가함으로써 이 문제를 해결했다.

당신은 이러한 유형의 키토산으로부터 시각적으로 특징적인 매우 정밀한 3D 형태를 만들 수 있다고 일련의 체스 조각을 주조한 Fernandez는 밝혔다. 또 이 재료는 물에서 사용하기 위하여 변형될 수 있으며, 키토산 용액의 산도를 변화시키기 위하여 손쉽게 염색될 수 있다. 그리고 염료는 다시 수거되어 재료가 재활용될 때 다시 사용될 수 있다.

이러한 진보는 대규모 제조에 요구되는 응용을 위한 바이오에서 영감을 얻은 플라스틱을 이용할 수 있는 가능성을 입증했다고 Fernandez는 설명했다. 다음 도전 과제는 연구팀이 실험실에서 수행할 수 있는 키토산 제조 방법을 지속적으로 개선하여, 산업 파트너와 상용 제조 설비로 이동시키는 것이다.

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』