2008/10/24 15:57

CO2 플라스틱(!) 직업 얘기

  집에 갔더니 漁婦가 "SK 에너지에서 CO2를 플라스틱으로 만들었다는 뉴스 나왔어.  태우니까 그을음도 안 나오고 친환경 플라스틱이래던대."란 첩보를 전해 준다.

역시 가만히 있을 수 있겠소냐
 
 10년 넘게 고분자 갖고 논 고분자쟁이가 - 지금도 일의 95%는 고분자 - 궁금증 없다면 직업 갈아쳐야지.

 Process 1. 구글신께 질문

  몇 곳 나오긴 했지만 SK에너지, 폐가스로 친환경 신소재 만든다가 사진도 나와 있어서 괜찮았다.

  .. (SK 에너지와 아주대) 양측이 산학합동으로 진행하는 ´이산화탄소 플라스틱´ 사업은 올 초 아주대학교 분자과학기술학과 이분열 교수가 개발한 중합 촉매기술을 기반으로 추진된다. 총 중량의 44%가 이산화탄소로 이뤄진 친환경 플라스틱을 제조하는 핵심기술에 SK에너지의 화학 공정 및 제조기술의 노하우를 접목해 상업화 할 계획이다. 

  .. 특히 이 기술은 미국, 일본 등에서 개발하고 있는 유사 기술보다 촉매의 성능이 20배 정도 우수한 세계 최고 수준임이 검증됐다고 SK에너지는 설명했다.

  일명 그린 폴(Green-Pol)로 불리는 ´이산화탄소 플라스틱´은 연소할 때 물과 이산화탄소로 분해되기 때문에 그을음 등 유해가스가 발생되지 않고, 깨끗하게 연소되는 특성이 있어 화재 발생시의 피해 최소화와 환경오염 방지에도 일조할 것으로 예상된다.

  또, 분해성, 무독성, 청정 생산공정 등 친환경적인 특성 이외에도 투명성, 차단성 등 기존 범용수지에 비해 뛰어나고 차별화된 장점으로 인해 건축용 자재, 포장용 필름, 식품 포장재 등의 활용이 우선적으로 진행될 예정이며, 앞으로 다양한 분야에서의 사용이 확대될 것으로 보인다. 


[ 기사 중요 부분 발췌.  저작권 EBN ]

  일단 이 기사를 보았는데, 어부는 궁금한 점이 더 많았다.

  1) 기사 어디에서도 '이 고분자의 분류'를 찾을 수 없다.  하다 못해 폴리올레핀이나 폴리에스터
     정도는 나와 있어야 하는데 말이다.  고분자의 종속과목강문계는 그렇다 쳐도 강 정도까진 적어
     놔야 하지 않을까. 
  2) CO2를 화학 원료로 직접 사용하는 경우가 별로 없는 이유는, CO2가 에너지 측면에서 극히 안
     정한 화합물이기 때문이다.  다시 말해서, CO2와 무엇을 반응하게 만들기가 꽤~나 힘들기 때
     문이지.

  기사나 기업 광고 같은 것이 다소의 '뻥'은 들어가게 마련이란 정도까지는 이해해 줄 수 있지만, 완전히 새로운 고분자처럼 말하고 있으니 조금 ㄱㅅㄱ하지 않나.

  Process 2. 개별 정보 공략

  1 ] 이분열 교수의 실험실 안내

  아주대에 재직한다고 나왔으니 이 방법이 가능하다.

   * http://ws.ajou.ac.kr/~polylab/04_publications.html 
   * http://ws.ajou.ac.kr/~polylab/04_sub_korpatents.htm

  - 이분열, 대한민국특허출원 10-2007-0043417 (2007.05.04) "두 성분을 한 분자에 가지고 있는 착화합물 및 이를 사용한 이산화탄소와 에폭사이드의 공중합에 의한 폴리카보네이트의 제조 방법(Coordination complexes containing two components in a molecule and process of producing polycarbonate by copolymerization of carbon dioxide and epoxide using the same)"

  - 박영환, 이효선, 원영철, 이분열, 권헌용, 이수연 10-2004-0107214 (출원일 2004-12-16), 등록번호10-0724550 (2007.05.29) "이중 금속 아연 착화합물과 이를 촉매로 사용한 폴리카보네이트의 제조 방법"
 
 
  그럴 수 있겠지 하고 생각했던 것처럼, 폴리카보네이트(PC)다.  기사의 뉘앙스하곤 좀 다르지 않을까.

  2 ] 기술의 세부 사항

  한국 특허청에서 특허 번호로 검색해 보면, 기술 권리의 제 1항(가장 중요하다)은 이렇게 뜬다.

 1. 하기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 구조의 작용기 중 하나 이상을 포함하고 중심 금속이 루이스 산기를 갖는 착화합물을 촉매로 이용하여, 할로겐 또는 알콕시로 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알킬렌 옥사이드; 할로겐 또는 알콕시로 치환 또는 비치환된 탄소수 4 내지 20의 사이클로알켄 옥사이드; 및 할로겐, 알콕시, 또는 알킬로 치환 또는 비치환된 탄소수 8 내지 20의 스타이렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택된 에폭시 화합물 및 이산화탄소를 공중합하는 단계를 포함하는 폴리카보네이트의 제조 방법. 
 
  위의 準 암호문을 해석 가능한 일반인은 아마 거의 없을 것이다.  (어디서나 전문 분야의 말은 암호에 가깝긴 하지만..) 지금 어부가 근무하는 회사에서는 기업 검색에 가입해 있지 않기 때문에(그럴 필요도 없다) 전문을 볼 수 없다.  하지만 종합적으로 보아 간단히 말해서, 위에서 말한 폴리카보네이트의 구조는 이렇다;
  여기서 R 부분이 원료에 따라 여러 가지로 바뀔 수 있다.  일반적인 CxHy-의 linear chain이 되거나, 실선과 점선으로 그린 결합이 모두 있는 경우가 '사이클로알켄 옥사이드'를 사용한 경우며, 벤젠 고리가 바로 달려 있으면 스타이렌 옥사이드를 사용한 경우다.
  고분자 중합 원료로는 다음 두 가지를 사용하게 되어 있다.  (위에서 말한 것처럼 아래에서 R은 여러 가지를 사용 가능하다)

  이산화탄소는 반응성이 아주 낮은데, 오른편의 epoxide 부분이 반응성이 매우 강하기 때문에 이런 반응도 일어날 수 있다.  그래도 지금까지는 이 반응의 속도가 느린 편이어서 상업 공정으로 만들기에는 경제성이 없었다고 한다.
 
  그리고 '총 중량에서 이산화탄소가 44%'라는 것도 조금 더 설명을 필요로 한다.  좀 정확하게 말해서, "제품인 고분자 중량이 100이면, 이산화탄소에서 온 부분의 중량이 44다"는 말이다.  여기서 R 부분이 무엇인지도 대략 짐작이 가능했다.  위의 고분자 구조에서 추론하건대, R 부분이 탄소가 하나 이상이면 이산화탄소 중량이 44%가 될 수가 없다.  그 경우 고분자의 구조는 이렇게 될 수밖에 없다.
  이 경우 이산화탄소 외의 다른 원료는 프로필렌 옥사이드(propylene oxide)가 되며, 이것은 프로필렌(propylene)을 산화시켜서 만든다.
  결국, 이 기사에서 나온 고분자는, 석유나 천연 가스를 얻거나 가공하는 공정에서 얻은 프로필렌에 이산화탄소를 반응시켜서 얻는 셈이다.  (이런 기사 나올 때마다 느끼는 점인데, 석유를 완전히 벗어나기는 정말 어렵다 -.-)

  이 기술의 핵심이 특허임을 이해하는 다른 단서는 한국 특허에 언급해 놓은 선행 기술이다.  미국 특허 6,133,402라고 하므로 이것을 찾아 보면

  * USP 6133402 (text, image

  죽 훑어보건대, 이 기술의 핵심은 촉매가 맞다.  반응 속도가 느려서 경제성에 문제가 있었으므로 좋은 촉매로 반응 속도를 빠르게 해야만 상업 공정에 적용할 수 있다.  이번 뉴스의 처음에 핵심 촉매기술이라고 언급한 것은 제대로 포인트를 잡고 있는 셈이다.  미국 특허가 있는데도 아주대에서 개발한 공정이 특허를 얻을 수 있었던 근본 이유는 촉매를 개선했기 때문으로 보인다.

  3 ] 그을음 문제

  그림을 다시 갖고 와서 비교하면 


   근본적으로, 그을음이 나는 이유는 탈 때 작은 탄소 입자가 나오기 때문이다.  쉽게 말해서 '불완전 연소'로, 완전히 다 타는 데 필요한 산소가 충분히 공급이 안 되기 때문에 탄소 입자가 뭉쳐서 우리 눈에 보이는 것이다.

  그러면, 왜 위처럼 기존의 폴리스티렌(polystyrene)은 탈 때 그을음이 나오는데 'CO2 플라스틱'은 연기가 나오지 않을까?  답은 아래 그림에서 알 수 있다.

  왼편이 폴리스티렌의 구조식이고, 오른편이 이번에 개발한 폴리카보네이트다.  고분자의 반복 단위(괄호 안에 있는 구조)의 분자량은 폴리스티렌이 104, 오른편 고분자가 102로 별 차이가 없는데, 보다시피 분자 내에 들어 있는 산소의 양은 중량으로 따져 0 대 48%로 차이가 대단히 크다.  정량적으로 말하자면, 폴리스티렌 104g을 태울 때 완전히 이산화탄소와 물로 만들려면 산소가 192g 필요한 데 비해 이 폴리카보네이트 102g을 태울 때는 그 절반인 96g밖에 필요하지 않다.  연소 과정에 필요한 산소는, 이 그림에서 보는 것과 같은 조건에서는 순전히 확산으로 주변 공기 중에서 보급받아야만 하기 때문에, 산소를 많이 요구하는 고분자의 경우 당연히 '덜 타서 생기는' 그을음이 많이 생긴다.  '분자 안에 산소가 미리 들어 있는' 것이 연소 거동에 이렇게 큰 차이를 가져올 수 있다.   

  하나 궁금한 점이 있다.  어느 재료가 탈 때 '불이 번지는 현상'을 막기 위해서는 오히려 탈 때 산소가 많이 필요한 재료 편이 더 유리한 경우가 많다.  탈 때 주변의 산소를 많이 소모할 경우 불이 주변으로 퍼져 나가기가 어려운데, '안 탄 곳 주변'의 산소가 없어져서 불이 자동적으로 꺼지기 때문이다(난연제로 인 화합물을 많이 사용하는 이유다. 인은 탈 때 산소를 무지 많이 잡아먹는다).
  이번에 새로 만들어 낸 폴리카보네이트가 '화염에 노출된 경우 불이 번지는가'에 대해서는 아무 말이 없는데, 기사에 나왔으면 좋았을 텐데 말이다.  "깨끗하게 연소되는 것과 불이 날 경우 빠르게 잘 탄다"는 별개 문제일 수 있기 때문이다. [ 참고; limiting oxygen index , flame retardancy ]

  .. 분해성, 무독성, 청정 생산공정 등 친환경적인 특성 이외에도 투명성, 차단성 등 기존 범용수지에 비해 뛰어나고 차별화된 장점으로 인해 건축용 자재, 포장용 필름, 식품 포장재 등의 활용이 우선적으로 진행될 예정이며, 앞으로 다양한 분야에서의 사용이 확대될 것으로 보인다. 
 
  분자 구조상 분해성은 어느 정도 있을지도 모르겠다.  일반적으로 페닐 링이 여러 개 붙어 있는 경우 생분해성이 떨어질 가능성이 높아지니까(급수대 말통에서 흔히 볼 수 있는 일반 폴리카보네이트의 원료는 비스페놀 A인데, 페닐 링이 연결된 형태 때문에 생분해되지 않는다).  그렇다고 이것이 '무독성/청정 생산공정'을 보장해 주는지는 자신이 없다.  사용하는 원료하고, 생산 공정이 청정인가 아닌가는 어디까지나 다른 문제였다고 생각하는데...

漁夫

  ps. 대부분의 과학 기사는 일반인 기준으로 보아 정보가 충분하지 않고, 잘못 이해할 가능성도 높다.  이 기사는 그래도 나은 편이긴 하지만, 그래도 오독될 가능성이 전혀 없지는 않다고 생각한다.


닫아 주셔요 ^^



덧글

  • Alias 2008/10/24 16:31 # 답글

    좋은 글 잘봤습니다. 유기화학은 입문서밖에 공부 못해본 저로서는 이런 해설이 해당 토픽을 이해하는데 큰 도움이 되지요...

  • 어부 2008/10/24 23:56 #

    사실 제가 이 글에서 쓴 수준은 초보 고분자화학 정도래서 일반인이 이 정도까지 알기란 어렵죠. 도움이 되셨다니 기쁩니다. ^^ (많이많이 좋은 글 올려주삼 ^^)
  • 늑대별 2008/10/24 22:39 # 답글

    우와...대단하십니다. 그래도 반쯤 이해하고 반쯤은 그려려니 하고 넘어갔지만 자세한 설명을 들으니 훨씬 낫군요. 고맙습니다...^^
  • 어부 2008/10/24 23:58 #

    의사 선생님께서 전공과 경험으로 아는 수준이야 저 같은 사람들이 몸에 대해 아는 것보다 훨~~~~~~~~~~~씬 많지 않겠습니까. 뭐니뭐니해도 사람 목숨을 다루고 계신데요.
  • 시노조스 2008/10/24 22:54 # 답글

    잘 읽었습니다. 확실히 잘 타면 불이 번지는데 도움이 되겠지만 불이 났을 때 가장 중요 원인인 연기가 발생하지 않는다면 도움이 되지 않을까요.

    라고 썼는데 화재나 관련 지식이 없으니 패스. 조금 회의적이군요. 흐
  • 어부 2008/10/25 00:00 #

    "불이 났을 때 (질식사의) 가장 중요 원인인 연기"라고 쓰시려 하셨나 보군요. ^^

    음... 이 블로그에 가끔 방문하시는 ㅎㅇ님께서 소방 쪽에 잠시 종사하셨습니다. 그 분 의견이 궁금해지는 순간입니다. 그런데, '연기가 덜 난다'와 '불이 잘 안 번진다'가 항상 양립 가능하지는 않기 때문에 제게 아직 의문이 좀 있습니다. ^^
  • 쿠키 2008/10/24 23:04 # 답글

    좋은 글 감사합니다.(_ _)
  • 어부 2008/10/25 00:01 #

    뭘요, 재미있게 보아 주셨다면 제가 기분이 좋을 따름입니다 ^^
  • 누리 2008/10/24 23:31 # 답글

    멋진 글이군요.

    다른 방법으로도 같은 고분자를 더 쉽게 만들 수 있을 것 같은데 CO2 사용을 위한 것이라니 일단 넘어가고.

    고분자가 얼마나 실용적일 것이냐가 문제군요.
    싸게 대량으로 만들 수 있느냐가 관건인데. CO2 원료라 싸질 수 있을려나요? 좀 의문. 촉매의 활성이나 생산성이 관건일 듯 하네요.
    고분자가 깨끗하게 탈 수는 있을텐데 번지는 것 뿐 아니라 내열도가 나쁠 것 같고 (카보네이트 사이의 작용기가 너무 작아요, Tg가 상당히 낮을 듯) 쉽게 불에 탈 것 같군요. 건축자재로 쓸려면 난연재의 첨가는 필수겠군요. 일단 유독가스 나올 가능성이 매우 적기 때문에 나쁘진 않지만요.
    내열도가 낮아 보이기에 투명하더라도 사용처가 굉장히 제한될 듯 싶네요. PC 의 주 사용처 중 하나인 CD/DVD로는 전혀 못 쓰일거고요.
    식품 포장용으로 쓰이면 괜찮을 듯 싶은데, 기계적 강성이 얼마나 나올련지. 연신을 하거나 몰딩에 적합한 강성이 나온다면 일단 식품 포장용으로 가능해 보이네요. 문제는 가격.

    제 예상이 틀릴 수도 있지만.. (의외의 내열도를 가진다거나 제조 원가가 무척 싸다거나 한다면. 대박이겠죠) 일단 저런 광고보단 용처를 빨리 개발하는 것이 중요하겠군요.
  • 어부 2008/10/25 00:20 #

    멋지다니 과찬이십니다. (_ _)

    저도 실용성에 대해서는 좀 의문 요소가 있다는 데 동의합니다. CO2 원료라 좀 쌀 수 있다는 요소가 중요할 텐데, 탄소배출권 거래의 가중치가 커진다면 ^^ 그런데 이번 아주대학교 특허를 보면 촉매로 제시한 화합물이 상당히 복잡하던데, 이 문제가 쉽지 않을 것 같아요. 대표도면 URL은 http://patent2.kipris.or.kr/pat/fulltexta.do?method=bigFrontDraw&applno=1020070043417 를 보시면 됩니다(제가 올린 특허 번호를 갖고 http://www.kipris.or.kr에서 직접 검색해 보면 바로 나옵니다). 구조가 장난 아니죠.

    Tg 생각은 저도 했습니다. 역시 고분자 다루는 사람들끼리는 생각이 비슷할수밖에요. ^^ 일반 polycarbonate가 Tg가 125도가 넘는데 그 정도의 내열성은 절대 기대하기가 어려울 거고... 생분해 가능성을 이용해서 말씀처럼 식품 포장용으로는 괜찮을 겁니다. 음식 쌌다가 음식 쓰레기랑 같이 버려 버린다든가 하면 분리할 필요가 없으니 좋죠. 제 생각엔 페닐 링이 main chain에 없으니 아무래도 강성은 별로 안 나오리라 봅니다.
  • 아트걸 2008/10/25 00:01 # 답글

    저는 20분의 1이나 이해했으면 다행이긴 한데...그래도 재밌게 읽었어요. 역시 과학기사에 엮이면 안 되는군요.
    저 같은 비이과 일반인 입장에서는 // "깨끗하게 연소되는 것과 불이 날 경우 빠르게 잘 탄다"는 별개 문제일 수 있기 때문이다.// 정도만 접수해도 큰 수확이죠.
  • 어부 2008/10/25 00:27 #

    재미있다니 고맙다. 사실 상당히 딱딱한 포스팅인데 말야 ㅎㅎ
    내 관점에서는 '그을음이 좀 나오더라도 불이 천천히 번지고 잘 안 타는 쪽이 중요하다' 이지 ^^

    어차피 저 고분자는 낮은 온도에서 물렁물렁해지기 때문에 일반 실내 용도에서는 제한이 많으리라 보여. 자동차 안이나 직사 일광을 받는 곳에서 온도가 50도를 넘는 경우가 한국에서 아주 흔한데, 이런 환경에서는 사실 PET처럼 '연화되는 온도가 중간 이상 정도인' 고분자래도 특별한 처리를 하지 않을 경우(PET는 대부분 이런 처리를 하고 사용하지) 오래 버틸 수가 없거든.
  • 고독한항해 2008/10/25 19:03 # 삭제 답글

    우연히 검색하다가 이 글을 매우 유용하게 읽고 갑니다.
    앞으로도 좋은 정보 공유 부탁드릴께요.
  • 어부 2008/10/25 19:51 #

    감사합니다.
  • 措大 2008/10/25 19:14 # 답글

    좋은 글 잘 읽었습니다~ (그러나 얼마나 이해했는지는....)

    저도 중학교 때까지는 과학 잘했는데 말이죠 ^^; 으헝헝헝

    하지만 정말 간명하게 설명해주신 것 같습니다. 전공 분야는 물론 글까지 잘 쓰시는 분들은 늘 부러워요 ^^
  • 어부 2008/10/25 19:52 #

    감사합니다. 사실 그리 글을 잘 쓰지는 못한다고 생각하고 있습니다.... -.-
  • Leonardo 2008/10/26 18:48 # 답글

    역시 어부님...
    잘 읽고갑니... 저 또한 몇가지 좋은 정보들을 많이 얻었네요.
    확실히 공기중의 이산화탄소를 없애주는 기술은 힘들군요. (어딜가나 석유)

    대체에너지가 확실해지지 않으면 재료이용에 있어 상당히 문제가 생길듯 합니다.
    (무에서 유를 창조하는 효율좋은 물질합성기술...이 생기지 않는 한은)
  • 어부 2008/10/27 09:33 #

    그나마 괜찮은 것은 탄산염이 필요한 곳에 투입하는, 즉 NaOH를 만들고 CO2를 집어넣어 탄산나트륨 만든다든가 하는 방법이죠. 근데 이것도 쓰다 보면 CO2가 다시 나온다는.
  • S 2008/10/26 23:57 # 삭제 답글

    YR 이 아직 죽지 않았구나. ㅋㅋ 역시 책상물림하는 사람들은 뭘 해도 현실감각이 떨어지는 모양이다. 설령 CO2+Epoxide 반응 속도와 수율이 원하는만큼 나온다 해도 이 폴리머를 어디에다 쓴단 말인지.. 배리어 꽝에 물성 꽝에.. 게다가 최근 폴리올레핀 가격동향 좀 봐라. 이게 현실적인가 -_-
  • 어부 2008/10/27 09:34 #

    SK Energy한테 몇 억 정도는 껌인지도 모르지. "우리도 학계를 후원한다"는 선전 효과를 내기 위해...... 하기야 반농담이긴 한데, 쓸 만 하다면 그걸로 괜찮지 않겠냐. Tg가 낮더라도 잘 쓰는 고분자 많으니까. (메틸 곁가지가 어케 작용하려나 모르겠지만 Tg가 높을 가능성은 아무리 생각해도 별로 없다고 본다)
  • 프랑켄 2008/10/28 14:17 # 답글

    적어도 발로 적은 기사는 아니군요. 잘 읽었습니다^^
  • 어부 2008/10/28 22:28 #

    기본적으로 '옮겨적기'는 제대로 했습니다만, 아무래도 전문성이 부족하다는 느낌은 감출 수 없군요.
  • 감사합니다. 2016/11/06 19:43 # 삭제 답글

    과제중인데 해석 잘보았습니다. 이런 자료가 없어서 삽질 중이었는데 감사합니다.
  • 漁夫 2016/11/06 20:42 #

    네 몇 년 전 글인데 유용하게 쓰셨다면야 ^^;;
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