d라이브러리

나는 귀엽고 깜찍한 플라스틱 인형 해적왕 잭이야! 작년 5월 5일, 어린이날 선물로 태범이네 집에 가게 됐지. 태범이는 날 엄청 사랑했어. 낮에 놀 때도 밤에 잘 때도 늘 나와 함께 했지. 그런데 어느 날 다른 쓰레기에 섞여 이리저리 쓸려다니다가 결국 바다까지 떠밀려 왔어. 며칠 전까지만 해도 태범이의 사랑을 독차지하던 나였는데…. 도대체 나는 어디로 가는 걸까?




“허허허~, 어서 오렴. 오늘 온 신입이구나! 나는 이 섬의 터줏대감, 거북할배란다. 이 섬이 처음 만들어질 때부터 이곳에 살고 있지. 플라스틱 쓰레기 섬에 온 걸 환영한다!”
뭐라고? 플라스틱 쓰레기 섬? 정신을 차려보니 이상한 섬에 도착해 있었어. 그러고 보니 여기에 플라스틱들이 많이 모여 있네? 태범이가 자주 마시던 음료수 페트병도 있고, 나랑 비슷하게 생긴 장난감들도 있잖아. 그런데 쓰레기라니…. 난 귀엽고 깜찍한 인형이라고! 쓰레기가 아니란 말야!


지도에 없는 섬, 플라스틱 아일랜드

북태평양 한가운데에는 지도에 없는 섬이 하나 있어요. 지난 1997년 요트를 타고 태평양을 건너던 찰스 무어가 우연히 발견했지요. 하지만 아직도 세계지도에서는 이 섬을 찾아볼 수 없어요. 그 이유는 이 섬이 사람들이 발견하지 못한 새로운 땅이 아닌, 어마어마하게 큰 쓰레기 더미이기 때문이지요.

‘북태평양의 거대한 쓰레기 구역(Great Pacific Garbage Patch, GPGP)’이라고 불리는 이 섬은 남한 면적의 14배나 될만큼 커요. 섬을 이루고 있는 쓰레기의 90%는 플라스틱이기 때문에 바다에 가라앉지 않고 둥둥 떠다니지요. 이렇게 플라스틱 쓰레기가 한곳에 모이게 된 것은 이 지역의 바람이 시계 방향으로 타원형을 그리며 불고, 바닷물도 같은 방향으로 소용돌이치기 때문이에요. 그 결과 태평양을 지나는 바닷물의 절반은 이곳으로 모이는데, 쓰레기들도 바닷물을 따라 이 지점으로 모이게 되는 것이지요.

놀랍게도 이런 크기의 쓰레기 섬이 인도양과 대서양 등 전세계 바다에 4개나 더 있어요. 게다가 쓰레기 섬의 크기는 점점 커지고 있지요. 우리가 쓰고 버리는 플라스틱의 양이 계속해서 늘어나고 있기 때문이에요.
 
플라스틱 없인 못살아!

그렇다면 이렇게 많은 플라스틱은 어디에서 온 걸까요? 바로 우리 집이나 학교, 우리가 생활하는 모든 곳에서 매일같이 쏟아져 나오고 있지요. 매일 사용하는 휴대전화부터 고무공이나 옷, 비닐, 스티로폼까지…. 이제는 플라스틱이 없는 생활을 상상하기 어려울 정도로 플라스틱은 정말 많은 곳에 사용되고 있어요. 그야말로 우리는 ‘플라스틱 시대’에 살고 있는 거예요.

실제로 전세계에서 1년 동안 만들어지는 플라스틱 제품의 수는 약 2억 5000만 톤이나 돼요. 이 양은 영화로도 유명한 여객선인 타이타닉 5400척과 같은 양이지요. 한 명이 1년 동안 약 42kg의 플라스틱을 사용하고 있는 셈이에요.
 



“지금 우리가 이렇게 환경을 오염시키는 천덕꾸러기 취급을 받고 있지만, 사실 세상에 처음 태어난 플라스틱 조상님은 세상을 화들짝 놀라게 하는 획기적인 존재로 평가 받았단다. 그 일은 1860년대 미국에서 시작되었지….”


코끼리 상아의 대체품, 플라스틱!

1860년대, 미국에서는 당구가 유행이었어요. 당시 당구공은 코끼리 상아를 둥글게 깎아 만들었기 때문에 가격이 매우 비쌌어요. 또 당구를 즐기는 사람이 점점 늘어나면서 당구공을 만들 상아가 부족해지기 시작했지요. 그래서 당구공을 제조하는 회사는 상아를 대신할 새로운 재료를 찾는 공모전을 열었어요. 상금은 1만 달러, 지금 우리 돈으로 2억 원에 달했답니다.

이 공모전에 적극적으로 도전한 사람은 미국 뉴욕에서 인쇄공을 하던 존 웨슬리 하이엇이었어요. 스스로 발명에 재주가 있다고 생각한 하이엇은 자신의 작업실에서 다양한 물질들을 섞으며 공모전을 준비했지요. 그가 주목한 것은 ‘장뇌’였어요. 장뇌는 녹나무를 증류시켰을 때 나오는 고체물질이에요. 여러 번의 실험 끝에 하이엇은 화약을 만들 때 사용하는 ‘질산섬유소’를 장뇌에 섞으면 매우 단단하면서도 원하는 모양으로 만들기 쉬운 재료가 된다는 사실을 발견했지요. 이렇게 만들어진 물질이 최초의 천연 플라스틱인 ‘셀룰로이드’랍니다.

하지만 셀룰로이드는 당구공이 될 수 없었어요. 물체에 부딪히면 쉽게 깨져 버렸거든요. 대신 빗이나 단추, 만년필을 만드는 데 유용하게 사용됐지요.

그로부터 40년 뒤, 석유나 천연가스로부터 얻어진 유기화학물질로 만든 최초의 합성수지(플라스틱), ‘베이클라이트’가 등장했어요. 네덜란드의 화학자 레오베이클란드가 페놀과 포름알데히드를 반응시켜 천연플라스틱과 비슷한 성질의 물질을 합성하는 데 성공한 거지요.

이후 전세계의 많은 화학회사들이 플라스틱 개발 경쟁에 뛰어들었고, 그 결과 나일론과 스티로폼, 합성고무, 페트 등 다양한 플라스틱이 탄생하게 됐답니다.
 

 1 변신 


“플라스틱이 이렇게 사람들의 관심과 사랑을 받은 이유는 가볍고 값이 싸고 어떠한 모양으로도 만들기 쉽기 때문이야. 하지만 단점도 있지. 불에 잘 타고 흠집이 나기 쉬워. 게다가 잘 썩지 않기 때문에 환경오염의 주범이 되기도 하지. 지금 우리처럼 말야. 그래서 과학자들은 플라스틱의 변신을 준비하고 있어. 단점을 극복하고 새로운 기능을 가진 멋진 플라스틱들 만들고 있단다.”


전기가 통하는 플라스틱

플라스틱의 대표적인 특징은 ‘절연성’이에요. 전기가 통하지 않는 성질로, 이 때문에 플라스틱은 처음 만들어졌을 때부터 전선을 감싸거나 전자제품의 외형을 만드는 데 사용됐어요. 덕분에 우리는 전자 제품을 쓰면서도 감전될 위험 없이 안전하게 사용할 수 있었지요. 그런데 ‘전기가 통하지 않는다’는 상식을 뛰어넘은 플라스틱이 있어요. 바로 ‘폴리아세틸렌’이지요.

폴리아세틸렌은 전기가 통하는 플라스틱으로, 1977년 일본의 사라카와 히데키 박사와 미국의 앨런 히거 박사 공동연구팀이 처음 개발했어요. 기존의 플라스틱은 탄소원자들이 하나의 고리로 연결돼 있는 구조예요. 이 고리는 원자들이 서로를 붙잡는데 사용되기 때문에 전자가 움직일 수 있는 틈이 없지요. 그래서 전기가 통하지 않는 거예요.

연구팀은 탄소원자를 두 개의 고리로 연결하는 이중결합이 섞이도록 구조를 바꿔 주었어요. 한 개의 고리와 두 개의 고리가 교대로 반복되도록 한 것이지요. 그 결과 두 개로 이뤄진 고리를 통로로 이용해 전자는 원자 사이를 뜀틀 넘듯이 통통 튀어 이동할 수 있게 되었고, 연구팀은 이 연구로 지난 2000년 노벨화학상을 받았답니다.

전기가 통하는 플라스틱은 반도체나 액정 등 다양한 곳에 쓰일 수 있어요. 반도체에 들어가는 비싼 금속을 대신하거나 더 가벼운 액정에 사용돼 경제적이면서도 안전한 제품을 만들 수 있답니다.

열을 전달하는 플라스틱

열을 전달하는 플라스틱도 있어요. 최근 미국 미시간대학교 김진상 교수팀이 일반 플라스틱보다 10배나 더 열을 잘 전달할 수 있는 플라스틱을 개발했어요.

원래 일반적인 플라스틱은 열이 통하지 않아요. 그래서 집 안의 따뜻한 열이 밖으로 빠져나가지 않도록 잡아 주는 단열재로 쓰이기도 했지요. 이런 특징은 단점이 되기도 했어요. TV나 컴퓨터 같은 전자제품을 작동시키면 열이 발생하는데, 제품을 감싸고 있는 플라스틱이 열을 밖으로 내보내지 못해 에너지 효율이 떨어지고 제품이 지나치게 뜨거워졌거든요.

김진상 교수팀은 고분자 사슬을 강하게 결합해 주는 방법을 고안하는 데 집중했어요. 플라스틱에서 열이 전달되지 않는 것은 탄소 원자들끼리 서로 연결하는 힘이 약하기 때문이거든요. 그래서 연구팀은 사슬과 사슬 사이를 ‘수소결합’으로 연결했어요. 수소결합은 수소 원자가 2개의 원자 사이에 들어가 연결을 강하게 만들어 줘요. 그 결과 열에너지가 재료 사이를 자유롭게 통과하게 되어 열이 잘 전달되었답니다.
 


 2 변신 


“이런 기능성 플라스틱들이 만들어지면 무엇에 좋으냐고? 비싸거나 무거운 다른 소재들을 대신할 수 있게 될 거야. 예를 들어 금속이나 돌, 유리를 플라스틱이 대신하는 거지.”


금속만큼 단단한 플라스틱

자전거를 탈 때 쓰는 안전모는 대부분 플라스틱으로 만들어요. 플라스틱은 충격을 잘 흡수하기 때문에 넘어지거나 부딪혔을 때 머리를 보호해 줄 수 있거든요. 하지만 금속에 비하면 열을 견디는 능력이 적고 덜 단단하기 때문에 쉽게 긁힌다는 단점이 있어요. 이런 단점을 극복하고 금속만큼 단단해진 플라스틱이 있어요. 인하대학교 심봉섭 교수가 참여한 미국 연구팀이 금속만큼 단단한 플라스틱을 만들었거든요.

연구팀은 단단하면서도 깨지지 않는 진주표면에 주목했어요. 진주는 총 3개의 층으로 나뉘어 있어요. 그중에서도 가장 바깥쪽의 표면을 ‘진주층’이라 하지요.

진주층은 1㎛(마이크로미터·1㎛는 100만 분의 1m)보다도 훨씬 얇은 탄산칼슘 층 수천 장이 겹쳐 있는 형태예요. 집을 지을 때 벽돌 사이의 경계가 벽돌 중간에 오도록 엇갈리게 쌓는 것과 같은 방법으로 탄산칼슘 층이 쌓여 있지요. 그리고 층과 층 사이의 공간은 단백질로 메워져 있어 단단하면서도 깨지지 않는답니다.

연구팀은 진주층과 마찬가지로 탄소원자의 사슬과 사슬 사이에 1nm의 아주 얇은 점토층을 끼우며 엇갈리게 쌓아 올렸어요. 이렇게 쌓는 과정을 수천 번 반복한 결과, 금속만큼 단단한 플라스틱이 만들어졌지요. 이 플라스틱의 강도는 400*mpa로, 370mpa인 철보다 단단했어요. 또한 아이언 맨을 안전하게 보호해주는 금속 옷의 재질인 티타늄(330mpa)보다도 더 단단했답니다.

*mpa : 메가파스칼. 1mpa는 대기압의 10배 정도로, 재료의 단단한 정도를 나타낼 때 쓰는 단위다.
 
내 몸의 심장이 되는 플라스틱!

플라스틱은 우리 주변의 물건을 대신하는 것은 물론, 우리 몸의 일부가 되기도 해요. 지난해 프랑스 인공심장 전문기업인 카르마(carmat)는 플라스틱의 일종인 폴리우레탄을 이용해 인공심장을 개발했어요. 이 인공심장은 인간의 심장 기능을 완벽히 대체할 수 있다는 평가를 받고 있어요. 만성 *심부전을 앓던 68세 환자가 이 인공심장을 이식받은 뒤, 마치 정상인처럼 생활하고 있다는 사실이 확인됐거든요.

이렇게 인공심장이 인간의 몸속에서 제 역할을 하기 위해서는 실제 심장인 ‘척’ 몸을 속여야 해요. 우리 몸은 신체의 일부가 아닌 물질이 들어오면 바이러스나 병원균과 같은 침입물질로 생각해서 백혈구가 활동하기 시작해요. 염증을 일으키는 등 몸 밖으로 내쫓기 위한 면역반응이 일어나는 거죠.

인공심장이 진짜 심장인 척하기 위해서 가장 중요한 것은 인공심장을 만드는 플라스틱 재료가 물과 친한 성질이어야 한다는 점이에요. 우리 몸의 70%는 물로 이뤄져 있기 때문이지요. 따라서 플라스틱으로 만든 심장 표면에 물과 친한 친수성 고분자를 붙이는 것이 가장 기본적인 방법이에요. ‘*헤파린’을 붙여 주는 방법도 있어요. 우리 몸은 이물질을 발견하면 표면의 피를 굳게 만들어 이물질이 신체와 직접 닿지 않도록 분리시켜요. 이때 헤파린이 몸속에서 피가 굳는 것을 막아 인공심장이 몸속에서 제 역할을 하도록 돕는답니다.

*심부전 : 심장의 기능이 떨어져 신체 조직이나 기관이 필요로 하는 충분한 혈액을 공급하지 못해 생기는 질환.
*헤파린 : 헤파린은 간이나 폐에 있는 물질로, 몸에서 피가 굳는 것을 막는 역할을 한다.


 3 변신 


“무엇보다 플라스틱의 단점은 플라스틱 원료를 만들 때에도, 다 쓰고 버린 뒤에도 환경을 오염시킨다는 거야. 그래서 과학자들은 자연에서 쉽게 분해되는 플라스틱을 만들기 위해 노력하고 있단다.”


박테리아가 만드는 플라스틱

한국과학기술연구원(KIST) 우한민 박사팀은 지난 해 박테리아로 플라스틱을 만드는 새로운 기술을 개발했어요. 연구팀이 주목한 것은 ‘코리네박테리움 글루타미쿰’이라는 박테리아예요. 이 박테리아는 원래 대사를 한 후 아미노산을 내놓아요. 연구팀은 아미노산 대신 플라스틱의 원료인 ‘숙신산’을 만들도록 유전자 조작을 했어요.

그리고 한쪽에서는 이산화탄소를 먹고 자라는 미세조류를 길러냈어요. 미세조류를 먹고 사는 코리네박테리움 글루타미쿰을 빨리 성장시켜서, 더 많은 숙신산을 만들어내기 위해서지요. 이렇게 화석연료 대신 자연물질로 만든 플라스틱을 ‘친환경 플라스틱’이라고 해요.

원래 플라스틱의 원료인 화석연료는 동물이나 식물이 죽어 땅 속에 묻힌 뒤 아주 오랜 시간 동안 높은 열과 압력을 받아 만들어져요. 그런데 이 속도가 워낙 느려서 우리가 사용할 수 있는 화석연료는 점점 줄어들고 있지요. 이산화탄소를 이용해 친환경 플라스틱을 만들면 화석연료 부족이나 환경오염에 대한 걱정도 없고, 오히려 대기 중의 이산화탄소 양을 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있어요.
 곰팡이로 분해되는 플라스틱

과학자들은 사슬고리가 쉽게 끊기고 분해될 수 있는 ‘생분해성 플라스틱’을 개발하고 있어요. 그동안 플라스틱이 썩지 않은 이유는 자연에서 분해자 역할을 하는 미생물들이 플라스틱을 이루고 있는 고분자 사슬 고리를 끊지 못했기 때문이에요. 플라스틱 중에서 가장 많이 쓰이고 있는 폴리에틸렌은 수백 년이 지나도 썩지 않을 정도랍니다.

일반적으로 생분해성 플라스틱은 고분자 화합물에 전분을 넣어서 만들어요. 전분은 미생물이 분해할 수 있는 천연 고분자예요. 따라서 미생물에 의해 전분이 분해되면 고분자 사슬이 함께 분해되지요. 폴리에틸렌에 녹말을 10% 정도만 넣어 줘도 수백 년이 걸리던 분해 속도가 수개월로 줄어든답니다.

곰팡이나 미생물로 플라스틱을 분해하는 재밌는 연구도 있어요. 지난 2011년 미국 예일대학교 분자생물리학과 학생 20명이 탐사를 위해 에콰도르에 갔다가 폴리우레탄만 섭취하는 균류(버섯과 곰팡이 종류)를 발견했어요. 폴리우레탄은 잘 늘어나는 옷의 재료가 되는 플라스틱의 일종이에요. 잘 찢어지지 않는 플라스틱을 곰팡이가 분해하고, 심지어 먹이로 이용한다는 연구 결과가 밝혀지면서 많은 과학들의 관심을 한몸에 받고 있답니다.



#앗! 거북이 할아버지 얘기를 듣다 보니 내 몸에 벌레가 붙어 있는 줄 몰랐네. 이건 말로만 듣던 플라스틱 먹는 바다 미생물? 그럼 난 이제 더 이상 쓰레기가 아닌 자연의 일부가 되겠구나. 아~, 행복해! 다음엔 친환경 플라스틱으로 만든 인형으로 돌아올 테니 조금만 기다려 줘~.