플라스틱의 화학: 고분자는 어떻게 세상을 점령했는가

지금 당장 팔이 닿는 거리에 있는 무언가를 거의 아무거나 집어 들어 보면, 그것이 플라스틱이거나, 플라스틱에 싸여 있거나, 플라스틱을 중심으로 만들어졌을 가능성이 높다. 지금 타이핑하고 있을지도 모를 키보드, 휴대폰의 외장, 책상 위의 병, 신발 밑창, 벽 속에 숨겨진 단열재까지. 20세기 이전에는 거의 존재하지도 않았던 물질이 이제는 해마다 수억 톤씩 생산되며, 가장 깊은 해구에서 외딴 산꼭대기의 눈에 이르기까지 누구도 의도하지 않은 곳에서 발견된다.

이를 더욱 기이하게 만드는 것은, 부드러운 장바구니부터 단단한 자동차 범퍼에 이르는 이 모든 다양성이 단 하나의 화학적 발상으로 귀결된다는 점이다: 작은 분자를 하나 가져다가 그 복제본 여러 개를 거대한 사슬로 연결하면, 이전의 그 어떤 것과도 성질이 크게 다른 물질을 얻게 된다. 그 발상이 바로 고분자이며, 이를 이해하는 것이 플라스틱이 어떻게 조용히 세상을 점령했는지를 이해하는 열쇠다.

고분자란 실제로 무엇인가

고분자(polymer)라는 단어는 "많은 부분"을 뜻하는 그리스어 어원에서 왔다. 고분자는 단량체(monomer)라 불리는 작고 반복되는 단위 여러 개를 화학적으로 결합해 만든 매우 큰 분자다. 단량체가 구슬 하나라면, 고분자는 똑같은 구슬 수천 개를 한 줄로 꿴 긴 목걸이이며, 때로는 가지를 치기도 하고, 때로는 그물처럼 교차 결합되기도 한다.

반복 단위: 지구상에서 가장 흔한 플라스틱인 폴리에틸렌에서 단량체는 에틸렌으로, 탄소 원자 두 개와 수소 원자 네 개로 이루어진 단순한 분자다. 에틸렌은 그 자체로는 가연성 기체다. 그러나 수천 개의 에틸렌 단위가 끝과 끝을 이어 수만 개의 원자 길이에 이를 수 있는 사슬을 이루면, 그 결과는 단단하고 밀랍 같은 고체가 된다. 더해진 것은 아무것도 없다. 같은 원자들이 그저 다르게 연결되었을 뿐이고, 그 구조의 변화가 물질의 모든 것을 바꾸어 놓았다.

사슬이 다르게 행동하는 이유: 긴 분자 사슬은 서로 엉키거나, 서로 미끄러져 지나가거나, 질서 잡힌 영역으로 정렬되거나, 단단한 그물망 속에 갇힐 수 있다. 플라스틱이 늘어나는지 뻣뻣한지, 투명한지 불투명한지, 녹는지 영구적인지를 결정하는 것은 단지 화학뿐만 아니라 바로 이러한 물리적 배열이다. 이것이 고분자 과학자들이 사슬이 어떤 원자를 담고 있는지만큼이나 사슬이 어떻게 서로 채워지는지에도 신경을 쓰는 이유다.

덧붙이자면, 고분자는 인간의 발명품이 아니다. 자연은 수십억 년 동안 고분자를 사용해 왔다. 나무의 셀룰로오스, 감자의 녹말, 근육의 단백질, 그리고 세포 하나하나에 들어 있는 DNA가 모두 고분자다. 화학자들은 그저 자신들만의 고분자를 설계하고 제조하는 법을 배웠을 뿐이다.

우연에서 산업으로

최초의 플라스틱은 이론에서 계획적으로 나온 것이 아니라, 이리저리 만지작거리는 시도와 우연, 그리고 희귀한 천연 재료를 대체할 물질을 찾는 과정에서 등장했다.

셀룰로이드와 당구공: 1860년대에, 당시 빗에서 당구공에 이르기까지 온갖 곳에 쓰이던 상아를 대체할 물질을 찾던 발명가들은 식물 섬유에서 얻은 셀룰로오스를 화학 물질로 처리해 셀룰로이드를 만들어냈는데, 이는 최초의 반합성 플라스틱 중 하나였다. 그것은 틀에 부어 모양을 만들 수 있었고, 훗날 초기 사진술과 영화의 필름 베이스가 되었다.

최초의 완전 합성 플라스틱, 베이클라이트: 진정한 전환점은 1907년에 찾아왔다. 벨기에계 미국인 화학자 레오 베이클랜드가 베이클라이트를 만들어냈는데, 이는 변형된 천연 분자가 아니라 전적으로 합성 분자로 만든 최초의 플라스틱으로 널리 여겨진다. 단단하고 열에 강하며 뛰어난 전기 절연체였던 베이클라이트는 새로운 전기 시대의 배선과 가전제품에 안성맞춤이었다. 라디오, 전화기, 전등 스위치가 머지않아 그것으로 성형되었다.

20세기 중반의 호황: 제2차 세계대전 무렵의 수십 년 동안 나일론, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, PVC를 비롯한 새로운 고분자들이 쏟아져 나왔다. 1930년대 후반에 상업적으로 출시된 나일론은 처음에는 스타킹으로 팔렸다가 이후 낙하산과 밧줄 같은 전시 용도로 전용되었다. 전쟁이 끝난 뒤, 군용으로 이러한 물질들을 대량 생산하기 위해 규모를 키운 공장들은 소비재로 방향을 돌렸고, 플라스틱은 신기한 물건에서 일상의 필수품으로 옮겨갔다.

이 호황을 이끈 것은 값싼 원료와 놀라운 다재다능함의 결합이었다. 대부분의 플라스틱은 석유와 천연가스 정제 과정의 부산물로 만들어지는데, 이는 풍부하고 저렴했다. 단 하나의 물질 계열이 유리, 금속, 나무, 고무, 직물을 흉내 내도록 조정될 수 있었고, 그것도 종종 원래의 것보다 더 싸고 더 가볍게 만들 수 있었다.

플라스틱은 어떻게 만들어지는가

작은 분자를 쓸모 있는 플라스틱으로 바꾸는 일에는 중합(polymerization)이라는 화학 공정이 관여하는데, 여기서 단량체들은 열, 압력, 그리고 흔히 촉매를 통한 통제된 조건 아래에서 사슬로 결합된다.

첨가 중합: 한 가지 흔한 경로에서는, 에틸렌이나 프로필렌처럼 반응성 이중 결합을 가진 단량체들이 결합을 풀고 서로에게 직접 연결되며 남는 부산물이 없다. 새 단위가 자라나는 사슬에 그저 더해질 뿐이며, 이것이 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이 엄청난 양으로 생산될 수 있는 이유다.

축합 중합: 또 다른 경로에서는, 단량체들이 결합하면서 흔히 물 같은 작은 분자를 내보낸다. 폴리에스터와 나일론이 이런 방식으로 만들어지며, 두 가지 서로 다른 종류의 단량체가 사슬을 따라 번갈아 놓인다. 여기서의 화학은 자연이 단백질을 만드는 방식과 밀접하게 관련되어 있다.

판도를 바꾼 촉매: 1950년대에 화학자 카를 치글러와 줄리오 나타는 고분자 사슬이 어떻게 형성되고 채워지는지를 제조업체가 통제할 수 있게 해주는 촉매를 개발해, 더 낮은 온도와 압력에서 더 강하고 더 질서 잡힌 플라스틱을 생산했다. 1963년 노벨 화학상으로 인정받은 그들의 연구는 현대의 고성능 플라스틱을 산업적 규모에서 실용화하는 데 기여했다.

일단 형성된 원료 고분자는 보통 사출 성형, 블로 성형, 압출을 통해 녹여 모양을 만든 뒤 식혀 최종 제품으로 만든다. 플라스틱에 색을 입히거나, 유연하게 만들거나, 연소를 늦추거나, 햇빛으로부터 보호하기 위해 첨가제가 함께 섞이는 경우가 많다.

열가소성, 열경화성, 그리고 그것이 중요한 이유

모든 플라스틱이 가열될 때 똑같이 행동하지는 않으며, 이 차이는 특히 재활용에서 엄청난 실질적 결과를 낳는다.

열가소성 플라스틱: 이것들은 가열하면 물러지고 식히면 단단해지며, 그 순환을 반복해서 거칠 수 있다. 사슬들이 서로 영구적으로 결합되어 있지 않아, 열을 가하면 미끄러지며 다시 모양을 바꿀 수 있다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PET(대부분의 투명 음료수병에 쓰이는 플라스틱), 그리고 PVC가 모두 열가소성 플라스틱이다. 다시 녹일 수 있기 때문에, 원칙적으로 이것들이 재활용 가능한 플라스틱이다.

열경화성 플라스틱: 이것들은 제조 과정에서 영구적인 화학적 교차 결합을 형성해 단단한 3차원 그물망을 만든다. 일단 굳으면 녹여서 다시 성형할 수 없으며, 충분히 가열하면 파괴될 뿐이다. 베이클라이트, 에폭시 수지, 그리고 많은 전기 부품에 들어가는 고분자들이 열경화성이다. 내구성과 내열성으로 높이 평가받지만, 바로 그 영속성 때문에 재활용하기가 매우 어렵다.

이 단 하나의 구분이 폐기물 문제에 관해 많은 것을 설명해 준다. 플라스틱을 유용하게 만드는 바로 그 성질, 즉 안정성과 분해에 대한 저항성이, 우리가 다 쓰고 난 뒤에 플라스틱을 고집스럽게 만드는 바로 그 원인이다.

오염 문제

플라스틱을 승리로 이끈 자질들, 곧 저렴함과 내구성, 그리고 부패에 대한 저항성은 플라스틱이 폐기물이 되는 순간 저주로 바뀌었다. 오래가도록 설계된 물질은 점잖게 사라져 주지 않는다.

폐기물의 산: 대량 생산이 시작된 이래 인류는 수십억 톤의 플라스틱을 생산해 왔지만, 그중 재활용된 것은 작은 일부에 불과하다. 상당한 양이 매립지에 묻히거나 자연환경으로 새어 나갔다. 대부분의 플라스틱은 미생물에 의해 쉽게 분해되지 않기 때문에, 버려진 병이나 봉투는 아주 오랫동안 남아 있을 수 있으며, 일부 품목에 대한 추정치는 수백 년에 이르기도 하지만, 정확한 수치는 불확실하고 조건에 크게 좌우된다.

어디에나 있는 미세플라스틱: 햇빛과 파도, 마모는 플라스틱을 파괴한다기보다 점점 더 작은 조각으로 부순다. 5밀리미터보다 작은 조각을 미세플라스틱이라 부르며, 연구자들은 이제 토양, 강, 식수, 해산물, 심지어 사람의 혈액과 조직에서까지 그것을 발견했다. 과학자들은 장기간 노출이 인간의 건강에 무엇을 의미하는지를 아직 밝혀내는 중이다. 이는 확정된 결론이라기보다 활발히 연구되고 있는 분야이며, 현재 알려진 바를 과장하는 것은 잘못일 것이다.

야생동물에 끼치는 해: 동물에 미치는 영향은 더 분명하고 잘 기록되어 있다. 바닷새, 거북이, 물고기, 고래가 플라스틱 잔해를 삼키거나 거기에 얽힌다. 연구자들은 해양 동물의 위장이 플라스틱 조각으로 가득 찬 것을 거듭 발견해 왔으며, 이 문제는 막대한 양의 폐기물이 쌓이는 바다, 특히 북태평양의 거대한 쓰레기 지대처럼 떠다니는 잔해의 거대 구역에 집중되어 있다.

재활용의 간극: 재활용은 당연한 해답처럼 들리지만, 보기보다 어렵다. 서로 다른 플라스틱은 그냥 함께 녹일 수 없고, 오염은 배치 전체를 망치며, 많은 제품이 깔끔하게 분리할 수 없는 혼합 재료로 만들어진다. 열경화성 플라스틱은 아예 다시 녹일 수 없다. 그 결과, 전 세계에서 실제로 재활용되는 플라스틱의 비율은 낮게 유지되어 왔고, 많은 "재활용"은 역사적으로 폐기물을 해외로 실어 보내는 것을 뜻했다.

연구자들은 식물에서 얻은 생분해성 고분자, 플라스틱을 그 구성 분자로 다시 분해하는 화학적 재활용, 그리고 더 적은 종류의 플라스틱을 쓰도록 제품을 재설계하는 것을 비롯한 여러 대응책을 추구하고 있다. 아직 어느 것도 완전한 해결책은 아니며, 상당수는 초기 또는 제한적인 단계에 머물러 있지만, 노력의 방향은 분명하다.

플라스틱 세상에서 살아가기

플라스틱을 순전히 악당으로 그리기는 쉽지만, 정직한 그림은 더 복잡하다. 플라스틱은 자동차를 더 가볍게, 따라서 더 연비 좋게 만들고, 식품을 신선하고 안전하게 유지하며, 현대 생활을 작동시키는 배선을 절연하고, 멸균 주사기, 혈액 팩, 가벼운 보철물 같은 의료 장비를 가능하게 한다. 많은 용도에서, 현실적인 대안들은 그 나름대로 더 무겁거나, 더 비싸거나, 더 낭비적일 것이다.

그렇다면 과제는 단순히 플라스틱이 사라지기를 바라는 것이 아니라 그것을 현명하게 사용하는 것이다: 내구성이 진정으로 필요한 일에 내구성 있는 고분자를 아껴 쓰고, 실제로 재활용될 수 있는 제품을 설계하며, 그토록 많은 폐기물을 차지하는 일회용 품목을 다시 생각하는 것이다. 그것은 부분적으로는 화학의 문제이고, 부분적으로는 습관과 정책과 설계의 문제다. 과학을 이해하는 것이 모든 분별 있는 논의가 시작되어야 할 지점이다.

핵심 요약

고분자는 작은 반복 단위 수천 개를 연결해 만든 거대한 분자이며, 그 하나의 구조적 발상이 플라스틱에 부드러운 봉투부터 단단한 외장에 이르는 비범한 범위를 부여하는데, 이 모두가 같은 기본 화학에서 나온다. 셀룰로이드와 1907년의 완전 합성 베이클라이트로 시작해, 20세기 중반 나일론, 폴리에틸렌, PVC의 쏟아짐을 거치며 가속된 플라스틱은 값싸고 가벼우며 끝없이 적응력이 좋았기 때문에 퍼져나갔다. 녹일 수 있는 열가소성 플라스틱과 영구적으로 교차 결합된 열경화성 플라스틱 사이의 결정적 구분은 플라스틱이 무엇을 할 수 있는지와 그것이 얼마나 재활용하기 어려운지를 모두 좌우한다. 플라스틱을 경이로 만들었던 바로 그 내구성이 이제는 그것을 고집스러운 오염원으로 만들어, 환경 곳곳과 우리 자신의 몸에서 발견되는 미세플라스틱으로 부서지며, 야생동물에 끼치는 해는 잘 기록되어 있고 인간 건강에 미치는 영향은 여전히 연구 중이다. 플라스틱은 순전한 기적도 순전한 위협도 아니다. 그것은 우리가 이제야 그 비용을 관리하는 법을 배우고 있는 강력한 기술이며, 그것을 만들어낸 분야인 화학이야말로 해결책이 발견될 곳이기도 하다.