생분해성 고분자의 열적·기계적 특성 비교 분석

환경을 바꾸는 소재, 성능으로 입증해야 한다

환경오염 문제와 함께 플라스틱 대체 소재에 대한 사회적 관심이 높아지면서, 생분해성 고분자는 산업 전반에서 중요한 대안으로 부상하고 있다. 이들은 자연 환경에서 분해가 가능하다는 친환경적 특성을 갖고 있지만, 실제로 제품에 적용되기 위해서는 단순한 ‘생분해성’만으로는 충분하지 않다. 고분자 소재는 용도에 따라 내열성, 인장강도, 연신율, 충격흡수력 등 다양한 물성 특성이 요구되며, 이 기준을 충족해야만 기존 석유계 플라스틱을 효과적으로 대체할 수 있다. 특히 산업 현장에서는 기능성과 생산 효율성을 동시에 고려해야 하므로, 생분해성 고분자의 열적 및 기계적 특성에 대한 정확한 이해가 필수적이다. 이 글에서는 현재 가장 많이 사용되는 생분해성 고분자 PLA, PBAT, PBS, PHB를 중심으로 이들의 열적 특성과 기계적 특성을 비교·분석하고, 각각의 소재가 어떤 용도에 적합한지 기술적 관점에서 고찰해본다.

 

 

생분해성 고분자의 열적 특성 비교

생분해성 고분자의 열적 특성은 해당 소재가 열에 얼마나 강한가, 즉 가공 중 변형 없이 형태를 유지할 수 있는지를 판단하는 핵심 기준이다. 열적 특성 중 대표적인 항목은 유리전이온도(Tg), 용융점(Melting Temperature, Tm), 그리고 **열변형온도(Heat Distortion Temperature)**이다.

• **PLA(Polylactic Acid)**는 유리전이온도가 약 55~60℃, 용융점은 160~180℃ 수준이다. 결정화도가 낮아 열변형이 쉽게 일어나고, 고온 환경에서 형태 유지가 어렵다. 식품 포장재나 일회용 식기에 주로 사용되지만 전자레인지용 식기에는 적합하지 않다.
• **PBAT(Polybutylene Adipate-co-Terephthalate)**는 Tg가 -30℃, Tm이 **110~120℃**로 비교적 낮지만, 유연성과 가공성이 뛰어나 필름 가공에 적합한 소재로 많이 쓰인다.
• **PHB(Polyhydroxybutyrate)**는 높은 결정화도를 가지며 Tg는 약 5℃, Tm은 **175℃**에 이른다. 따라서 PLA보다 내열성이 뛰어나지만, 너무 경질(硬質)이라 사용에 제약이 있다.
• **PBS(Polybutylene Succinate)**는 Tg 약 -30℃, Tm **115℃**로 PBAT와 유사하지만, 결정화도는 더 높아 열변형 안정성은 상대적으로 우수하다.

정리하면, 열적 안정성이 가장 우수한 소재는 PHB, 가공성과 가격 효율이 좋은 것은 PLA와 PBAT, 균형 잡힌 열적 성능을 보이는 것은 PBS라고 볼 수 있다.

 

생분해성 고분자의 열적·기계적 특성 비교 분석 Pavel Danilyuk님의 사진: https://www.pexels.com/ko-kr/photo/8442105/

기계적 특성 비교: 강도와 유연성의 균형

생분해성 고분자의 기계적 특성은 제품이 실제 사용환경에서 얼마나 견디고, 얼마나 늘어나고, 얼마나 잘 버티는지를 판단하는 기준이다. 일반적으로 인장강도, 연신율(신율), 충격강도 등이 주요 지표로 사용된다.

• PLA는 인장강도 약 50~70 MPa, 연신율은 **3~10%**로, 강도는 높지만 취성이 강해 충격에 약하다. 깨지기 쉬운 특성으로 인해 충격 부하가 적은 포장재나 일회용기 등에 적합하다.
• PBAT는 인장강도 20~35 MPa, 연신율 600% 이상으로 매우 유연하고, 충격에 강한 대표적인 생분해성 소재다. 비닐봉투, 포장 필름, 유연한 멀칭필름 등에 많이 사용된다.
• PHB는 인장강도 30~40 MPa, 연신율은 5% 미만으로, 단단하지만 매우 깨지기 쉬운 성질을 가진다. 이를 보완하기 위해 PLA나 PBAT와 블렌딩하는 방식이 활용된다.
• PBS는 인장강도 35~45 MPa, 연신율 **100~250%**로, 강도와 유연성이 적절히 균형 잡힌 소재로 평가된다. 때문에 다용도 포장재나 농업용 필름에 널리 사용된다.

요약하자면, 충격과 인장 특성에서 가장 뛰어난 것은 PBAT, 고강도지만 취성이 있는 것은 PLA, 중간 성능과 안정성을 갖춘 것은 PBS, 내열성과 강도는 좋지만 취성이 극단적인 소재는 PHB라고 정리할 수 있다.

 

기술적 시사점과 용도별 적합성 정리

각 생분해성 고분자는 그 특성에 따라 용도와 가공 방식이 달라질 수밖에 없다. 아래는 주요 소재별 적합 분야를 정리한 표다:

고분자	주요 강점	적합 용도	주요 한계
PLA	고강도, 투명성	포장재, 식기류	낮은 내열성, 취성
PBAT	유연성, 연신율, 충격강도	필름, 비닐, 봉투	낮은 내열성
PHB	높은 결정화도, 생체적합성	의료용 재료, 코팅재	충격에 매우 약함, 고가
PBS	균형 잡힌 성능	농업 필름, 다용도 포장	소재 가격이 높음

 

기술적 측면에서 본다면, PLA는 결정화도 향상을 통한 내열성 보완, PHB는 블렌딩으로 충격저항성 향상, PBAT는 열적 안정성 강화, PBS는 생산비 절감이 향후 발전 방향으로 제시되고 있다.

또한 최근에는 나노셀룰로오스, 유기 점토, 탄소 기반 필러를 첨가해 생분해성 고분자의 기계적 물성을 강화하려는 연구도 활발히 진행 중이다. AI 기반 고분자 시뮬레이션 기술을 활용해 이상적인 분자구조를 설계하고, 실제 생산까지 연결시키는 스마트 소재 기술이 상용화되면 물성 부족 문제도 점차 해결될 것으로 기대된다.