[우리가 몰랐던 과학 이야기] (1) 플라스틱 첫 제품은 당구공이였다?

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 ◆우리가 몰랐던 플라스틱 이야기

우리 일상생활에서 흔하게 발견할 수 있는 플라스틱! 여러분은 플라스틱에 대해 얼마나 알고 계신가요? 1950년대와 60년대에 플라스틱이 유행하기 시작했습니다. 그 후 많은 우여곡절을 겪었지만, 지금도 우리 문명의 일부로서 지속적으로 사용되고 있습니다. 먼 과거에는 생활에 가장 많이 쓰이는 재료에 따라 그 시대를 나눴는데요, 돌이 많이 이용됐던 석기시대를 시작으로 청동기, 철기시대를 거쳐 지금까지 왔습니다. 그럼 오늘날은 어떤 시대라고 불러야 할까요? 혹자들은 합성수지, 즉 플라스틱의 시대라고도 부른다고 합니다.

너무 익숙해져 인지하지 못하고 있을지 모르지만, 우리는 플라스틱이 제공하는 편리함 속에서 하루를 보내고 있습니다. 아침에 일어나 하루 일과를 마치고, 집으로 돌아와 저녁에 잠들고 다시 일어날 때까지 이렇게 반복되는 일상에 하루종일 플라스틱과 함께하고 있다고 해도 과언이 아닐 겁니다. 시계와 칫솔, 신발, 가방, 옷 등 우리가 익숙하게 만지고 사용하는 대부분의 사물에는 플라스틱이 포함되어 있습니다.

이렇게 자주 쓰는 플라스틱에 대해 우리는 잘 알지 못하고 있습니다. 그래서 오늘은 플라스틱에 대해 알아보도록 하겠습니다.

◆플라스틱의 정의

열가소성과 열경화성 플라스틱의 구조. 출처=http://www.exceliteplas.net

플라스틱은 고분자 유기물질로 천연물질이나 저분자 물질을 중합하여 만듭니다. 플라스틱의 합성은 유기화학의 일부이며, 주요 성분은 ‘CHONS’입니다. 이는 탄소(C)와 수소(H), 산소(O), 질소(N), 황(S)을 뜻합니다. 플라스틱은 일반적으로 크게 두 그룹으로 구별하는데, 합성방법과 역학적인 성질에 따라 나누게 됩니다. 하나는 고분자로서 가열에 의해 유동성을 가지게 되어 성형이 되는 열가소성 플라스틱(thermo plastic)으로 이름에서 알 수 있듯 열이 가해지면 변형이 되는 성질을 지니고 있습니다. 나머지 하나는 저분자로 형 속에서 가열·가압되는 동안 유동성을 가지고 화학반응에 의해 고분자화되어 가열해도 유동성을 가지지 않는 열경화성 플라스틱(thermoset plastic)입니다. 열경화성 플라스틱은 열가소성 플라스틱에 비해 강도와 내열성이 강한 것이 특징입니다.

◆플라스틱의 역사

1869년 미국의 존 하이엇이 당구공의 주재료였던 상아를 대체할 수 있는 물질을 찾던 중 셀룰로오스에 질산과 황산의 혼합물을 넣어 니트로셀룰로오스를 개발하게 되었습니다. 이 새 물질은 열을 가하면 어떤 모양으로도 만들 수 있는데, 가해진 열이 식으면 상아처럼 단단하고 탄력도 있었습니다. 오늘날 당구공은 주로 페놀폼알데하이드 수지로 만듭니다. 합성수지를 원료로 한 최초의 플라스틱은 1906년 미국인 리오 베이클랜드가 발명하였습니다. 단단하고 절연성이 있으며 부식되지 않아 각종 전자제품에 사용되었습니다. 또한 1933년에는 가장 대중적으로 사용되는 플라스틱 폴리에틸렌(PE)이 발견되었습니다. 처음에 폴리에틸렌이 발견되었을 때는 실용성이 없다고 판단되어 사용되지 않았지만, 추후에 재발견되면서 지금까지 널리 쓰이고 있습니다. 폴리에틸렌은 일상에서 쉽게 발견할 수 있는데, 포장용 비닐봉지와 플라스틱 음료수 병, 전선용 피복 재료 등이 대부분 이를 재료로 합니다.

◆플라스틱의 종류

지구상에 존재하고 있는 플라스틱을 일일이 나열하려고 하면 헤아릴 수 없을 정도로 많다고 합니다. 하지만 우리가 자주 이용하면서 꼭 알아두어야 할 플라스틱을 선정하는 것은 어렵지 않습니다.

1. ABS

ABS로 만들어진 `레고`. 출처=https://en.wikipedia.org

ABS라는 단어를 들어보셨나요? 대부분 ABS라고 하면 자동차와 관련이 있다고 생각하실 텐데요. 여기서는 플라스틱의 한 종류입니다. 좀 더 쉽게 이해하려면 레고를 떠올리시면 됩니다. ABS는 몰라도 ‘레고’는 모두 알고 계실 거에요. 바로 레고가 ABS를 사용해서 만든 제품입니다. ABS는 공중합체로, 3개의 단위체인 아크릴로나이트릴과 1,3부타디엔, 스티렌으로 구성된다고 합니다. ABS는 비결정성 열가소성 플라스틱에 속하지만, 단위체들의 결합 형태와 중합체 사슬의 상호작용으로 열경화성에 뒤지지 않는 내구성과 강도를 지니고 있다고 합니다. 이런 이유로 아무리 오래 가지고 놀아도 레고가 망가지지 않는 것입니다. ABS는 레고 뿐만 아니라 휴대전화와 컴퓨터, 모니터, 청소기, 라디오, 헤어 드라이어 등 각종 전자제품에 쓰이고 있습니다.

2. 폴리에틸렌

LDPE(저밀도폴리에틸렌)로 만든 빵 봉지. 출처=http://www.usbox.com

HDPE(고밀도폴리에틸렌)로 만든 저장 탱크. 출처=http://www.tanoplastics.com

폴리에틸렌은 우리가 가장 많이 들어보기도 했고, 가장 많이 생산되는 플라스틱이라고 합니다. 시중에서 판매되는 플라스틱의 1/3을 차지한다고 하니 얼마나 많은 곳에 폴리에틸렌이 이용되고 있는지 상상이 되시지요? 이렇게 폴리에틸렌이 우리 주변에서 자주 사용되는 이유는 음식의 맛과 향에 아무런 영향을 주지 않으며, 가공이 쉽고 투명하기 때문입니다. 재활용할 수 있어 친환경적이기도 합니다. 폴리에틸렌은 에틸렌의 중합반응으로 생성되는데요. 반응 조건에 따라 HDPE(고밀도폴리에틸렌)와 LDPE(저밀도폴리에틸렌)로 구분됩니다. LDPE는 밀도가 낮고, 반대로 HDPE는 밀도가 높은 것을 의미합니다.

3. PET

우리가 자주 접하는 플라스틱 종류 중 하나가 바로 PET입니다. 플라스틱 음료수 병을 대신해 쓰이는 페트(PET)병이라는 단어는 일상생활에서 심심치 않게 듣게 되는 단어입니다. PET는 음료수 병으로만 이용되는 것이 아니라 포일(foil)이나 섬유 등에도 이용된다고 합니다. PET는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 약자로 축합중합으로 생성됩니다. 단위체는 테레프탈산과 에틸렌글리콜로 두 단위체는 분자 양쪽에 각각 하나의 작용기, 즉 2개씩 지니고 있습니다. 이 두 작용기가 반응할 때 물이 빠져나가는데, 물 같은 저분자 물질의 추출이 축합중합의 본질이라고 합니다.

4. PVC

PVC 또한 PET만큼 우리가 자주 듣는 플라스틱 중 하나입니다. PVC가 널리 알려진 이유는 첨가되는 물질 때문이라고 합니다. 원래 경질인 PVC는 가소제를 첨가하면 연질 PVC로 변한다고 합니다. PVC의 단위체는 염화비닐인데, 이 단위체들이 이중결합하며 라디칼 또는 이온 중합반응으로 서로 결합한다고 합니다. PVC는 고분자 사슬 간 인력으로 PE보다 훨씬 강하고 딱딱해지는데, 기술적 제한으로 가소제를 투입하여 연한 플라스틱으로 사용한다고 합니다. 이런 성질로 인해 PVC를 경질과 연질로 구분합니다. 연질은 그 활용도가 높은데, 전선과 호스, 장판, 포일, 양탄자 등 다양한 용도로 활용될 수 있습니다. 경질은 파이프와 블라인드, 약 포장재로 쓰인다고 합니다.

◆플라스틱의 미래

지금까지 플라스틱에 대해 알아보았는데요, 플라스틱은 우리가 알고 있는 것보다 훨씬 더 다양하고, 그 종류만큼 다양한 성질과 기능이 있습니다. 1970, 80년대에 플라스틱은 환경에 해롭고 보기 흉하며, 건강에 안 좋다는 인식으로 많은 비난을 받았습니다. 특히 비닐 봉지는 지구상에서 사라져야 할 물질로 평가를 받기도 했습니다. 그러나 이제 다양한 재활용 방안에 힘입어 친환경 소재로 다시 떠오르고 있습니다. 바이오테크 시대에 발맞춰 바이오 플라스틱도 등장하면서 그 성장은 지속적으로 이뤄지고 있습니다. 여러분도 우리의 생활을 편리하게 해주는 플라스틱의 지속적인 성장을 지켜봐 주세요.

한화케미칼 블로거

*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.