“전자폐기물의 패러다임 전환” KAIST, 생분해 전기 활성 필름 개발

갑오징어에서 추출한 세피아 멜라닌으로 만든 친환경 필름이 퇴비화 조건(온도: 58도, 습도: 50~60 RH% 유지)에서 85일 만에 97%가량 생분해 됐다. 세피아 멜라닌은 미래 전자 소재로 주목받는 물질로, 친환경 전자제품의 새로운 가능성을 여는데 디딤돌 역할을 할 것으로 기대를 모은다.

세피아 멜라닌 기반의 전기 활성 필름이 생분해 되는 과정 분석자료. KAIST 제공

KAIST는 건설및환경공학과 명재욱 교수 연구팀이 몬트리올 공과대학 클라라 산타토(Clara Santato) 교수 연구팀과 국제 공동연구를 진행해 ‘완전히 생분해’ 되는 세피아 멜라닌 기반의 전기 활성 필름을 개발했다고 25일 밝혔다.

전자폐기물은 전자제품 수요의 증가와 맞물려 해마다 전 세계적으로 6000만t에 육박하는 양이 발생한다. 반면 재활용되는 전자폐기물은 전체의 17.4%에 불과하고, 나머지는 대부분 매립·소각 처리돼 납(Pb), 카드뮴(Cd) 등 중금속이나 폴리염화비닐(PCB) 등 유해 화학물질로 생태계를 오염시킨다.

같은 이유로 전자폐기물을 다룰 때 기존의 선형적 관점이 아닌 순환적 생애주기(circular life cycle)관점을 기반으로 관리 전략을 수립해야 한다는 주장이 지배적이다. 지속가능한 전자소재 개발 연구가 필요한 상황으로, 전자폐기물에 의한 환경오염을 방지하기 위한 바이오 기반의 생분해성 유기전자 소재(organic electronic materials)개발 필요성도 함께 대두된다.

생분해성 유기전자 소재는 전자제품(전자폐기물)의 패러다임을 전환할 새로운 소재로 떠오른다. 유기전자 소재는 멜라닌·타닌·이모딘·리그닌·도파민 등 화학 구조상 전자공액계(electron conjugation)를 특징으로 하는 물질을 지칭하며, 자연에 풍부한 생물자원 기반 전자소재 개발은 핵심 자원의 고갈 문제를 해결하는 데 기여할 것으로 기대를 모은다.

특히 갑오징어에서 추출할 수 있는 세피아 멜라닌은 생분해성, 저독성으로 친환경 전자제품 설계에서 중요한 물질로 주목받는다. 다만 아직 연구단계에 머무르고 있다.

이러한 상황에 착안해 공동연구팀은 세피아 멜라닌을 활용해 전기적으로 활성을 띄는 필름을 구현하고, 전기적 특성과 지속가능성(생분해도, 생태독성)을 평가하는 연구를 진행했다.

전기 활성 필름은 세피아 멜라닌과 복합체를 잉크로 제조하고, 이를 플렉소 인쇄 기법으로 은 패턴 전극이 있는 종이 위에 인쇄하는 방식으로 만들어진다.

명재욱 교수. KAIST 제공

공동연구팀도 완전한 분해가 가능한 전기 활성 필름을 구현하기 위해 천연 바이오 소재인 세파아 멜라닌-셀락 잉크 복합체를 활용한 플렉소그래피 인쇄기술로 은 전극 패턴의 종이 위에 인쇄했다.

이어 인쇄된 필름이 이산화탄소(CO2)로 전환되는 정도(광물화도)를 기반으로 퇴비화 조건에서 생분해되는 과정을 분석했을 때 85일 만에 97%가량이 생분해되는 것을 확인했다.

인쇄 필름은 육안으로는 20일 이내에 완전히 분해됐으며, 주사전자 현미경 분석으로 박테리아가 인쇄 필름의 생분해에 관여해 퇴비 미생물 군집이 표면에 형성되는 것이 관찰됐다.

무엇보다 인쇄 필름의 생분해 산물이 생태독성을 가졌는지 여부를 조사하기 위해 쥐보리(Lolium multi?orum)와 메리골드(Tagetes erecta) 등 식물 2종의 발아 실험을 진행했을 때 인쇄 필름과 개별 구성 성분(세피아 멜라닌, 셸락, 셀룰로오스 등)은 식물에 미치는 독성이 미미한 것으로 나타났다.

전기적 특성을 분석한 결과에서 세피아 멜라닌-셸락 인쇄 필름은 10-4S/cm의 전기전도도를 나타냈다. 이는 일반 금속이나 고성능 전자 재료에 비해 낮은 수치다. 다만 생분해성 및 친환경 특성을 고려할 때 환경 센서, 생체 디바이스, 일회용 전자제품 등 특정 응용분야에서 경쟁력 있는 대안으로 활용될 수 있다는 것이 공동연구팀의 설명이다.

명 교수는 “세피아 멜라닌, 셸락 등 흔히 쓰이지 않는 바이오 기반 물질로 ‘완전히 생분해’ 되는 전기활성 필름을 구현한 것은 이번이 첫 사례”라며 “공동연구팀은 후속 연구로 지속가능한 전자 디바이스 구현을 위한 여러 대안을 제시할 계획”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 KAIST 공과대학 석·박사 모험연구 및 창의도전사업(C2연구), 한국연구재단 과학기술국제화사업-한국 이공계 대학원생 캐나다 연수 프로그램 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

연구에는 KAIST 건설및환경공학과 최신형 박사과정과 몬트리올 공과대학 앤써니 카뮈(Anthony Camus) 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 지난달 29일 국제 학술지 ‘Communications Materials’을 통해 출판됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr