서강대학교 화공생명공학과 박제영 교수 연구팀,

혼합 폐폴리에스터를 생분해성 고성능 플라스틱으로 전환하는 업사이클링 기술 개발

▲ (좌측상단부터 시계방향으로) 서강대 박제영 교수, 고려대 원왕연 교수, 김민진, 신미라 연구원

서강대학교(총장 심종혁) 화공생명공학과 박제영 교수 연구팀은 고려대학교 원왕연, 오동엽 교수, 충남대학교 구준모 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 서로 다른 종류의 폐폴리에스터를 한 번의 공정(one-pot)으로 고부가가치 생분해성 열가소성 플라스틱으로 전환하는 업사이클링(upcycling) 기술을 개발하였다.

공동연구팀이 개발한 본 기술은 폐 PET 병과 산업용 PBT 폐플라스틱을 분해·정제하는 기존의 고에너지 공정을 거치지 않고, 고분자 상태 그대로 연속 반응을 통해 새로운 열가소성 폴리에테르에스터(TPEE)로 전환할 수 있는 것이 특징이다. 이를 통해 플라스틱 재활용 과정에서 필연적으로 발생하던 높은 에너지 소비와 탄소 배출 문제를 획기적으로 줄일 수 있다.

PET와 PBT는 일상생활과 산업 전반에서 가장 널리 사용되는 폴리에스터계 플라스틱이지만, 서로 다른 특성과 첨가제로 인해 혼합된 폐기물 형태에서는 재활용이 쉽지 않다. 이로 인해 상당량이 소각되거나 매립되며, 온실가스 배출과 미세플라스틱 문제를 유발하고 있다. 이에 따라 혼합 플라스틱 폐기물을 효율적으로 처리하면서도 고부가가치 소재로 재탄생시키는 기술이 지속가능한 플라스틱 순환경제 구현의 핵심 과제로 주목받아 왔다.

서강대 공동연구팀은 유연한 폴리에테르 소프트 세그먼트를 도입하는 분자구조 설계를 통해 폴리에스터 사슬 간 에스터 교환 반응(transesterification)을 유도하여 충분한 강도와 유연성, 가공성을 동시에 만족하는 새로운 소재 설계 전략을 제시하였다. 그 결과, 폐플라스틱으로부터 제조된 소재임에도 불구하고 최대 인장강도 68MPa, 파단 신율 800% 이상의 우수한 기계적 물성을 구현하였다. 더 나아가, 해당 소재는 기존 PET나 PBT와 달리 결정성이 낮고 분자 사슬의 무작위성이 증가된 구조를 가져, 퇴비 환경에서 미생물에 의해 분해가 가능한 생분해성을 나타낸다. 실제로 퇴비 조건에서 최대 20주 이내에 약 85%의 질량 감소를 보였으며, 이는 기존 방향족 폴리에스터의 한계를 극복한 중요한 성과로 평가된다.

연구팀은 또한 공정 경제성 분석(TEA)과 전과정 평가(LCA)를 통해, 본 기술이 에너지 집약적인 단량체 회수 공정을 생략함으로써 상용 플라스틱인 폴리프로필렌(PP) 및 생분해성 플라스틱(PBAT) 대비 비용 경쟁력과 온실가스 저감 효과를 동시에 확보할 수 있음을 입증하였다. 이번 연구 성과는 폐플라스틱을 단순히 재활용하는 수준을 넘어, 성능·경제성·환경성을 모두 만족하는 ‘진정한 업사이클링’의 가능성을 제시했다는 점에서 큰 의미를 가지며, 향후 포장재, 필름, 단수명 플라스틱 제품 등 다양한 산업 분야로의 확장이 기대된다.

서강대 화공생명공학과 박제영 교수는 “이번 연구에서는 서로 다른 폐폴리에스터를 단량체로 분해하지 않고, 한 번의 공정만으로 고성능이면서 생분해 가능한 열가소성 소재로 전환할 수 있는 업사이클링 전략을 제시했다”라며, “기존 재활용 공정 대비 에너지 소비와 탄소 배출을 크게 줄이면서도, 기계적 물성과 경제성을 동시에 확보했다는 점에서 실질적인 산업 적용 가능성이 높다”라고 설명했다.

이번 연구 결과는 지속가능 소재 분야의 국제 저명 학술지인 SusMat (Impact factor: 21.3, 녹색 및 지속가능 과학기술 분야 JCR 상위 1.5%)에 2025년 12월 게재되었다.

▶논문제목: ‘One-Pot Upcycling of Heterogeneous Polyester Waste to Biodegradable Thermoplastics: A Cost-Effective Solution for a Circular Economy’

(공동1저자: 신미라, 김민진; 공동교신저자: 오동엽, 구준모, 원왕연, 박제영 교수)

▶논문링크: https://doi.org/10.1002/sus2.70046