척척박사 연구소

척척박사 연구소과학이야기제목별로 보기해설이 있는 과학

해설이 있는 과학

최신 소식 속에 담긴 다양한 과학정보에 대한 해설입니다.

막강 플라스틱 패밀리


“보렴. 저곳이 바로 우리가 만든 세상이란다. 정말 멋지지 않니?”
여든을 넘긴 폴리염화비닐 할아버지가 손끝으로 가리키는 곳마다 반짝반짝 윤기가 흐르는 플라스틱이 보였다. 빨강, 노랑, 파랑의 알록달록한 당구공은 견고함을 뽐냈고 실크처럼 부드러운 나일론 스타킹은 여자들의 다리를 미끄러지듯 감쌌다. 유리처럼 투명한 창과 가볍고 튼튼한 창틀에는 폴리카보네이트와 폴리염화비닐이 자리잡고 있었다.

옛날이야기를 해달라고 조르던 손자는 증조할아버지와 할아버지, 고모할머니 그리고 자신의 아버지 얘기가 나오자 귀가 번쩍 뜨였다.
“지난 세기동안 플라스틱은 상아와 나무, 실크, 석면, 유리, 금속에 이르는 다양한 자연재료를 대체해왔지. 필요는 발명, 아니 플라스틱을 낳는다고 하잖아. 그럼 오늘은 플라스틱 패밀리의 족보를 한번 들춰볼까.”



백수(白壽)를 누린 베이클라이트




v플라스틱 가문의 시조 베이클라이트. 벨기에 태생의 미국인 베이클랜드가 1907년 개발했으니 올해로 딱 100살이 됐어. 베이클라이트는 페놀(C6H5OH)과 포름알데히드(HCOH)의 조합으로 탄생한 최초의 인공 플라스틱이야. 그전에도 셀룰로이드라는 플라스틱이 있었지만 식물세포막을 이루는 셀룰로오스가 원료라 완전한 합성수지라고는 할 수 없었지.

19세기 초 당구가 전세계인의 스포츠로 자리잡으면서 당구공의 재료였던 상아도 품귀현상을 빚었단다. 설상가상으로 아프리카 코끼리의 수가 급격히 줄며 상아 값도 치솟았어. 급기야 상아를 대체할 만한 당구공의 재료를 만드는 사람에게 어마어마한 상금을 주겠다는 제안이 등장했지. 1869년 미국의 인쇄업자였던 존 하이어트는 실험실에서 셀룰로이드를 만드는데 성공했어. 값싼 셀룰로이드는 금세 상아당구공의 자리를 차지했고 머리빗이나 보석, 인조치아, 영화 필름, 탁구공의 재료로 사용됐지. 하지만 85~100℃의 열을 받으면 물렁물렁해지고 불에 타기 쉽다는 단점이 있었어.


당구공과 각종 장신구를 만드는데 쓰던 상아가 귀해지자 그 대용품으로 베이클라이트를 발명했다.

뒤이어 등장한 베이클라이트는 상아당구공을 대체한 것뿐만 아니라 열을 가하면 어떤 모양으로도 변신하는 성질 때문에 라디오, 전화기, 시계 같은 생활용품의 재료가 됐어. 한때 미국 정부는 제2차 세계대전으로 구리가 부족해지자 1센트짜리 동전을 베이클라이트로 만들려고 했던 적도 있단다. 비록 실현되지는 않았지만 정말 뿌듯한 순간이었지. 베이클라이트는 전기와 열을 통하지 않아 전선피복이나 회로를 만드는데도 유용하게 쓰였단다. 베이클라이트의 성공으로 플라스틱 연구도 활기를 띄기 시작했어. 19세기 초 세워진 미국의 화학회사 듀폰은 1920년대에 접어들며 본격적으로 플라스틱 산업에 뛰어들었고 다양한 히트상품을 만들어냈지. 한마디로 플라스틱 패밀리의 전성기가 시작된 셈이야.




건축사를 새로 쓴 폴리염화비닐
이제부터 쑥스럽지만 내 얘기를 좀 해볼까. 나는 폴리염화비닐이란 정식 이름보다는 애칭인 PVC로 더 유명해. 1926년 미국 굿리치사가 나를 만드는데 최초로 성공했고 큰 유행을 기록했어. 내 최고의 장점은 값싸고 열과 풍화작용에 잘 견딘다는 점이지. 덕분에 매년 생산된 양의 절반 정도가 창문이나 창틀, 파이프 같은 건축자재로 쓰였고 전통적 건축자재였던 나무를 대체했다는 평가를 받았어. 그런데 자동차 의자의 가죽덮개나 비닐봉지, 식품용 랩도 PVC에 속해. 단단함과 부드러움이라는 두 얼굴을 가진 셈이지. 그 비밀은 바로 가공에 있어.

PVC를 만들기 위해서는 분말 상태의 염화비닐 속에 다양한 화학물질을 첨가해. 첫째가 바로 열안정제인데, 플라스틱을 가공하는 동안 열에 의해 분해되는 것을 막기 위해서야. 주로 납이나 주석, 아연염 같은 금속을 쓰지. 또 잘 부서지지 않도록 다른 고분자를 섞고, 쉽게 모양을 만들 수 있도록 각종 보조제를 첨가하기도 해. 이런 과정을 거치면 딱딱한 PVC가 만들어지지.

PVC는 열을 잘 견디고 날씨의 변화에도 끄떡없기 때문에 창틀의 재료로 널리 쓰인다.





비닐봉지처럼 유연한 PVC로 한 단계 더 변신하고 싶다면 디옥틸프탈레이트, 디옥틸아디페이트 같은 가소제를 첨가하면 돼. 플라스틱은 탄소결합을 주축으로 하는 분자가 사슬모양으로 길게 모여 만든 거대분자, 즉 폴리머라는 사실을 알고 있지? 마치 구슬을 꿰어놓은 모양처럼 말이야. 가소제는 플라스틱 분자 사이에 끼어들어 분자끼리 잡아당기는 힘을 약하게 만들어. 따라서 아무리 단단한 PVC라도 가소제를 넣으면 말랑말랑해지고 가공하기 쉬워지는 거야.

젊은 시절 나는 생활에서 쓰이지 않는 곳이 없을 정도로 팔방미인이었지. 하지만 사람들은 나를 재활용하는 일에 무관심했고 곧 쓰레기 문제가 불거졌어. 또 불에 태우면 다이옥신이란 발암물질이 발생하고 환경호르몬이 배출된다는 비판이 일며 지금은 후배인 폴리에틸렌에게 생활용품분야를 넘겨줬지. 하지만 건축분야에서는 여전히 건재하다고.



석유로 짠 인공섬유 나일론
평생 그날을 잊지 못할 거야. 1939년 미국 뉴욕의 거리 곳곳은 멋쟁이 여인들로 가득 찼지. 그들은 하나 같이 내 동생인 나일론이 발매되길 기다리고 있었어. 정식명칭은 폴리아미드로 최초의 인공섬유였지. 앞서 말한 미국의 듀폰사는 1927년부터 12년 동안 2700만 달러를 들여 나일론을 합성하고 대량으로 생산할 수 있는 산업공정을 갖췄어.

여기엔 듀폰사로 스카우트된 하버드대의 화학자 월리스 캐러더스의 공이 컸지. 그는 병 속에 담긴 폴리에스테르를 유리막대로 찍어 공중에 휘젓자 거미줄 같은 실이 생기는 모습에 아이디어를 얻어 나일론을 만들었어. 녹는점이 폴리에스테르보다 훨씬 높은 폴리아미드를 사용했기 때문에 열에도 잘 견뎠지.

강철처럼 질긴 인공섬유 나일론은 낙하산의 재료로 인기를 끌었다.

첫 생산품은 칫솔모였고 점차 낚싯줄이나 수술용 실로 활용되기 시작했어. 하지만 나일론이 진정한 스타가 된 것은 스타킹으로 제작되면서부터였지. 거미줄처럼 가늘지만 튼튼하고 탄력 있는 나일론 스타킹은 몸매를 살려준다는 입소문이 나면서 불티나게 팔렸어.

“석탄, 물, 공기가 당신의 몸을 감쌉니다”라는 듀폰사의 광고처럼 ‘인공미인’ 나일론은 열광적인 지지층을 낳으며 나일론왕국을 건설했지. 제2차 세계대전 기간에는 병사들의 방탄조끼나 낙하산을 만드는데 주로 쓰였어. 당시 낙하산을 만들기 위해 아시아에서 수입되던 실크는 값이 비싸고 양도 한정돼있었거든. 실크로 된 낙하산이라니 정말 아까워서 못 쓸 것 같지?

나일론 스타킹은 발매되자마자 열광적 지지를 받았다. 면이나 실크로 만든 스타킹보다 탄력이 좋아 몸매를 살려준다는 평가를 받았다.
98%는 공기로 만든 발포폴리스티렌
어느 집이건 유난히 겉도는 자식이 있듯 발포폴리스티렌이 내겐 그런 아들이었어. 그 아이에 대해 말하기 전 먼저 폴리스티렌 얘기를 좀 할게. 폴리스티렌은 정말 아름다운 플라스틱이었지. 에틸렌(C2H4)과 벤젠(C6H6)을 중합시켜 만드는데, 이런저런 모양으로 가공하기 쉽고 약품에도 강한 성격이었어. 건축자재로도, 전기제품으로도, 과일을 담는 투명용기로도 제격이었지. 나처럼 팔방미인이라고 할까. 1930년 독일의 화학회사인 바스프가 폴리스티렌을 발명한 뒤 세계적인 생산량이 폴리에틸렌, PVC, 폴리프로필렌에 이어 4위를 기록할 정도였단다.

이름에서 알 수 있듯 발포폴리스티렌은 폴리스티렌과 발포제, 즉 펜탄 같은 탄화수소나 이산화탄소를 9 : 1의 비율로 섞은 뒤 증기로 부풀려 만든단다. 정식명칭보다는 1954년 미국 다우케미컬사가 만든 상품명 스티로폼으로 더 유명하지.


발포폴리스티렌은 부피의 98%가 공기여서 다른 플라스틱보다 가볍다. 덕분에 실험용 항공기를 제작할 때 인기가 높다.

하얀 얼굴의 발포폴리스티렌이 태어났을 때 우리 플라스틱 패밀리는 모두 놀랐지. 그 녀석의 몸이 텅 비어있었거든. 마치 속을 가른 빵이나 스펀지처럼 말이야. 나중에 알고 보니 몸의 대부분이 공기로 채워져 있더군. 그때까지만 해도 그 아이를, 폴리스티렌에서 나왔지만 폴리스티렌을 전혀 닮지 않은 돌연변이라고 생각했지. 말은 안 했지만 꽤나 속상했을 거야.

하지만 놀라운 일이 벌어졌어. 열의 부도체인 공기 덕분에 발포폴리스티렌이 건물을 따뜻하게 하는 단열재로 주목받기 시작했거든. 썩지도 않고 쥐나 흰개미의 공격도 잘 막아냈으며 소리의 전달을 막는 역할까지 했어. 그동안 건축자재로 주로 쓰이던 석면의 역할을 대체하기 시작한 거야. 게다가 1970년대 들어 석면이 폐암을 일으킨다는 연구결과가 속속 등장하면서 발포폴리스티렌에게 그 자리를 내줬지.

다른 플라스틱과 달리 탄력성이 좋아 충격을 흡수하는 포장재로도 인기를 끌었어. 주위를 한번 둘러보렴. 컵과 그릇, 접시, 달걀포장용기까지 모두 발포폴리스티렌으로 만들어졌단다. 폴리스티렌 못지않게 다재다능한 플라스틱이지.


발포폴리스티렌의 현미경 사진. 스펀지처럼 속이 비어있다.

훗날 알게 된 사실이지만 발포폴리스티렌이 이 세상에 태어난 것은 순전히 우연이었단다. 다우케미컬사의 레이 매킨타이어가 내게 그렇게 말했어. 제2차 세계대전 당시 그는 유연하면서 전기가 통하지 않는 물질을 개발하려고 시도 중이었지. 폴리스티렌이 좋은 절연체이긴 했지만 부서지기 쉬웠거든. 맥타이어는 스티렌을 휘발성 액체와 함께 높은 기압에서 중합시키는 실험을 했어. 그때 예상치 않게 거품으로 가득찬 발포폴리스티렌이 만들어졌지. 폴리스티렌보다 30배나 가벼운 신기한 플라스틱이었어.

덧붙이자면 발포폴리스티렌의 몸을 구성하는 공기는 사실 단점이 아닌 장점이었어. 단 2%의 원료만으로도 만들 수 있다는 얘기니 얼마나 자원을 절약할 수 있는지 짐작이 가지? 필요한 것은 98%의 공기뿐이야.


발포폴리스티렌은 충격을 잘 흡수하기 때문에 포장재로 널리 쓰인다.
속이 비치도록 투명한 폴리카보네이트


투명하고 단단한 폴리카보네이트 덕분에 답답한 자동차의 천장이 시원하게 보인다.

1969년 미국 아폴로계획에 참가해 달을 탐사하고 돌아온 닐 암스트롱. 그가 인류 역사상 최초로 달 표면에 발자국을 찍는 순간 폴리카보네이트로 만든 우주헬멧도 함께했지. 1956년 독일 바이엘사는 비스페놀A와 포스겐을 합성해 폴리카보네이트를 만들었는데, 잘 깨지는 유리의 단점을 보완하려는 목적이었어.





건축가나 생활용품 디자이너는 폴리카보네이트의 등장에 환호했지. 강화유리보다 150배, 일반 판유리보다 250배 강도가 강하기 때문에 건축자재로 안성맞춤이었고, 가볍고 가공하기 쉬워 게임기나 핸드폰, 노트북의 소재로도 환영받았어. 오래 써도 모양이 변하지 않는다는 것도 큰 장점이었지.

1990년대 말 애플사는 속 들여다보이는 폴리카보네이트 소재로 아이맥 컴퓨터를 제작했어. 누가 봐도 탐나는 아이맥의 디자인은 바로 폴리카보네이트 덕분에 탄생할 수 있었던 거야. 얇고 가볍고 망치로 때려도 깨지지 않는 안경렌즈, 트럭에 깔려도 멀쩡하다고 광고하는 휴대전화는 모두 폴리카보네이트의 작품이야.

01폴리카보네이트가 없었다면 애플사의 아이맥은 탄생할 수 없었을지도 모른다. 02폴리카보네이트는 유리처럼 투명하지만 강도는 수백배 강해 우주헬멧을 만드는데 쓰인다.


유리에는 빛을 산란시키는 결정이 없어 모든 빛을 투과시키므로 투명해 보여. 여기에 다양한 금속을 첨가해 빛의 흡수율을 변화시키면 색을 띠게 만들 수 있지. 마찬가지로 폴리카보네이트를 이루는 고분자 사슬은 무작위로 배열돼있어 규칙적인 결정을 이루지 못하므로 투명해 보인단다. 물론 고분자 사슬의 모양과 간격을 변화시키거나 각종 첨가제를 넣으면 투명도를 조절할 수 있어.



노벨상 탄 폴리아세틸렌
우리 플라스틱 가문이 전기와 별로 안 친하다는 사실을 알고 있지? 플라스틱은 탄소와 탄소의 강력한 단일결합 때문에 외부에서 전기적 자극을 줘도 전자를 움직이기 어려워. 따라서 전선피복 같은 절연체로 많이 쓰였지. 그러나 이런 고정관념을 깬 신통방통한 플라스틱이 태어났어. 주인공은 바로 폴리아세틸렌, 아니 정확히는 도핑된 폴리아세틸렌이야. 사실 과학자들 사이에서는 오래 전부터 폴리아세틸렌이 전기를 통할지도 모른다는 주장이 제기됐어.

1977년 일본 도쿄기술연구소 시라카와 히데키 교수팀이 폴리아세틸렌을 만드는 실험을 진행하던 중 기적이 찾아왔지. 폴리아세틸렌은 아세틸렌에 촉매를 넣어 만들 수 있는데, 어느 날 실수로 실험방법에 적혀있는 양보다 1000배나 많은 촉매를 부었어. 그러자 평소 만들어지던 검은색 분말 대신 은빛 광택을 내는 고분자 박막이 생성됐지.

REX

미국 펜실베이니아주립대 화학과 앨런 맥더미드 교수와 캘리포니아대 물리학과 앨런 히거 교수는 이 소식을 듣고 공동연구를 제안했어. 그리고 10년 뒤 정말 금속 같은 플라스틱을 개발하는데 성공했지. 고분자 박막에 요오드 증기를 입혀 산화시키자 전기전도도가 1000만배나 증가했거든. 이러한 조작을 도핑이라고 불러.

도핑된 폴리아세틸렌이 전기전도성을 갖는 까닭은 단일결합과 이중결합이 번갈아 연결된 모양의 분자구조 때문이야. 요오드와 반응하면 폴리아세틸렌의 탄소원자에서 전자가 빠져나가고, 이 빈 구멍을 이웃하는 탄소원자에서 빠져나온 전자가 연쇄적으로 채우며 전류가 발생하지.

최초로 전도성 고분자를 발명한 업적으로 이들 세명의 과학자는 2000년 노벨화학상을 수상했어. 그 뒤 전도성 고분자에 대한 연구가 활발해지며 휴대폰의 액정, 차세대 디스플레이, 빛을 내는 플라스틱, 태양전지, 전기자동차의 충전용 건전지, 정전기 없는 합성섬유 등 수많은 분야에 응용되기 시작했지. 불가능해보였던 영역을 당당히 개척한 셈이야.




노벨상 시상식에서 스웨덴 왕립과학원 벵트 노르덴 선정위원장은 “폴리아세틸렌이 어떻게 전도성을 띨 수 있는지에 대한 연구가 물리, 화학뿐만 아니라 산업 전반적으로 엄청난 발달을 불러왔고 앞으로 인류에게 커다란 혜택을 가져다줄 것”이라며 수상자들에게 축하의 인사를 전했어. 우리 플라스틱 패밀리도 그 자리에 있었는데, 모두들 감격으로 목이 멜 정도였지.

플라스틱의 100년 역사를 되돌아보면 뜨거운 열광과 차가운 비난이 번갈아 쏟아졌어. 인간의 필요에 의해 발명됐지만 환경을 파괴하거나 효용성이 떨어진다는 이유로 가차 없이 버려진 플라스틱도 있지. 하지만 그 과정에서 우린 더 강해졌고 창의성을 발휘했어. 명심하거라. 앞으로도 플라스틱의 도전은 끝이 없다는 사실을. 너처럼 어린 플라스틱의 손에 우리의 미래가 달려있단다.


전기를 통하는 전도성 고분자는 차세대 디스플레이의 재료로 주목받고 있다.

캡션----





01강철처럼 질긴 인공섬유 나일론은 낙하산의 재료로 인기를 끌었다.
02나일론 스타킹은 발매되자마자 열광적 지지를 받았다. 면이나 실크로 만든 스타킹보다 탄력이 좋아 몸매를 살려준다는 평가를 받았다.

01
02
03
투명하고 단단한 폴리카보네이트 덕분에 답답한 자동차의 천장이 시원하게 보인다.



| 글 | 신방실 기자 ㆍweezer@donga.com |



내과학상자담기  E-MAIL 프린트 카카오스토리 트위터 페이스북 RSS

나도 한마디 2개의 댓글이 있습니다.

등록하기

목록


내 당근 보러가기

내 뱃지 보러가기

TOP