▲ 기계연 플라즈마 활용 폐유기물 고부가가치 기초원료화 사업단 송영훈 단장(右)과 질소자원화전략연구단 이대훈 단장(구팀에서 개발한 수소 플라즈마 실증 설비를 살펴보고 있다.

국내 연구진이 세계 최초로 혼합 폐플라스틱을 분리 없이 에틸렌·벤젠 등 화학 원료로 전환하는 기술을 개발했다. 이 공정은 폐플라스틱의 70~80%를 재활용 가능한 에틸렌과 벤젠으로 전환하며, 에틸렌 수율도 70% 이상, 정제 후 고순도 원료 확보가 가능해 탄소 저감과 경제적 재활용 효과가 기대된다.

한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연)은 다양한 종류의 폐플라스틱을 엄격한 선별 과정 없이 플라스틱 원료로 되돌리는 혁신적인 플라즈마 전환 공정을 개발했다고 3일 밝혔다.

이번 성과는 국가과학기술연구회 산하 기계연을 중심으로 한국화학연구원, 한국생산기술연구원, 한국과학기술연구원, 다수의 대학이 참여한 ‘플라즈마 활용 폐유기물 고부가가치 기초원료화 사업단(단장 송영훈)’의 연구 결과다.

이번에 개발된 기술은 혼합 폐플라스틱을 플라즈마로 에틸렌과 벤젠으로 전환하는 공정이다. 플라즈마는 고온에서 전기적으로 활성화된 기체로, 기존 열분해보다 반응 속도가 빠르고 에너지 전달 효율이 높다.

기계연 연구팀은 세계 최초로 100% 수소 기반 고온 플라즈마 토치를 개발해 폐플라스틱을 1,000~2,000℃ 초고온에서 0.01초 만에 분해했다. 반응 조건을 조절하면 생성물 중 플라스틱 제조 핵심 원료인 에틸렌과 벤젠의 선택도는 70~90%, 에틸렌 수율은 70% 이상이며, 정제 후에는 99% 이상의 고순도 원료를 확보할 수 있다.

기존 폐플라스틱은 소각, 열회수, 물리적·화학적 재활용으로 처리됐지만, 화학적 재활용률은 1% 미만에 그쳤다. 특히 혼합 플라스틱은 반드시 엄격한 선별 과정을 거쳐야 했고, 일반 열분해(450~600℃)에서는 수백 종 화학물질 중 20~30%만 활용 가능했다.

사업단이 개발한 플라즈마 공정은 초고온에서 폐플라스틱을 빠르게 분해해 고분자 구조를 효율적으로 깨뜨리고, 수소 기반 운전으로 부산물 탄소 생성을 억제한다. 이를 통해 장기 운전 안정성이 높아지고 왁스와 경질 탄화수소도 처리할 수 있다.

또한, 전체 생성물의 70~80%를 재활용 가능한 에틸렌과 벤젠으로 전환할 수 있으며, 기존 열분해에서 활용이 어려웠던 왁스도 80% 이상 선택적으로 전환해 에너지 효율을 높였다.

이 기술이 상용화되면 현재 약 1% 미만인 국내 폐플라스틱 화학적 재활용률을 획기적으로 높이고, 소각 대신 재활용으로 탄소 배출을 줄일 수 있으며, 신재생에너지 활용 시 사실상 CO₂ 배출 없는 시스템도 가능하다.

파일럿 운전에서는 경제성도 확인됐으며, 생산된 에틸렌 가격은 기존 원료 수준과 유사하다. 연구팀은 2026년부터 실증 사이트에서 장기 운전을 통해 상용화를 가속화할 계획이다.

송영훈 사업단장은 “세계 최초로 혼합 폐플라스틱을 경제적 원료로 전환할 수 있는 공정을 확보했다”며 “실증과 사업화를 통해 폐기물과 탄소 문제를 동시에 해결할 것”이라고 밝혔다.

이대훈 연구단장은 “확보한 요소기술은 반도체·디스플레이 공정의 온실가스 처리와 고품질 소재 생산으로도 확장 가능하다”고 설명했다.

한현, 기계연은 2022년 4월부터 2025년 6월까지 과기정통부·환경부 혁신도전 프로젝트로 사업단을 운영했으며, 혼합 폐플라스틱을 높은 선택도의 C2 단량체로 전환하는 기술과 도출된 요소기술의 사업화를 추진 중이다. 최종 성과보고회는 5일 오전 10시, 한국기계연구원 본관 대회의실에서 열린다.