KAIST 명재욱 교수팀, 낙엽 활용 생분해성 농업용 멀칭 필름 개발

물 기반 공정으로 나노셀룰로오스 추출… 자외선 차단·보습 성능과 토양 생분해성 확인

KAIST 연구진이 버려지는 낙엽을 활용해 땅속에서 분해되는 농업용 멀칭 필름을 개발했다. KAIST는 건설및환경공학과 명재욱 교수 연구팀이 캠퍼스와 대전 갑천 인근에서 수거한 낙엽을 이용해 생분해성 농업용 필름을 제작했다고 30일 밝혔다. 이번 연구는 식량으로 사용되지 않는 식물성 자원인 낙엽을 고부가가치 기능성 소재로 전환했다는 점에서 의미가 있다.

농업용 멀칭 필름은 잡초 성장을 억제하고 토양 수분을 유지하는 데 쓰이는 농업 자재다. 그러나 현재 널리 사용되는 필름은 대부분 폴리에틸렌 기반 플라스틱으로 만들어져 사용 후 수거가 어렵고, 토양에 남은 잔여물이 미세플라스틱으로 변해 환경 오염을 일으킬 수 있다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 매년 대량으로 발생하지만 주로 소각이나 매립 등으로 처리되는 낙엽에 주목했다. 낙엽은 식량 자원과 경쟁하지 않는 비식용 바이오매스이자 계절성 폐자원으로, 생분해성 소재 개발에 활용할 수 있는 자원이다.

연구팀은 낙엽에서 핵심 성분을 추출하기 위해 구연산과 염화콜린을 혼합한 수화 심층공융용매를 활용했다. 이를 통해 식물 세포벽에서 얻을 수 있는 나노셀룰로오스를 추출하고, 생분해성 고분자인 폴리비닐알코올과 결합해 복합 필름을 제작했다. 특히 이번 공정은 유해한 유기용매 대신 물을 기반으로 수행됐다는 점이 특징이다. 연구팀은 리그닌 함유 나노셀룰로오스 섬유와 셀룰로오스 나노결정, 폴리비닐알코올, 글리세롤을 혼합한 뒤 증발 유도 자기조립 방식으로 복합 수소결합 네트워크를 형성해 고성능 생분해성 멀칭 필름을 구현했다.

개발된 낙엽 기반 필름은 실제 농업 환경에서 요구되는 주요 성능을 보였다. 실험 결과 자외선 UVA와 UVB를 효과적으로 차단했으며, 토양의 수분 손실을 14일 동안 약 5% 수준으로 억제하는 보습 성능을 나타냈다. 이 필름을 적용해 재배한 호밀풀은 필름을 사용하지 않은 경우보다 더 우수한 생장 상태를 보였다. 연구팀은 이를 통해 낙엽 기반 멀칭 필름이 기존 농업용 필름을 대체할 수 있는 기능적 가능성을 확인했다.

생분해 성능도 확인됐다. 토양 조건에서 실험한 결과, 개발된 필름은 약 115일 만에 34.4%가 분해됐으며 기존 생분해 필름보다 빠른 분해 속도를 보였다. 분해 과정에서 식물 독성은 나타나지 않았고, 호밀풀과 다채의 발아 및 초기 생장에도 영향을 주지 않는 것으로 확인됐다.

명재욱 KAIST 교수는 이번 연구가 낙엽을 단순히 처리하는 수준을 넘어 농업 환경을 보호할 수 있는 기능성 소재로 전환했다는 데 의미가 있다고 밝혔다. 이어 식량 자원과 경쟁하지 않는 낙엽과 물 기반 공정을 통해 지속가능한 농업용 플라스틱 대체 기술로 활용될 수 있을 것이라고 설명했다. 이번 연구에는 KAIST 건설및환경공학과 팜 탄 쭝 닌 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 최신형, 조용준, 문호성 연구자와 명재욱 교신저자가 함께한 연구 결과는 화학 및 환경 분야 국제 학술지 ‘그린 케미스트리(Green Chemistry)’에 2026년 2월 6일 게재됐으며, 저널 커버 논문으로 선정됐다. 논문명은 ‘All-water-based fabrication of biodegradable mulch films from dead leaves via complex hydrogen-bonded networks’이다.

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