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섬유산업과 지속가능성 (Textiles & Sustainability)

현대 섬유산업에서 사용되는 섬유는 천연섬유와 합성섬유로 구분됩니다. 합성섬유는 인공적으로 만든 소재로, 20세기 이후 의류, 패션산업에서 필수적 역할을 해왔습니다. 최근에는 홈데코·헬스케어 분야에서도 활용이 확대되고 있지만, 순환경제(circular economy)와 섬유 산업의 지속가능성에 대한 우려도 커지고 있습니다.

고분자 소재는 분해에 수천 년이 걸리기 때문에, 합성섬유의 재활용이 큰 과제입니다. 대부분이 매립지로 흘러들어가면서 환경오염을 유발하는 만큼, 합성섬유 재활용은 필수 과제로 대두되고 있습니다. H&M 등 대형 패션 브랜드는 이미 폐의류 수거 캠페인을 통해 재사용·재활용 체계를 도입하고 있습니다.

미래의 섬유 응용 분야

합성섬유는 구김 방지, 방수 등 장점 덕분에 지속적으로 사용 분야가 확대되고 있습니다. 특히 전자섬유(e-textiles) 분야에서 주목받고 있는데, 이들은 열에 반응하여 전기를 생성하는 열전 소재가 코팅된 섬유입니다. 예를 들어 인체 체온을 에너지로 전환해 헬스케어 웨어러블 기기에 적용하는 기술이 연구되고 있습니다. 세탁 후에도 전도성을 유지하는 내구성을 갖춘 전자섬유 코팅 기술이 발전 중이며, 전도성 바이오 셀룰로오스 섬유 및 은 나노선 추가 코팅으로 전도 효율이 더욱 향상되고 있습니다.

전자·반도체 산업과 환경 (Electronics & the Environment)

전자제품 패키징에는 반도체 칩 접착용 폴리머 접착제나 몰드 컴파운드 등 고분자 기반 소재가 필수입니다. 최근에는 실온에서도 반응 가능한 금속 없는 유기 촉매(organo-catalysts)를 활용한 친환경 살아있는 양이온 중합(living cationic polymerization) 기술이 개발되어, 반도체 제조 공정의 환경성을 개선하고 있습니다.

장점

금속 불순물 없이도 반응 가능
습기·산소에 강한 안정성
상온 실험으로 에너지 절감
저비용, 무독성, 원료 확보 용이성

이 기술은 전도성 고분자(conductive polymers)와 생분해성 고분자(degradable polymers) 합성에도 확대 적용 가능합니다.

과학자들은 1980년대부터 살아있는 양이온 중합(living cationic polymerization) 기술을 연구해왔습니다. 이는 고분자 화학에서 중합 사슬이 종결되지 않고 계속 성장할 수 있도록 설계된 연쇄 성장형 중합(chain-growth polymerization) 방식입니다.

최근 들어, 금속을 사용하지 않는 유기촉매(metal-free organocatalysts)를 중합 반응에 활용할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 특히, 연구진은 최초로 비닐 및 스티렌 모노머의 상온 반응에 금속 없는 유기촉매를 적용해, 친환경적인 반도체 개발이 가능함을 입증했습니다.

요약하면, 이 기술을 통해 전도성 고분자(conductive polymers) 및 생분해성 고분자(degradable polymers)의 합성이 가능해졌습니다. 기존에는 금속 촉매 사용 시 발생할 수 있는 금속 불순물 문제가 실용화를 가로막는 주요 장벽이었지만, 유기촉매 기술로 이를 해결할 수 있게 된 것입니다.

또한 이 유기촉매 방식은 습기나 산소에 민감하지 않고, 흡습성(hygroscopicity)도 낮아 까다로운 조건 없이 안정적인 반응이 가능합니다. 상온에서도 실험이 가능하다는 점은 에너지 소모를 줄일 수 있는 큰 장점이며, 저비용·무독성·원료 확보 용이성 등의 이점도 함께 제공합니다.

Polymerize.io는 이러한 환경친화적인 소재를 바탕으로 저비용 친환경 전자소재를 개발할 수 있도록 돕고 있습니다. 우리의 목표는 최고 품질의 제품을 지속 가능한 방식으로 개발하고, 순환경제 기반으로 탄소발자국을 줄이는 것입니다.

탄소나노튜브 (Carbon Nano-Tubes, CNT)

탄소나노튜브(CNT)는 단일층 탄소 원자(그래핀) 시트를 말아 만든 원통형 분자로, 탁월한 기계적 특성과 경량성을 갖춘 첨단 소재입니다. 예를 들어, 인장강도는 강철의 약 400배, 밀도는 1/6 수준으로 가볍고, 종횡비(aspect ratio)는 1000 이상으로 매우 높습니다. 이러한 특성 덕분에 스포츠용품, 기능성 섬유, 자동차, 항공·우주 산업 등에서 고강도 경량 복합소재로 활발히 활용되고 있습니다.

다만, CNT를 고분자 매트릭스에 혼합해 사용할 경우에는 이러한 우수한 특성이 제대로 발현되지 않는 경우가 많습니다. 주된 원인은 CNT와 고분자 사이의 계면 결합력이 약하기 때문입니다. 연구자들은 CNT를 매트릭스에서 빼내는 데 필요한 힘(CNT pull-out force)을 측정하여, 이 계면 상호작용의 강도를 정량적으로 분석합니다.

최근에는 합성곱 신경망(CNN, Convolutional Neural Network) 기반의 머신러닝 모델을 통해, CNT와 고분자 간 계면 결합에 영향을 주는 특성들의 공간적 분포를 시각화하고 분석하는 기술이 개발되었습니다. 전통적인 실험 방식이라면 수개월이 걸릴 예측을, 이 모델을 활용하면 수 초 내로 도출할 수 있어 효율성이 크게 향상됩니다.

이러한 AI 기반 접근법은 CNT-고분자 복합소재의 기계적 성능을 극대화함으로써, 지금까지 적용이 어려웠던 고난도 응용 분야에서도 새로운 가능성을 열어주고 있습니다.

Polymerize는 소재 R&D 전문가들이 복잡한 실험을 효과적으로 설계하고 예측할 수 있도록 지원합니다.

저희의 고유 머신러닝 알고리즘은 실험 반복을 줄이면서도 높은 정확도를 제공하여, 제품 개발 속도를 크게 향상시킵니다.

폴리머와 해양 미세조류 (Polymers & Marine Algae)

Poly(acrylic acid, PAA), 전체 미생물체, 그리고 해당 미생물의 불용성 세포벽 성분을 활용해 바이오 기반 고분자(Bio-based polymers)를 합성하는 연구가 진행되었습니다. 이 세 가지 성분의 조합을 달리함으로써, 각각 기계적, 열적, 물리적, 화학적 특성이 다른 바이오 고분자를 만들어낼 수 있었습니다.

이러한 생분해성 바이오 플라스틱은 주로 포장재인 비닐봉지나 플라스틱 병 등에 활용됩니다.

기존의 합성 고분자(synthetic polymers)는 원하는 최종 특성에 맞춰 맞춤형 제작이 가능하다는 장점이 있지만, 분해가 어려워 자연에서 완전 분해까지 100년 이상이 걸릴 수 있습니다. 대부분은 매립지나 해양으로 흘러들어가 환경 문제를 야기합니다. 이에 따라, 화석연료 유래 플라스틱을 대체할 수 있는 바이오 기반 소재에 대한 수요가 높아지고 있습니다.

특히 미세조류(micro-algae)는 저비용, 빠른 성장 속도, 생산의 용이성 등으로 주목받고 있습니다. 현재 화장품 산업, 약물 전달 시스템(drug delivery) 등 다양한 상업적 용도에 활용되고 있으며, 배양된 미생물을 기반으로 한 친환경 소재 개발이 활발히 진행 중입니다.

실제 연구에서는 Schizochytrium 종의 미세조류를 이용해 두 가지 방식의 바이오 고분자를 개발했습니다: