버려진 낙엽이 농업용 비닐로 재탄생된다

KAIST 건설및환경공학과 연구팀, '친환경 농업용 멀칭 필름' 개발... "플라스틱 비닐 대체 기술로 활용"

[유창재 기자]

▲ 활용도가 낮은 낙엽을 업사이클링하여, 자연 토양에서 생분해되는 멀칭 필름으로 전환하는 친환경 전략과 지속가능한 플라스틱 농업(plasticulture) 적용 개념 ⓒ KAIST 제공

길가에 버려지는 낙엽을 농업용 필름으로 만드는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 더구나 이 필름은 생분해성이다. 농촌의 골칫거리였던 폐비닐을 대체할 자원으로, 토양 오염 문제 해결의 실마리를 제시했다는 평가를 받고 있다. 특히 중동발 나프타 수급 불안이 커지는 상황에서 이번 연구 결과에 관심이 쏠린다.

한국과학기술원(KAIST)은 30일 명재욱 건설및환경공학과 교수 연구팀이 캠퍼스와 대전 갑천 일대에서 수거한 낙엽을 활용해 땅속에서 분해되는 친환경 농업용 멀칭 필름(mulch film)을 개발했다고 밝혔다. 멀칭 필름은 토양을 덮어 잡초를 억제하고 수분을 유지하는 농업용 비닐이다.

KAIST는 "이번 연구는 그동안 쓸모 없이 버려지던 비식용 바이오매스(non-edible biomass, 식량으로 사용되지 않는 식물성 자원), 즉 낙엽을 고부가가치 소재로 전환했다는 점에서 주목된다"고 강조했다.

농업 현장에서 널리 쓰이는 기존 멀칭 필름은 대부분 석유 기반의 대표적인 플라스틱인 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)으로 만들어진다. 사용 후 수거가 쉽지 않고, 토양에 남은 잔여물이 미세플라스틱(microplastics)으로 변해 환경을 오염시키는 문제가 꾸준히 제기돼 왔다.

KAIST에 따르면, 연구팀은 낙엽에서 핵심 성분을 추출하기 위해 구연산과 염화콜린을 혼합한 수화 심층공융용매(Hydrated Deep Eutectic Solvent, DES)를 활용했다. DES는 친환경적이며 독성이 낮은 특수 용매다.

이를 통해 연구팀은 식물 세포벽에서 얻을 수 있는 나노셀룰로오스(Nanocellulose)를 추출한 뒤, 생분해성 고분자인 폴리비닐알코올(PVA)과 결합해 복합 필름을 제작했다. 제조 전 과정은 유해 유기용매 대신 물을 기반으로 진행됐다.

▲ 복합 수소결합 상호작용을 통해 멀칭 필름이 형성되는 제조 공정 및 자기조립 메커니즘의 개략도 ⓒ KAIST 제공

이렇게 만들어진 '낙엽 필름'은 실제 농업 환경에서도 성능을 입증했다. 자외선(UVA·UVB)을 효과적으로 차단했고, 토양 수분 손실을 14일 동안 약 5% 수준으로 억제하는 보습 성능을 보였다. 또 해당 필름을 적용해 재배한 호밀풀은 필름을 사용하지 않은 경우보다 생장(개체의 크기가 양적으로 증가) 상태가 더 양호한 것으로 나타났다.

생분해 성능도 확인됐다. 토양 조건에서 진행한 실험에서 개발된 필름은 약 115일 만에 34.4%가 분해돼 기존 생분해 필름보다 빠른 분해 속도를 보였다. 분해 과정에서도 식물 독성이 나타나지 않아 호밀풀과 다채의 발아 및 초기 생장에 영향을 주지 않았다.

명재욱 교수는 "낙엽을 단순히 처리하는 수준을 넘어 농업 환경을 보호할 수 있는 기능성 소재로 전환했다는 데 의미가 있다"면서 "식량 자원과 경쟁하지 않는 낙엽과 물 기반 공정을 통해 지속가능한 농업용 플라스틱 대체 기술로 활용될 수 있을 것"이라고 전망했다. 연구팀은 관련 기술에 대한 특허 등록을 준비하고 있는 것으로 알려졌다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원과 KAIST 그랜드 챌린지 30 사업 재원을 받아 수행했으며, 베트남 학생인 팜 탄 쭝 닌(Pham Thanh Trung Ninh) 건설및환경공학과 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 화학·환경 분야 국제 학술지 <녹색화학(Green Chemistry)> 2월 6일자에 게재됐으며, 저널 커버 논문으로도 선정됐다.

▲ (왼쪽, 위에서 아래 순) 건설및환경공학과 명재욱 교수, 최신형 박사, 조용준 박사과정, 문호성 석사과정. (가운데) Pham Thanh Trung Ninh 박사과정 ⓒ KAIST 제공