한국화학연구원은 조득희·김동우 박사팀이 기업 KPX케미칼, 폼웍스, 부산대, 인제대와 함께 한국전력공사 기술기획처 사외공모로 ‘이산화탄소를 함유한 친환경 폴리우레탄 소재 개발’ 연구사업을 수행, 폴리우레탄 소재의 원료가 되는 기초 단량체 물질인 ‘프로필렌 카보네이트’의 촉매 공정을 개발했다고 14일 밝혔다.
‘프로필렌 카보네이트’는 ‘폴리올’의 기초원료이며 ‘폴리올’은 폴리우레탄의 원료가 된다.
연구진은 ‘프로필렌 카보네이트’와 이를 원료로 한 ‘폴리올’을 파일롯 규모로 생산해 폼웍스와 KPX케미칼에 제공했다.
이를 바탕으로 폼웍스는 폴리우레탄의 부드러운 형태(연질폼)인 화장품 쿠션을, KPX케미칼는 폴리우레탄의 딱딱한 형태(경질폼)인 건축 단열재 시제품을 각각 제조하는 데 성공했다.
‘프로필렌 카보네이트’는 폴리올의 원료 물질 외에도 활용 범위가 넓다. 인체에 무해해서 화장품의 유화제로 사용하거나 이차전지의 전해액 또는 극성용매로 사용할 수 있다.
‘프로필렌 카보네이트’는 기존 공정에서 독성이 강한 물질로 만들었는데 이를 친환경적으로 대체하기 위해 온실가스인 이산화탄소 활용 공정을 전세계적으로 개발하고 있다.
이산화탄소는 열역학적으로 매우 안정된 물질이어서 이를 유용한 물질로 전환하기 위해서는 높은 에너지가 필요하다. 따라서 반응 에너지를 높여주는 촉매 공정이 필수적이다. 중국과 독일에서 촉매 공정을 개발했고 국내에서는 최근 여러 논문들이 보고되고 있지만 실험실 규모에 그치고 있으며 효율이 낮다.
화학연은 이산화탄소로부터 ‘프로필렌 카보네이트’ 합성에 필요한 고효율 촉매를 개발하고 파일럿 규모에서 물질 제조에 성공했다. 부산대는 ‘프로필렌 카보네이트’의 촉매 반응 메커니즘에 대한 연구를 화학연과 공동 수행했고 인제대는 본 공정으로 만들어진 폴리올의 적용 확장성에 대해 연구했다.
또한 연구진은 촉매를 연속적으로 대량 생산할 수 있는 반응기를 구축했고 현재 촉매의 반응성을 개선하기 위한 후속 연구를 진행하고 있다.
이와 관련한 연구 성과는 2016년부터 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 등 4편의 국제학술지에 게제됐 3편의 특허가 출원됐다. 현재 관련 기업과 사업화를 논의하고 있다.
연구진은 ‘프로필렌 카보네이트’ 외에도, 이산화탄소와 촉매를 활용한 다양한 5원환 탄산염의 합성 연구를 진행해 왔다. 5원환 탄산염은, 탄소와 산소로 이루어진 오각형 분자구조 물질로 다양한 화학원료로 쓰인다.
연구진은 특히 유럽 선진국에서 활발한 연구가 진행되고 있는 비 이소시아네이트 폴리우레탄 주원료를 만드는 촉매 및 공정을 개발했다. 비 이소시아네이트 폴리우레탄은 접착제, 페인트, 3D 프린팅 소재 등에 쓰이는 원료로서, 향후 이산화탄소를 활용한 폴리우레탄 원료 연구개발 영역이 확대될 것으로 기대된다.
/대전=박희윤기자 hypark@sedaily.com
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