브리지스톤, Gd 촉매로 세계 최초 합성 … 순환경제 분야 주목

브리지스톤(Bridgestone)이 독자 개발한 ESB(Ethylene Styrene Butadiene Terpolymer) 제안을 위해 특성 강화에 나섰다.
ESB는 브리지스톤이 계산화학을 활용해 독자적인 Gd(가돌리늄) 촉매를 개발함으로써 세계 최초로 합성에 성공한 소재로 찌름에 대한 내성과 자기수복성, 이종 소재와의 접착성이 뛰어나다.
브리지스톤은 앞으로 ESB의 가치를 강조하면서 각종 프로젝트를 통해 파트너와 ESB의 특징을 살릴 수 있는 용도를 모색할 계획이다.
ESB는 에틸렌(Ethylene)을 주골격으로 한 고기능 에틸렌계 열가소성 엘라스토머이며, 브리지스톤은 천연고무 가격이 급등하고 북미 셰일(Shale) 혁명으로 나프타(Naphtha) 탈피 움직임이 본격화된 2010년 저가에 대량 확보가 가능한 에틸렌을 유효하게 활용할 방법으로 개발했다.
원래 ESB를 구성하는 3개 성분은 공중합체 합성이 불가능한 것으로 알려졌으나 계산화학을 활용해 개발한 Gd 촉매로 3개 성분을 정교하게 제어했고 최근 성과가 인정받아 아이다 요지로 펠로우와 혁신소재 기술전략 연구부 첨단 엘라스토머 연구동의 다카노 시게나가 연구원, 지속가능‧첨단소재 총괄부문 분석기반 기술연구부 분석기술연구동의 후쿠시마 리카 연구원이 고분자학회 기술상을 수상했다.
Gd 촉매는 1999년 아이다 요지로 펠로우가 개발한 촉매를 베이스로 개발했으며, 후쿠시마 리카 연구원은 반응 과정을 규명할 때 유용한 양자화학 계산을 사용해 새로운 반응 메커니즘을 도출하며 반응이 어떻게 진행되는지 해석했다.
다카노 시게나가 연구원은 공중합을 위해 촉매를 디자인했고 여러 Gd 촉매를 구분해 사용하며 3개의 모노머를 임의로 제어할 수 있도록 했다.
카본블랙(Carbon Black)을 배합해 가황한 천연고무와 비교하면 연구팀이 제조한 ESB 타입 A는 신장 정도가 비슷하고 강도는 1.4배 우수하며, 타입 B는 강도가 유사하고 신장 정도는 1.6배 우수한 것으로 확인됐다.
PE(Polyethylene)의 강도와 폴리부타디엔(Polybutadiene)의 유연성을 고차원으로 조화시킨 것으로 평가된다.
특히, 찌름에 대한 내성이 우수하며 ESB 시트에 국소적으로 강한 에너지를 가해도 에너지가 분산돼 구멍이 나지 않는 것으로 알려졌다.
또 ESB 필름에 흠집을 낸 다음 섭씨 100도의 열을 가하고 3-24시간이 지났을 때 거의 모든 흠집이 사라진 것에 따라 자기수복성이 뛰어나다는 것을 규명할 수 있었다.
이종 소재와의 접착성을 확인하기 위해서는 에틸렌 주골격에 맞추어 열을 가함으로써 PE와 접착시켰고 가황 고무도 첨가제 등 제3의 성분을 사용하지 않고 접착에 성공했다.
브리지스톤은 지난 5년간 ESB가 카본블랙을 사용하지 않고 가황도 하지 않은 상태에서 모든 특성을 발현할 수 있는 메커니즘을 밝히기 위해 연구를 진행했다.
원래 단독으로 연구개발(R&D)을 진행했으나 더 많은 사람들에게 ESB를 알리기 위해 학회 활동을 시작했고 학술기관과 공동 연구를 진행하며 밝혀낸 내용을 고분자학회에 보고함으로써 기술상 수상 성과를 거두었다.
연구팀은 ESB의 가치를 더 규명한 후 탄소중립, 순환경제 분야에서 활용할 예정이다.
가황 과정에 첨가제가 필요하지 않고 사용하는 원소가 탄소와 수소뿐인 ESB는 리사이클이 용이할 것으로 예상되기 때문이다. (강)