[사이언스올] 20세기 기적의 소재 "플라스틱"

20세기 기적의 소재, 플라스틱

인류의 역사를 석기시대, 청동기시대, 철기시대로 구분한다면 현대는 플라스틱시대라 할 수 있다. 사실 플라스틱 없이는 현대 문명이 만들어낸 혁신적인 제품들을 제조할 수 없다. 예를 들면 수십 나노미터 크기의 패턴 해상도를 가지는 반도체 소자, 얇고 화려한 색감의 LCD와 유기EL 디스플레이, 고성능 2차전지, 초극세사와 기능성 섬유, 자동차 내장재 등은 플라스틱이 개발되지 않았다면 볼 수 없었을 제품이다. 20세기를 주도한 기술 중 하나인 플라스틱의 합성과 진화는 오늘도 계속된다.


상아 당구공 대체품 찾다가 발명한 플라스틱

플라스틱의 역사는 독일인 크리스티안 쇤바인(Christian Friedrich Schonbein, 1799~1868)으로부터 출발한다. 그는 스위스 바젤대학 교수로 재직하던 1846년 폭발성이 강하고 탄성이 큰 질산섬유소(니트로셀룰로오스) 합성에 성공한다. 이어 1862년 영국의 알렉산더 파크스(Alexander Parkes, 1813~1890)가 질산섬유소를 가지고 실험을 했다. 질산섬유소를 에테르와 알코올에 용해시킨 뒤 틀에 넣어 건조시키면 원하는 모양대로 만들 수 있었다. 그는 이 물질에 파크신이란 이름을 붙였다. 파크신은 단단했고, 탄성도 있어 성형하기 쉬웠다. 그러나 건조하면 줄어드는 결점이 있었다.

그림 1 당구공의 재료가 된 셀롤로이드. 사진 제공 : 동아일보

최초의 플라스틱은 당구공의 재료로써 비싸고 귀했던 아프리카 코끼리의 상아를 대체할 물질을 찾으려는 노력에서 얻어졌다. 미국의 존 하이아트(John. W. Hyatt 1837~1920)는 질산섬유소를 잘 용해시킬 수 있는 물질을 찾으려 노력했다. 그러던 어느 날, 피부약으로 쓰이는 캠퍼팅크를 질산섬유소에 넣었더니 질산섬유소가 녹기 시작했다. 캠퍼팅크란 장뇌를 알코올에 녹인 의약품으로, 그 가운데 장뇌가 질산섬유소를 녹인 것이다. 1869년 최초의 천연수지 플라스틱 셀룰로이드는 이렇게 만들어졌다. 이 새로운 물질은 열을 가하면 어떠한 모양으로도 만들 수 있었고, 열이 식으면 상아처럼 단단하고 탄력 있는 물질이 됐다. 그러나 셀룰로이드는 깨지기 쉬워 당구공 재료로는 적합지 않았다. 대신 틀니, 단추, 만년필 등의 용도로 사용됐다.


베이클라이트, 최초의 합성수지 플라스틱

그림 2 최초의 합성수지 플라스틱을 발명한 베이클랜드

합성수지를 원료로 한 최초의 플라스틱은 1907년 벨기에 태생의 미국인 레오 베이클랜드(Leo Hendrik Baekeland, 1863~1944)가 발명한 베이클라이트다. 전기화학회사를 운영하던 베이클랜드는 기존에 사용하던 절연체를 대체할 새로운 물질을 연구하던 중에 독일의 화학자 아돌프 폰 바이어(1835~1917, Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer, 1835~1917)가 1872년에 썼던, 페놀과 포름알데히드를 반응시키면 나뭇진 같은 것이 생긴다는 논문을 찾아냈다. 그는 이 사실에 착안해 페놀과 포름알데히드를 이용해 베이클라이트를 만들었다. 베이클라이트는 천연원료를 사용하지 않고 만들어진 최초의 합성수지로, 단단하고 절연성이 있으며 부식되지 않았다.

또한 여러 가지 첨가물을 넣고 가공하면 다양한 특성의 복합재료가 만들어졌다. 열과 압력으로 성형한 뒤에는 다시 열을 가해도 물러지지 않는 열경화성 수지였고, 값싸고 내구성도 뛰어났다. 이런 특성 때문에 베이클라이트는 각종 전자제품에 널리 쓰이기 시작했다. 미국 정부는 제2차 세계대전 중 구리가 부족해지자 베이클라이트로 1센트 동전을 만드는 것까지 고려할 정도였다.

1922년에는 플라스틱이 서로 연결된 수천 개의 분자사슬, 즉 고분자로 이루어졌다는 사실이 밝혀졌다. 이를 밝혀낸 사람은 독일의 화학자 헤르만 슈타우딩거(Hermann Staudinger, 1881~1965)로, 고분자화학에 대한 공로를 인정받아 1953년 노벨화학상을 수상했다. 그의 발견 이후 플라스틱은 다양한 형태로 개발되기 시작했다.


폴리에틸렌, 가장 널리 쓰이는 플라스틱

그림 3 잡지에 실린 베이클라이트 광고(1925년)

1933년은 가장 많이, 광범위하게 소비되는 플라스틱 폴리에틸렌(PE)이 재발견된 해이다. 폴리에틸렌은 생활주변 어디서든 쉽게 찾아볼 수 있다. 포장용 비닐봉투, 플라스틱 음료수병, 전선용 피복재료 따위가 폴리에틸렌으로 만들어진 것이기 때문이다. 폴리에틸렌의 발견은 우연한 기회에 이뤄졌는데, 그 주인공은 독일의 한스 폰 페치만(Hans von Pechmann, 1850~1902)이다. 그는 실험실의 한 실험튜브에서 우연히 밀랍 성분의 잔여물을 발견하고, 그것이 가변성을 지니고 있어 얇은 필름 형태의 제품을 만들 수 있는 물질이라고 여겼다. 그러나 당시에는 실용성이 없어 보였고, 그래서 그의 실험은 잊혀졌다.

폴리에틸렌의 두 번째 발견 역시 우연한 기회에 나왔다. 1933년 영국 임페리얼화학공업사(ICI)의 에릭 포셋(Eric William Fawcett, 1927~2000)과 레지널드 깁슨(Reginald Gibson) 역시 실험실에서 실험을 하던 중 우연히 이 물질을 발견했던 것이다. 에틸렌을 중합하면 폴리에틸렌이 만들어지는데, 그 밀도에 따라 저밀도 폴리에틸렌과 고밀도 폴리에틸렌으로 나뉜다. 고밀도 폴리에틸렌은 독일의 칼 치글러(Karl Waldemar Ziegler, 1898~1973)가 1953년 발견했다. 고밀도 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌보다 단단하고 높은 온도에 강해 파이프나 연료탱크 같은 딱딱한 제품을 만드는 데 주로 사용된다.

그림 4 생활주변의 다양한 플라스틱들. 사진제공 : 위키피디아

한편 1937년에는 미국 듀퐁사의 월리스 캐로더스(Wallace H. Carothers, 1896~1937)가 합성섬유 나일론을 개발했다. 나일론은 ‘거미줄보다 가늘고 강철보다 질긴 기적의 실’로 불렸다. 듀퐁사는 나일론 스타킹을 만들어 첫 판매 당일 미국 전역에서 400만 켤레의 판매고를 올렸다. 방수·방풍 기능 덕에 낙하산과 텐트 등 군용 제품과 어망이나 로프 등 산업용 제품을 제조하는 데 널리 사용됐다. 당시 연합군 총사령관이었던 미국의 아이젠하워는 그의 이름을 따 ‘아이크 재킷’이라 불리는 나일론 군복을 직접 디자인할 정도였다.



고기능성 플라스틱과 미래의 플라스틱

20세기 후반으로 들어오면서 고기능성 플라스틱의 개발 속도는 더욱 가속화됐다. 일본의 히데키 시라카와(Hideki Shirakawa, 1936~)는 앨런 맥더미드(Alan G. MacDiarmid, 1927~2007), 앨런 히거(Alan J. Heeger, 1936~)와 함께 전기가 통하는 플라스틱을 개발해 2000년 노벨화학상을 받았다. 전도성 플라스틱은 광학재료나 유기물질을 이용한 전기발광소자(OLED 디스플레이), 접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이, 가볍고 투명한 태양전지의 제조에 이르기까지 다양한 분야에서 기술 개발이 이뤄지고 있다. 인공피부나 연골 같은 인공장기 역시 플라스틱으로 개발되고 있으며, 생체재료로서 플라스틱은 의학 분야에 광범위하게 사용될 것으로 예측된다.

그림 5 자연에서 분해되는 분해성 플라스틱　사진제공 : 동아일보

수백 도의 온도에 견디는 플라스틱도 만들어졌다. 일본 혼다사는 이를 이용해 경주용 자동차 엔진까지 제작했다. 미국 듀퐁사는 철사보다도 인장 강도가 뛰어난 케블러 섬유와 아라미드 섬유를 개발하기도 했다. 이처럼 미래의 플라스틱 신소재 개발의 응용범위에는 한계가 없다. 또한 첨단 기능의 특수 플라스틱 시장은 매우 확대될 것으로 전망된다.

그러나 플라스틱은 환경문제에서 자유롭지 못하다. 쓰고 버려지는 수많은 플라스틱으로 지구의 환경이 오염되고 있기 때문. 따라서 분해성 플라스틱의 개발은 앞으로 플라스틱 기술에서 매우 중요한 과제다. 또한 플라스틱의 원료로서 사용되는 원유의 고갈 역시 플라스틱 산업이 직면한 커다란 위기 가운데 하나다. 천연 소재 기반의 플라스틱을 서둘러 개발해야 하는 이유가 바로 여기에 있다.