바이오-석유계 블렌드 필라멘트로 제작한 3D 프린터 시제품의 생분해 = Biodegradation of 3D Printed Prototypes Made of Bio-Petrochemical Blend Filaments

국문 초록 (Abstract)

플라스틱 오염은 전 지구적 환경문제로 반드시 해결되어야 할 범국가적 과제이다. 생분해성 플라스틱은 미생물에 의해 분해되는 특징으로 난분해성 플라스틱의 대체제로 주목받고 있다. 3D 프린터는 복잡한 형상을 구현할 수 있어 건축물, 우주선, 나노칩까지 점차 적용이 확대되고 있다. 하지만 현재 3D 프린터에 이용되는 플라스틱 원료인 Poly(lactic-acid) (PLA)는 영률과 신률이 낮고, 잘 깨지는 성질로 인해 활용성이 떨어질 뿐 아니라 생분해 속도가 느리다는 단점이 있다. 본 연구에서는 3D 프린터에 다양한 플라스틱을 원료를 적용하여 3D 프린터 제품의 물리적 강도, 가공성을 향상시키고 나아가 생분해도를 향상시키고자 한다. 바이오 플라스틱 원료인 PLA, Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB)를 석유계 플라스틱 원료 Poly(ethylene) (PE), Poly(propylene) (PP)과 다양한 비율로 혼합한 후 필라멘트 형태로 압출하였다. 이를 기반으로 3D 프린터 시제품을 제작한 후, 분자구조 특성(13C NMR, FT-IR), 열적 특성(DSC, TGA), 인쇄적성(FE-SEM), 물리적 특성(최대하중, 인장강도, 영률, 연신율) 분석하였다. 플라스틱 분해장치를 설계하여 호기성 담수 환경과 퇴비화 조건을 모방하여 시제품의 생분해도를 평가하였다. 바이오플라스틱 PLA와 석유계 플라스틱 PE, PP가 혼합된 3D 프린터 시제품은 기존 대비 가공성과 영률, 연신률이 향상되었으나 생분해도는 감소하였다. 반면, PLA와 PHB를 혼합할 경우 PLA와 비슷한 물리적 성질을 유지하였고, 호기성 담수 환경에서는 생분해도 변화가 없었으나 퇴비화 환경에서 생분해가 가속화되었다.
본 연구 결과는 3D 프린터 플라스틱 원료를 목적에 따라 적용할 수 있으며 다양한 플라스틱 원료의 적용 가능성을 시사한다. 또한, 석유계 플라스틱 폐기물을 재활용하여 3D 프린터 원료로 활용하고, PLA-PHB 필라멘트의 개발로 신속히 생분해되는 3D 프린터 기반 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대된다.