게 껍데기의 무한 변신…광학 기기도 만들 수 있다? [고든 정의 TECH+]

현대 문명의 발명품 가운데 상당수는 지속 가능하지 않은 방법으로 생산되고 소비된 후 버려지고 있습니다. 화석 연료가 대표적인 사례입니다. 우리는 오랜 세월 생성된 석유, 석탄, 천연가스를 채취한 후 발전과 운송 수단을 위한 연료로 한 차례 사용하고 최종적으로는 이산화탄소의 형태로 지구 대기에 배출합니다. 그 결과 지구 온도가 오르면서 각종 기상 이변이 속출하고 생태계가 위협받고 있습니다. 에너지원으로 사용하는 대신 플라스틱 같은 형태로 사용해도 결과는 비슷합니다. 최종적으로 남는 것은 자연적으로 잘 분해되지 않는 플라스틱 쓰레기입니다.

물론 대안은 있습니다. 전기차나 수소차 같은 친환경 자동차가 기후 위기에 대한 대안으로 급부상하고 있습니다. 소재 부분에서도 재활용이 가능한 플라스틱 소재나 혹은 분해가 쉽게 되는 바이오 플라스틱이 개발되고 있습니다. 후자의 경우 화석 연료에 의존하지 않고 지속적으로 생산이 가능하다는 장점도 있어 앞으로 유망한 소재로 생각되고 있습니다.

이런 바이오 소재 후보 물질 중 주목받는 것이 게 같은 갑각류의 껍질입니다. 갑각류의 껍데기는 매우 단단할 뿐 아니라 여러 가지 우수한 성질을 지니고 있어 오래전부터 과학자들의 주목을 받아왔습니다. 여기에 매년 상당한 양의 해양 식품 폐기물의 형태로 게와 새우 껍데기를 얻을 수 있어 이를 버리지 않고 유용하게 사용하고자 하는 연구가 활발합니다.

게 껍데기 폐기물을 이용한 바이오 소재는 주로 건강 기능 식품으로 쓰이는 키토산(키틴을 화학처리해서 얻은 물질)이 가장 잘 알려져 있습니다. 하지만 사실 키토산은 투명한 성질을 지니고 있을 뿐 아니라 갑각류의 껍데기처럼 단단한 형태로 만들 수 있어 바이오 플라스틱 소재의 가능성도 지니고 있습니다.

우리처럼 게를 많이 먹는 필리핀의 아테네오 마닐라 대학의 연구팀은 키토산을 이용한 회절 격자(diffraction gratings)를 개발했습니다. 우선 게 껍데기를 세척하고 곱게 갈아 파우더로 만든 후 여기에 있는 키틴을 화학 처리해 키토산을 얻습니다. 정제된 상태의 키토산 용액은 투명할 뿐 아니라 뛰어난 광학적 성질을 지니고 있습니다.

연구팀은 이 키토산 용액이 회절 격자의 성질을 지닐 수 있도록 소프트 리소그래피(soft lithography)라는 공정을 이용해 표면에 수천 개의 미세한 패턴을 새긴 후 실리콘 틀에 넣어 굳혔습니다. 그리고 마지막으로 레이저를 이용해 의도한 회절 패턴이 나타나는지 확인합니다.

참고로 회절 격자는 빛을 여러 방향으로 회절시키는 물질로 광학 기기 가운데 물체의 구성 물질을 알아내는 분광계 (spectrometer)의 기본 부품입니다. 지금까지는 주로 유리 소재가 사용되는데, 무겁고 재활용이 까다롭다는 단점이 있었습니다. 산업용이나 실험실에서 사용할 때는 큰 단점이 아니지만, 들고 다니는 휴대용 분광계의 경우 무게를 줄이는 데 한계가 있었습니다.

키토산 바이오 플라스틱을 이용한 회절 격자는 매우 가벼울 뿐 아니라 시간이 지나면 쉽게 분해되기 때문에 성능만 보장할 수 있다면 탁월한 대안이 될 수 있습니다. 연구팀은 위험한 독성 물질이나 생물학적 오염 물질을 검사하는 특수 목적의 일회용 분광계에 사용하기에 가장 적합한 소재로 보고 있습니다.

현재 우리가 사용하는 수많은 제품은 지속적으로 생산할 수 없는 한정된 자원으로 만들어지고 있습니다. 또 재활용하기도 어려워 처치 곤란한 많은 쓰레기를 만들고 있습니다. 생물학적 폐기물을 이용한 바이오 플라스틱은 본래 버려지는 쓰레기를 이용하는 데다 지속적으로 생산할 수 있는 물질에 기반을 둔 만큼 이 문제에 대한 가장 좋은 대안이 될 수 있습니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com