서강대 화공생명공학과 박제영 교수 공동연구팀,

폐 PET를 고성능 엔지니어링 플라스틱 PBT로 전환하는 저온 업사이클링 기술 개발

▲ (좌측상단부터 시계방향) 서강대 화공생명공학과 박제영 교수, 고려대학교 오동엽 교수, 안영환 연구원, 신미라 연구원

서강대학교(총장 심종혁) 화공생명공학과 박제영 교수 연구팀은 고려대학교 오동엽 교수 연구팀 및 현대차·기아 연구진과의 공동연구를 통해, 폐 PET를 고성능 엔지니어링 플라스틱인 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)로 전환하는 저온 화학적 업사이클링 기술을 개발했다.

탄소중립형 화학산업으로의 전환을 위해서는 메탄올과 같은 C1 기반 화학 원료뿐 아니라, 사용 후 플라스틱에 축적된 고분자 탄소 자원을 다시 고부가가치 화학소재로 전환하는 기술이 중요하다. 특히, PET는 음료병, 섬유, 포장재 등 일상생활 전반에서 널리 사용되는 대표적인 폴리에스터계 플라스틱이다. 그러나 사용 후 PET의 상당 부분은 고품질 소재로 재활용되지 못하고, 기존 재활용 공정은 물성 저하, 높은 에너지 소비, 복잡한 분리·정제 과정 등의 한계를 가진다. 특히 PBT는 자동차 및 전자소재 분야에서 사용되는 고부가가치 엔지니어링 플라스틱이지만, 주로 석유 기반 원료에 의존해 생산되고 있어 지속가능한 대체 생산 경로의 필요성이 커지고 있다.

공동연구팀은 폐 PET를 단순히 저부가가치 재생 플라스틱으로 되돌리는 것이 아니라, 고성능 PBT로 전환하는 분자 수준의 업사이클링 전략을 제시하였다. 본 연구에서는 심층공융용매 (deep eutectic solvent; DES) 촉매인 choline chloride/zinc acetate와 보조 용매인 anisole을 함께 사용하여, 150 °C의 낮은 온도에서 PET의 해중합을 효과적으로 유도하였다. DES 촉매는 반응물의 친핵성과 PET 에스터 결합의 반응성을 동시에 높이고, anisole은 PET 사슬의 방향족 구조와 상호작용하여 고분자 내부 팽윤을 촉진함으로써 저온 조건에서도 높은 해중합 효율을 가능하게 하였다.

그 결과, 최적 조건에서 4시간 반응만으로 PET 전환율 95%, 단량체 (bis(4-hydroxybutyl) terephthalate; BHBT) 수율 84%를 달성하였다. 회수된 BHBT는 재중합을 통해 재생 PBT(r-PBT)로 전환되었으며, 제조된 r-PBT는 상용 PBT에 준하는 열적 특성과 기계적 강도를 보였다. 특히 인장강도 64 MPa와 파단신율 290%를 나타내어, 폐 PET 유래 소재임에도 엔지니어링 플라스틱으로 활용 가능한 우수한 물성을 구현하였다.

연구팀은 또한 전과정평가(LCA)를 통해 본 기술의 환경성을 검증하였다. 비교 대상은 대표적인 C1 화학원료인 메탄올을 사용하는 기존 메탄올 분해 기반 PBT 재활용 공정으로 설정하였다. 분석 결과, 기존 공정 대비 지구온난화지수(GWP)를 19%, 비재생에너지 사용량(NREU)을 4% 낮출 수 있는 것으로 나타났다. 이는 폐 PET에 축적된 탄소자원을 고부가가치 PBT로 전환하는 동시에, 기존 C1 기반 재활용 경로보다 환경 부담을 줄일 수 있음을 보여준다.

이번 연구는 폐 PET를 기존 PET 재생 소재로 되돌리는 수준을 넘어, 자동차·전자소재 등에 활용 가능한 고성능 PBT로 전환했다는 점에서 의미가 크다. 또한 독성 할로겐화 용매를 사용하지 않고, 저온 조건에서 높은 수율과 우수한 물성을 동시에 달성함으로써, 지속가능한 플라스틱 순환경제 구현을 위한 새로운 업사이클링 플랫폼을 제시하였다.

▲ 폐 PET 저온 업사이클링 및 r-PBT 제조 공정 개요

본 연구성과의 제 1저자인 신미라 연구원은 “이번 연구는 폐 PET를 고성능 엔지니어링 플라스틱으로 전환할 수 있는 저온 화학적 업사이클링 전략을 제시한 것”이라며, “메탄올 기반 화학공정과의 비교를 통해 저탄소 촉매공정 설계의 중요성을 확인했다는 점에서도, 향후 탄소자원 고부가가치화 기술 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

과학기술정보통신부의 C1 가스 리파이너리 밸류업 사업 및 현대차·기아의 지원으로 이뤄진 이번 연구 결과는 화학공학 분야의 국제 저명 학술지인 Chemical Engineering Journal에 게재되었으며, 폐 PET를 저온 조건에서 고부가가치 엔지니어링 플라스틱 PBT로 전환하는 새로운 화학적 업사이클링 전략의 중요성을 인정받아 주목할 만한 연구 성과로 평가받고 있다

▶ 논문 제목: ‘Synergistic low-temperature upcycling of post-consumer PET into engineering-grade PBT: Dual-activation by deep eutectic solvents and anisole-induced swelling’

▶ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177960

▶ 연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/jyp-plastic-research/