자외선에 노출된 플라스틱의 미세화 과정

1. 자외선 조사와 플라스틱의 광화학적 열화 개시
플라스틱이 자외선에 노출될 때 가장 먼저 일어나는 변화는 광화학적 열화(photodegradation)이다. 대부분의 플라스틱은 탄소-탄소(C–C) 또는 탄소-수소(C–H) 결합으로 구성되어 있으며, 이 결합은 자외선(UV-B, UV-C)의 고에너지 광자에 의해 쉽게 절단된다. 플라스틱 표면이 자외선을 흡수하면 내부 고분자 사슬 내에서 자유라디칼(free radical)이 생성되고, 이 라디칼이 연쇄 반응을 일으켜 산화 및 분해 과정을 유도한다. 이때 형성된 과산화물(ROOH), 알데하이드, 케톤 등의 산화 생성물이 플라스틱의 색 변화와 강도 저하를 일으킨다. 특히 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스타이렌(PS) 등 비극성 플라스틱은 자외선 흡수율이 낮지만, 미량의 불순물이나 첨가제가 광감작제 역할을 하면서 반응을 가속시킨다. 이렇게 시작된 광열화는 단순한 표면 손상에 그치지 않고, 분자 구조의 균열을 통해 미세화의 초기 조건을 형성한다.

2. 산화 반응과 고분자 사슬의 단절 메커니즘
광화학적 활성화가 시작된 후에는 산소와의 반응이 중심 역할을 한다. 자외선으로 인해 생긴 라디칼은 주변의 산소 분자와 반응하여 과산화라디칼(ROO•)을 형성하고, 이는 다시 다른 고분자 사슬의 수소를 빼앗아 새로운 라디칼을 만든다. 이런 라디칼 연쇄 반응(chain reaction)이 지속되면, 플라스틱의 고분자 사슬이 연속적으로 끊어져 분자량이 감소하고 점탄성이 급격히 떨어진다. 표면층은 점차 산화되어 산소함유기(–C=O, –OH 등)가 증가하고, 이는 자외선 흡수를 더욱 강화시켜 ‘자가촉매적’으로 열화를 가속시킨다. 이 과정이 반복되면 플라스틱은 점점 취성화(brittleness)되어 쉽게 부서지는 물성을 띠게 된다. 또한 자외선에 장시간 노출된 플라스틱은 색이 누렇게 변하거나 탁해지며, 내부 응력 집중 부위에서 균열이 발생한다. 결국 이러한 분자 수준의 단절이 물리적 균열과 조각화로 이어져, 플라스틱 입자가 점차 작은 단위로 쪼개지기 시작한다.

3. 물리적 분해와 환경 요인의 복합작용
광화학적 산화가 진행된 플라스틱은 표면이 거칠어지고 균열이 생기며, 이때 외부 환경 요인이 추가적으로 작용하여 물리적 분해(physical fragmentation)를 촉진한다. 낮에는 자외선과 고온으로 팽창하고, 밤에는 냉각으로 수축하는 열충격(thermal stress)이 반복되면서 균열이 확장된다. 동시에 바람, 모래, 강우, 파도 등의 기계적 마모(mechanical abrasion)가 가해지면 플라스틱은 쉽게 부서져 미세조각으로 분리된다. 예를 들어, 해변이나 사막 같은 고자외선 지역에서 발견되는 플라스틱 잔해는 짧은 시간에도 1mm 이하의 입자로 분해된다. 또한 자외선에 의해 산화된 표면은 친수성이 높아져 수분과 쉽게 결합하므로, 습도나 수중환경에서도 가수분해(hydrolysis)가 일어나며 더 미세한 입자로 붕괴된다. 이러한 복합적인 광·열·물리적 작용의 결과, 플라스틱은 수개월 내에 수백만 개의 미세조각으로 분산될 수 있고, 이 과정에서 나노 크기의 입자까지 형성되어 환경으로 확산된다.

4. 미세입자 형성과 환경적 함의
자외선에 의해 미세화된 플라스틱 조각은 일반적으로 5mm 이하의 미세플라스틱(microplastic) 또는 100nm 이하의 나노 플라스틱(nanoplastic) 형태로 존재하게 된다. 이러한 입자들은 밀도와 형태에 따라 공기 중, 토양, 수중으로 이동하며, 다른 오염물질을 흡착해 복합 오염체로 작용한다. 표면 산화로 인해 극성이 높아진 미세플라스틱은 중금속, 농약, 유기오염물질(PCBs, PAHs 등)을 쉽게 끌어들여 독성 전달 매개체가 된다. 또한 나노 크기의 입자는 생물막(biofilm)에 흡착되거나 식물의 뿌리, 동물의 세포막을 통과하여 생물농축(bioaccumulation)을 유발한다. 자외선 노출이 많은 지역에서는 플라스틱의 미세화 속도가 빠르기 때문에, 미세플라스틱의 발생량이 눈에 띄게 증가하며 이는 생태계 전반에 영향을 미친다. 따라서 자외선에 의한 플라스틱의 미세화는 단순한 재료 열화 현상이 아니라, 지속 가능한 환경관리의 핵심 변수로 인식되어야 한다. 장기적으로는 자외선 저항성이 높은 생분해성 소재 개발과 플라스틱 노출 저감 전략이 필수적이다.