화학연, 자국이 남지 않고 더 잘 붙으며 재활용도 되는 만능 점착 필름 소재 개발

- 녹여서 재활용이 가능한 투명 점착 소재의 개발, 탄소 저감 등 자원 재활용 소재로 활용

- 소재연구 분야 세계적인 학술지 ACS Applied Materials & Interfaces 2023년 12월호 게재

전 세계적으로 플라스틱의 자원순환 및 폐기물 저감에 관심이 높아지는 가운데, 국내 연구진이 재가공을 통해 자원 재활용이 가능한 투명 점착 필름을 개발하였다.

한국화학연구원(원장 이영국) 이원주·유영창·안도원 박사 연구팀은 부산대학교 백현종 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 고분자 사슬의 길이를 극대화하여 화학적 가교 구조* 없이도 우수한 점착특성을 갖는 투명 점착 필름 소재를 개발하였다.

* 화학적 결합을 통해 3차원 네트워크 형상을 갖는 그물구조, 화학적 결합을 끊는데 많은 에너지가 소모되기 때문에 용매나 열로 다시 녹여 재활용하는 것이 불가능하다.

연구팀이 개발한 투명 점착 필름은 정보 전자기기의 디스플레이, 자동차 등과 같은 이동 수단, 생활용품은 물론 의료용 점착 필름 등 다양한 산업에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

[그림 1] 가교가 필요 없는 초고분자 점착제의 장점

기존 소재: 일반적인 점착제 고분자의 구성 및 단점

기존의 점착제 고분자의 구성 및 단점: 기존의 자유라디칼 중합을 통해 합성되는 고분자는 분자량을 100만 이하의 수준으로써, 고분자 자체만으로는 충분한 점착력을 보여주지 못한다.

따라서 추가적인 가교 반응을 통해 응집력을 높여야만 점착제로서의 기능을 할 수 있었다.

[그림 2] 초고분자 점착제 고분자의 재활용 및 재사용 평가

개발 소재: 가시광선 제어중합을 이용한 초고분자 점착제 소재의 구성 및 장점

가시광선 제어중합을 이용한 초고분자 점착제 소재의 구성 및 장점: 해당 연구에서 개발된 무 가교제형 초고분자는 분자량 최대 280만에 도달하였으며, 이를 통해 가교 반응 없이도 우수한 점착력을 보였다. 또한, 가교 반응을 하지 않았기 때문에 용매에 다시 녹여내어 재활용할 수 있는 친환경 소재로도 사용할 수 있다.

일반적으로 사용되는 점착 소재는 3M 스카치테이프나 라벨 테이프와 같이 부착을 위한 점착 필름과 스마트폰 액정보호필름과 같은 표면을 보호하거나 점착 소재의 목적을 달성하기 위한 플라스틱 필름으로 나뉜다.

그런데 점착 소재를 분해·재활용하려면 점착 필름을 반드시 제거해야 하지만, 대부분의 점착 소재가 통째로 버려지고 있다. 왜냐하면, 기존의 점착 필름은 화학반응으로 결합하는 3차원의 화학적 가교 구조를 통해 점착력을 높이는데, 이러한 경우 ‘일반적인 용매*’나 높은 열에도 잘 녹지 않기 때문에, 사용 후에는 모두 폐기될 수밖에 없다.

* 물을 비롯한 아세톤, 톨루엔, 메탄올 등과 같은 용매

플라스틱 필름의 분해·재활용에 관한 연구가 널리 진행되고 있지만, 점착 필름의 분해·재활용과 관련된 연구는 아직 시작 단계이다. 점착 소재 재활용의 핵심인 점착 필름의 화학적 결합을 끊어내는 기술이 연구되고 있긴 하지만, 여전히 독성 촉매를 사용해야 하거나 높은 온도 등의 많은 에너지가 필요한 점 등, 해결해야 하는 문제가 많은 상황이다.

[그림 3] 상용화된 점착제와 비교한 무가교제형 점착제의 재사용 평가

- (A) 점착제의 재사용 순환시험 모식도: 완성된 점착 테이프를 부착 및 탈착하는 과정을 5번 반복을 거침에 따라 변화하는 점착 세기를 평가.

- (B) 기존 점착제 고분자의 조성에서는 가교 반응을 하지 않을 경우, 떼어내는 과정에서 점착제로서의 기능을 잃음. 그에 비해, 본 연구에서 개발된 초고분자 점착제는 가교 효과 없이도 충분한 점착력 및 기능을 발휘. 상용화된 점착 테이프 제품인 라벨 테이프 또는 스카치테이프와 비교했을 때에도 점착력이 상회하거나 유사함.(상용화된 제품의 경우 화학적 가교구조를 활용)

- (C) 기존 점착제 고분자(저분자 점착제)의 조성에서는 가교 반응을 하지 않을 경우, 낮은 응집력으로 인해 피착제 표면을 오염시킬 수 있음. 그에 비해, 초고분자 점착제의 경우 상용화된 라벨 테이프 또는 스카치테이프와 유사하게 우수한 박리능력(잔사없이 떼어낼 수 있는 능력)을 보임.

공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 점착 필름을 이루고 있는 고분자 사슬의 분자량을 극대화해 더 잘 엉키는 성질을 이용하여, 화학적 가교 구조 없이도 기존 점착 필름과 비교하여 자국이 남지 않고 접착력이 더 좋은 소재를 개발하였다.

고분자 소재는 일반적으로 사슬이 길수록 높은 강도, 안정성 등의 물리적 특성을 갖는다. 이는 길이가 짧은 실을 뭉친 경우에는 실 가닥을 쉽게 뽑아낼 수 있어 쉽게 풀리는 반면에, 길이가 긴 실의 경우 뭉치고 나면 많은 엉킴이 발생하여 실 가닥을 뽑아내거나 풀기 어려운 현상으로 비유할 수 있다.

특히 기존의 투명 점착 필름을 구성하는 고분자의 경우, 사슬의 길이에 한계가 있으며 사슬 길이의 다 분산지수*가 높아 분자량이 긴 사슬과 짧은 사슬이 같이 존재한다. 사슬이 짧은 고분자는 점착 필름을 제거할 때 표면에 점착 잔여물이 남는 문제를 발생시킨다.

* 다 분산지수(Poly Dispersity index): 사슬 길이의 분산도, 유사한 사슬 길이를 갖는 고분자는 분산도가 낮고, 다양한 사슬 길이를 갖는 고분자는 분산도가 높다. 따라서 분산도가 낮아야 좋은 특성의 점착 필름이 된다.

여러 한계점으로 인해 사슬이 매우 긴 초거대 고분자를 합성하는 기술은 오래된 숙제이다. 이러한 상황에서 연구팀은 가시광선을 이용한 방법으로 기존 고분자 사슬보다 2.8배 긴 초거대고분자* 합성에 성공하였다.

개발된 초거대 고분자는 사슬의 길이가 매우 길기 때문에 사슬의 엉킴이 쉽게 일어나고, 사슬당 발생하는 엉킴의 수가 매우 높다. 또한, 짧은 사슬 길이를 갖는 고분자가 거의 없으므로 점착 필름을 제거하여도 점착 잔여물이 남지 않는다.

* 평균 분자량 280만, 다 분산도 1.5 이하(기존 소재: 분자량 100만, 다 분산도 2)

개발된 비 가교 투명 점착 필름은 기존 점착 필름 대비 약 130% 수준의 우수한 부착력을 지녔으며, 표면에서 제거하여도 잔여물이 남지 않았다. 다양한 테스트 환경에서도 모두 우수한 안정성을 나타냈다.

개발된 투명 점착 필름은 화학적 가교 구조가 없기 때문에 점착 필름을 사용한 후, 무독성의 용매에 쉽게 녹일 수 있다. 회수된 고분자를 여러 차례 재가공해도 성능 저하가 거의 없는 것을 확인하였다.

* 3회 재가공 기준, 기존 대비 약 97% 수준의 점착력

연구팀은 본 성과를 바탕으로 기존 상용 제품 대비 200% 이상 우수한 물성과 가혹한 외부환경에서도 사용이 가능한 내구성을 지닌 비 가교형 점착 소재 개발 연구를 진행하고 있다. 또한, 유기용매가 아닌 물에 녹여 재활용하는 친환경 점착 필름 소재 개발 연구도 진행 중이다.

화학연 이영국 원장은 “이번 연구는 기존에 상용화된 경화성 투명 점착 필름과 달리 사용 후에도 폐기하지 않고 폐기물의 재활용·재사용이 가능하여, 향후 탄소 저감, 폐기물 저감 등과 같은 환경문제를 해결하는 자원순환형 정밀화학소재 개발에 기여할 것으로 전망된다”라고 말했다.

[그림 4] 연구진이 개발한 녹여낼 수 있는 무가교제형 초고분자 점착제

(ACS Applied Materials & Interfaces 23년 12월호 논문)

이번 연구결과는 소재 분야 세계적인 학술지 ‘ACS 어플라이드 매터리얼스 앤드 인터페이시스(ACS Applied Materials & Interfaces, IF : 9.5)’ ’23년 12월호에 게재됐다. 또한, 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업으로 수행되었다.

* 출처: 한국화학연구원

* 편집: 핸들러전문지