KITECH 생산기술 전문지

미세플라스틱(Microplastics, MPs)은 다양한 환경 매체(하천, 해양, 대기, 토양 등)에 걸쳐 광범위하게 존재하며, 크기가 작고 분해되지 않는 특성으로 인해 생태계와 인체 건강에 대한 잠재적 위해성으로 주목받고 있다. 유럽화학물질청(ECHA)과 국제표준화기구(ISO)는 미세플라스틱을 “고체 상태의 입자상 플라스틱으로서, 크기 범위는 1 nm 이상 5 mm 이하이며, 고분자 물질이 주성분을 이루고 불용성·비분해성 특성을 가지는 입자”로 정의하고 있다. 생성 기원에 따라, 1차 미세플라스틱(의도적으로 제조된 미세입자)과 2차 미세플라스틱(환경에서 플라스틱이 물리적·화학적·생물학적 작용을 받아 생성된 입자)으로 구분된다. 실제 환경에서는 2차 미세플라스틱의 비중이 더 높은 것으로 보고되고 있다. 최근 미세플라스틱의 환경 분포와 생물독성에 대한 관심이 증가함에 따라 다양한 독성평가와 환경거동 연구가 진행되고 있으나, 대부분 상업용 구형 단일 크기 입자에 의존하고 있어 실제 환경에서의 미세플라스틱 특성을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다. 실제 미세플라스틱은 자외선, 마찰, 온도 변화, 염도 등 복합적 풍화 조건에 노출되며, 이로 인해 크기·형상 변화, 표면 산화, 미생물막 형성 등이 발생하고, 이는 독성 및 환경 거동에 큰 영향을 준다. 본 연구는 이러한 특성을 실험실에서 재현하기 위해 모델 미세플라스틱을 제작하였으며, 상용 고분자인 PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene), PET(polyethylene terephthalate), Nylon, PLA(polylactic acid) 등에 극저온 분쇄와 전자빔 조사를 적용하여 입자의 크기, 형상, 표면 특성을 제어하였다. 이후 정밀 분급을 통해 다양한 크기와 형태의 시료를 구축하였으며, 본 시료는 1) 다양한 크기 범위, 2) 파편 및 섬유형 입자, 3) 풍화 조건을 반영한 표면 특성 등 실제 환경과 유사한 형태학적 다양성을 갖춘 것이 특징이다. 본 연구에서는 PE, PP, PET, PS, Nylon, PLA 등 다양한 고분자 소재를 대상으로 독성 평가용 미세플라스틱 시료를 제작하였다. 각 고분자 재료는 분쇄 과정을 거쳐 입자의 크기에 따라 분급하였으며, 최종적으로 <5 µm에서 >150 µm까지 다양한 크기 범위의 파편형(fragment type) 형태의 시료를 제조하였다. 고분자 재료는 일반적으로 연성이 크고 취성이 낮아, 기계적 분쇄 시 열 변형 및 입자 응집(agglomeration)이 발생하기 쉬우며, 이로 인해 미세 입자 제조에 제약이 따른다. 특히 플라스틱을 20 µm 이하로 분쇄하는 것은 매우 어려운 작업이다. 이를 극복하기 위해 극저온 분쇄(cryogenic milling) 공정을 도입하였다. 이 공정은 고분자 재료를 급속 냉각하여 취성을 증가시킨 후 분쇄함으로써, 열에 의한 변형 없이 안정적이고 균일한 입자 생산이 가능하도록 하였다. 일부 고분자 재료는 전자빔(electron beam) 조사를 분쇄 전 처리로 적용하여 분쇄 효율을 높였다. 전자빔은 고분자의 분자 구조에 영향을 주어 사슬 절단 또는 가교반응을 유도하며, 이는 재료의 분쇄 특성에 변화를 주는 방식으로 활용되었다. 최근 생분해성 고분자 사용이 급증함에 따라, 해당 물질이 환경 중에서 미세플라스틱 형태로 잔류하거나 분해 중 생성되는 중간산물이 생태계에 미치는 영향에 대한 우려도 커지고 있다. 이에 따라 생분해 고분자인 PLA 미세플라스틱도 제조하였다. PLA는 열에 의한 변형에 취약하고, 기계적 분쇄 공정의 효율이 낮아 두 가지 접근 방식으로 시료를 제작하였다. 5 µm 이하의 초미세 입자 시료는 에멀젼 용매증발법(emulsion solvent evaporation) 방식으로 제조하였고, 5 µm 이상 시료는 다른 고분자와 동일하게 극저온 분쇄 공정을 적용하였다. 이러한 접근은 생분해성 소재 기반의 다양한 크기 시료를 확보하기 위한 실험적 시도로, 향후 생분해성 고분자의 분해 특성, 환경 거동, 생물학적 영향 등을 비교·분석하는 데 활용될 수 있다. 제작된 시료의 크기는 입도 분급 공정을 통해 정밀하게 제어하였다. 분쇄된 입자는 진동식 분급기를 통해 크기별로 분급하였으며, 주사전자현미경(FE-SEM)과 입도 분석기(LS 13320)를 활용하여 각 시료의 형태학적 특성과 분포 특성을 확인하였다. 그림 2는 고분자 종류별 입도 분포 결과를 나타낸 것으로, 소재에 따라 <5 µm, <25 µm, 45–75 µm, >150 µm로 입도 분포를 확인하였고, 모든 고분자 시료는 목표한 크기 범위 내에서 입도 조절이 가능하였다. 섬유형(fiber-type) 미세플라스틱은 환경 중에서 검출 빈도가 높은 형태로, 특히 해양환경에서 전체 미세플라스틱 중 30~80%를 차지하는 것으로 보고된다. 주로 합성섬유 의류의 세탁 또는 산업적 가공 공정 중 유래되며, 생물체 내에 얽히거나 섭취되어 독성 및 생물학적 위해성을 유발할 수 있다. 본 연구에서는 실제 환경에서 발견되는 섬유형 미세플라스틱과 유사한 형상을 갖는 시험용 시료를 제작하고자 하였다[5]. 섬유형 시료 제작에는 PET, Nylon 6, PP, PLA 등 상업적으로 입수가 가능한 단섬유(short-cut fiber)를 활용하였다. 각 고분자 재료는 사전 가공된 섬유 형태를 유지하면서도, 독성 시험에 적합한 길이로 조절하기 위해 기계적 절단(cutting mill) 공정을 적용하였다. 절단 후 섬유의 평균 길이는 약 200–400 µm 범위에서 조절되었다. 섬유형 시료는 일반적인 파편형 시료와 달리, 그 표면 형상과 비표면적, 유연성, 길이-직경비(aspect ratio) 등이 생물학적 반응에 영향을 줄 수 있으므로, 형태학적 특성 유지가 중요한 설계 요소였다. 제작된 시료는 주사전자현미경(FE-SEM)을 이용해 형상 보존 상태를 확인하였으며, 길이는 Image J를 통해 분석하였다. 이처럼 확보된 섬유형 미세플라스틱 시료는 실제 환경에서 발견되는 섬유형 입자의 특징을 반영한 모델로서, 향후 생물 독성시험, 세포흡착 특성 분석, 분포 거동 모사 연구 등 다양한 분야에 활용 가능하다. 또한 파편형 시료와 병행하여 사용함으로써, 형상에 따른 독성 영향 비교연구의 기초 자료로도 유의미하다. 본 연구에서는 실제 환경에서 관찰되는 물리·화학적 풍화 특성을 반영한 모델 미세플라스틱 시료를 개발하였다. 제작된 시료는 5 µm 이하에서 150 µm 이상까지 다양한 크기를 포함하며, 파편형(fragment type)과 섬유형(fiber type) 형태를 모두 구현하였다. 저온 분쇄 공정을 기본으로, 일부 고분자에는 전처리 기술을 적용하여 입자 형태의 정밀 제어 및 환경 유사성을 확보하였고, 생분해성 고분자(PLA)는 기계적 분쇄 외에 증발 기반 방식도 병행하여 다양한 플라스틱 특성을 반영하였다. 해당 시료는 한국생산기술연구원을 통해 국내 주요 대학 및 연구기관에 제공되어, 다양한 독성 연구에 활용되었으며, 이를 바탕으로 해양 생물종에서의 흡수 경로, 장내 축적, 면역반응 등을 분석한 연구들이 다수의 SCI 저널에 게재되었다. 이처럼 개발된 시료는 단순 입자 공급을 넘어, 환경 노출 재현, 생물축적, 독성 메커니즘 분석 등 다양한 실험의 기초 자료로 활용되고 있으며, 미세플라스틱 위해성 평가의 표준화에도 기여하고 있다. 향후에는 질환 모델을 활용한 생체 영향 분석으로도 연구를 확장할 예정이다.

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