용매 없이 정밀 고분자 합성…기계적 힘으로 다시 원료 단량체 회수 가능성 제시

고분자 구조에 따른 힘-유도 분해 경로 규명

화학과 김병수 교수팀이 기계화학(Mechanochemistry) 반응을 활용해 용매 없이 고분자를 정밀하게 합성하고, 다시 원래의 단량체로 되돌릴 수 있는 새로운 고분자 합성·분해 기술을 개발했다.

플라스틱과 기능성 고분자는 포장재, 전자소재, 의료소재 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 그러나 원하는 길이와 구조를 가진 고분자를 정밀하게 합성하기 위해서는 일반적으로 다량의 유기용매와 복잡한 반응 조건이 필요하다. 특히 기존 유기용매 상당수는 석유 기반 원료에서 유래하기 때문에, 용매 사용을 줄인 친환경 합성 기술에 대한 관심이 꾸준히 높아지고 있다.

기계화학은 외부에서 가해지는 기계적 힘을 이용해 화학 반응을 유도하는 기술로, 용매 사용을 최소화할 수 있어 차세대 친환경 합성 전략으로 주목받고 있다. 다만 고분자 합성에서는 기계적 충돌이 고분자 사슬의 성장을 유도하는 동시에 분해까지 일으킬 수 있어, 이를 정밀하게 제어하는 것이 중요한 과제로 남아 있었다.

연구팀은 대표적인 정밀 라디칼 중합 기법인 원자 이동 라디칼 중합(Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP)을 기계화학 조건에 적용했다. 이를 위해 방향족 치환기의 크기가 서로 다른 다양한 메타크릴레이트(Methacrylate) 기반 단량체를 직접 합성하고, 쇠구슬을 이용한 볼밀링(ball milling) 조건에서 중합 반응을 수행했다.

[그림. 볼밀링 기반 기계화학적 ATRP를 통해 기능성 메타크릴레이트 고분자를 합성하고, 힘에 의한 분해 및 단량체로의 해중합 과정을 분석한 연구 모식도]

그 결과, 연구팀은 용매가 없는 고체 상태에서도 폴리메타크릴레이트(PMA) 계열 고분자가 효과적으로 정밀 중합될 수 있음을 확인했다. 특히 단량체에 결합된 치환기의 크기와 구조에 따라 중합 속도와 힘-유도 분해 경로가 달라지는 현상을 규명했다. 부피가 큰 치환기를 가진 고분자에서는 주사슬보다 치환기 부위 절단이 상대적으로 우세하게 나타났으며, 이러한 결과는 한양대 김형준 교수 연구팀과의 계산화학 기반 시뮬레이션을 통해 뒷받침됐다.

이번 연구의 핵심 성과는 고분자의 합성과 분해를 하나의 기계화학 반응 안에서 통합적으로 분석했다는 점이다. 연구팀은 정밀 질량분석과 계산화학 기법을 활용해 고분자의 주사슬, 말단기, 치환기 등 다양한 절단 위치를 확인하고, 단량체 구조에 따라 달라지는 힘-유도 분해 메커니즘을 체계적으로 규명했다. 이를 통해 기계화학 조건에서 고분자의 합성과 분해를 제어할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다.

또한 연구팀은 기계적 힘에 의해 고분자가 단순히 잘게 끊어지는 데 그치지 않고, 원래의 단량체로 되돌아가는 해중합(depolymerization) 과정도 가능하다는 사실을 확인했다. 이는 기계화학 기반 기술이 향후 고분자 합성뿐 아니라 분해와 원료 회수까지 연결되는 순환형 소재 기술로 확장될 수 있음을 보여준다.

김병수 교수는 “기계화학 반응을 이용해 고분자를 정밀하게 합성하고, 동시에 분해 거동까지 체계적으로 분석했다는 점에서 의미가 크다”라며 “특히 메타크릴레이트 단량체 구조가 기계화학 조건에서의 중합과 분해에 어떤 영향을 미치는지를 규명함으로써, 관련 분야의 새로운 설계 기준을 제시했다”라고 설명했다. 이어 “향후 용매 사용을 줄인 친환경 고분자 합성과 순환형 고분자 소재 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 Nature Communications에 2026년 4월 28일 온라인 게재됐다.