Bio-resource tech vol. 2 <Bio-material; Bio-plastic>

Bio-Material

 

중국의 재활용 쓰레기 수입 중단 조치로 인하여 페트(PET)병과 비닐 같은 일회용품이 그대로 폐기되는 등 한국을 비롯한 전 세계가 쓰레기 대란을 겪고 있다. 이렇게 버려지고 있는 (고체)쓰레기 중 80%이상이 분해가 되지 않는 플라스틱 쓰레기라는 것이 문제이다. 플라스틱들이 바다로 흘러 들어가 생태계를 파괴시키며 여러 환경적 문제를 야기할 뿐만 아니라 이는 먹이사슬을 통해 인류에게도 피해를 줄 수 있다.

그림 1. 빨대가 콧속에 박힌 거북이

출처 : YTN

지난 3월 영국 맨체스터대 연구팀이 ‘네이처 지오 사이언스’에 발표한 논문에는 한국의 인천~경기 해안과 낙동강 하구가 세계에서 미세플라스틱 농도가 2~3번째로 높은 곳이라는 내용이 포함돼 있다. 1㎡ 평균 미세플라스틱 개수가 1만~10만개 사이인 곳은 영국의 머지~어웰강, 한국의 인천~경기 해안낙〮동강 하구, 캐나다의 세인트로런스강 네 곳 뿐이다. 또한 연구팀은 ‘고도화된 도시만 놓고 보면 서울, 홍콩 등이 미세플라스틱 오염 농도 상위 9위에 해당한다고 지적하였다.

 현재 많은 단체에서 플라스틱 사용을 줄이기 위해 “NO Plastic campaign”과 같은 움직임이 일어나고 있다. 하지만 이렇게 플라스틱의 사용이 억제된다고 해서 이와 같이 유용한 소재와 영영 작별하는 것은 아니다. 플라스틱의 대체 소재가 활발히 개발되고 있는데, 그 중 가장 각광 받고 있는 소재인 Bio-plastic에 대하여 알아보도록 하자.

 

l Biopolymer 정의

플라스틱이란 합성수지(Synthetic polymer)의 관용명이다. 여기서 고분자(polymer)란 단순히 분자량이 큰 분자를 지칭하는 말일까? 분자량이 큰 분자라고 하여도 틀린 말은 아니지만 완벽한 정의라고 하기엔 부족하다. 고분자란 중합 과정에 의하여 작은 단위 구조(단량체)가 반복적으로 구성된 화학적 화합물(compound)이나 화합물의 혼합물(mixture)을 말한다.

그림 2. 분해성 플라스틱

출처 : 한화 케미칼

그렇다면 Bio-polymer란 무엇일까? 간단하게 말하자면 생물을 구성하거나 생물에 의해 생산되는 고분자 화합물을 지칭한다. 우리에게 익숙한 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산이 4대 천연고분자 물질이며 그 외로 가장 대표적인 천연고분자 물질에는 셀룰로오스 유도체, 키틴, 키토산, PLA(Polylactic Acid) 등이 있다. 우리가 주로 사용하는 플라스틱은 합성 고분자이고, 이와 대비되는 개념이 바로 Bio-polymer(Natural polymer)이다.

 

l  Bioplastic 정의

석유기반 고분자 중 생분해가 되는 생분해성 고분자를 포함한 바이오매스 기반 고분자 전체를 지칭하는 Bioplastic은 Biopolymer와 비슷해 보이지만 약간의 차이점이 있다. Bio-polymer은 생분해성에 초점을 두어, 자연계에서 고분자 물질이 저분자 물질로 분해되고 결국에는 물과 이산화탄소로 분해되는 생분해성 고분자 전체를 의미한다.

이와 달리 Bio-plastic은 바이오매스에 기반한 고분자 전체를 의미한다. 즉 생분해성이 아닌 고분자들이 다수 포함될 수 있다. 그렇기 때문에 Bioplastic이 되기 위한 대 전제로는 바이오매스로부터 제조된 고분자 이어야만 한다는 것이다.

 

그림 3. 바이오 플라스틱 vs 생분해성 플라스틱

출처 : 한국화학연구원

l  Bio-plastic 분류

바이오 플라스틱은 아직 명확하게 분류되지 못하였다. 때문에 해당 기사에서는 시대별로 통용되어 왔던 분류에 근거하여 각 플라스틱 별 특징에 대하여 서술하였다.

1) 생분해 플라스틱 (Bio-degradable plastics)

분해 기간이 100만년 단위인 난분해성 플라스틱과 달리, 박테리아 혹은 다른 유기 생물체에 의하여 비교적 단기간에 분해될 수 있는 플라스틱이다.

①    바이오매스로부터 전처리, 당화과정으로 당을 제조하고, 발효과정을 통해 단량체를 제조 · 중합하여 생산

②    석유로부터 얻은 단량체를 이용하여 생산

 

2) 바이오 베이스 플라스틱 (Bio-based plastics)

바이오매스와 기존의 난분해성(석유 기반) 단량체의 중합 혹은 가교결합하는 방식으로 제조되는 플라스틱이다. 분해성이 아닌, 탄소 중립에 초점을 맞춰 이산화탄소 저감을 통한 지구온난화 방지에 목적을 둔다. 또한, 생분해 플라스틱이 가진 여러 문제점을 개선하여 소재로써 산업에서의 활용성이 높다.

 

3) 산화 생분해 플라스틱 (Oxo-Bio-degradable plastics)

기존의 범용 난분해성 플라스틱에 바이오매스, 산화 생분해제, 생분해 촉진제 등을 첨가하여 제조되며 온도 등의 영향으로 산화반응에 의해 수동적으로 분해되는 플라스틱이다. 뜨거운 장소에서 제품이 분해되거나 변형되기 쉬우며 유해 잔여물질을 남기는 단점을 가지는데, 이를 해결하기 위한 복합 분해성 플라스틱은 1차적으로 열, 빛 등에 의한 산화분해 이후 2차적으로 생분해가 이뤄진다.

 

그림 4. Bio-plastic 시대별 분류

출처 : (주)바이오소재

l  Bio-plastic 장단점

기존의 플라스틱과 비교하여 Bio-plastic의 기능, 안전, 시장 점유 측면에서 장단점을 살펴보면,

생분해 플라스틱은 자연계에서 미생물에 의해 고분자 물질이 저분자 물질을 거쳐 물과 이산화탄소로 분해되어 환경적 측면에서 큰 장점을 가진다. 하지만 (1) 강도, 신장율 등 물리적 특성 및 가공성이 취약 (2) 유통기간 중 생분해 방지를 위한 최종 생분해 기간의 연장 필요 (3) 기존제품 대체 및 응용분야 확대 지연 (4) 범용 플라스틱 대비 고가격 (5) 재활용의 어려움 등의 한계점을 가진다.

바이오 베이스 플라스틱은 기존의 플라스틱과 유사한 수준의 가공성, 물성, 경제성을 가져 산업적 활용성이 높다. 탄소 고정으로 온실가스 배출을 줄여 기후변화에 대응할 수 있다는 점에서 친환경 소재라고 할 수 있으며, 범용 플라스틱의 문제점인 BPA(bisphenol A)가 포함되어 있지 않기 때문에 환경호르몬으로부터 안전하다.

산화 분해성 플라스틱은 생분해 플라스틱의 분해 능력과는 차이가 있다. 산화 분해성 플라스틱은 ‘분해’라기보다 ‘해체’라는 표현이 적합하다는 의견이 나오고 있는데, 산화 분해 후 잔여하는 유해물질은 결국 미세플라스틱으로 환경에 축적된다. 이는 ‘마이크로 비드’와 동일하게 먹이사슬을 통해 인간에게 돌아온다는 것이다.

 

현재의 분리수거/재활용 시스템은 기존의 플라스틱에 맞춰져 있기 때문에, Bio-plastic이 상용화 된다면 기존 플라스틱과의 구분이 어려워 분리 배출이 힘들어진다. 이로부터 의도치 않은 환경오염 문제들을 야기 할 수도 있다.

 

표 1. 바이오 플라스틱의 특징 비교1

출처 : 한국바이오소재패키징협회

 

표 2. 바이오 플라스틱의 특징 비교2

출처 : CLEAN TECHNOLOGY, vol.21, No.3

l  Bioplastic 시장동향

우리나라의 바이오 플라스틱 기술에 대한 연구는 선진국 수준에 현저히 못 미치고 있다는 것이 현실이다. 대부분의 기업들은 채산성이 맞지 않아 사업을 중단하고 있는 실정이다. 이에 따라 국내 규격 기준을 완화하여, 생분해성 물질을 30% 첨가한 생붕괴성 플라스틱 규격 기준을 마련하고, 이를 종량제 봉투에 적용하였으나 인장, 신장 등 물성이 약하고, 생산성이 부족하여 현재는 사업화 되지 않고 있다.

 바이오 플라스틱 기술 개발 및 실용화를 위하여 국내에는 SK, 대상, 이래화학, 새한 등의 기업들이 참여해 왔다. 최근에는 기존 대기업 및 참여업체 등이 협소한 시장규모, 해외에 비하여 너무 높은 샹분해 제품 관련 환경마크 인증규격 문제, 바이오매스 제품 원천기술 개발 미흡 등으로 인한 사업 보류, 중단, 인수/합병 등에 의해 많이 정비가 되어 가고 있는 현상이 눈에 띈다. (각 기업 별 상품들은 다음 기사에서 자세히 소개할 예정이다.)

표 3. 국내의 생분해성 플라스틱 현황

출처 : 한국화학연구원

 그렇다면 해외의 동향은 어떠할까? 다음 그래프에서 2007년부터 2011년까지 미국과 유럽의 바이오플라스틱의 연도별 생산량과 추이를 나타내고 있으며 성장 속도가 상당히 빠른 상태이다. 미국은 바이오플라스틱의 가장 큰 활용도는 포장재이며 생산량이 약 4억 파운드 이상이고, 그 다음으로는 일회용품 생산용이며 생산량은 약 1억 5천만 파운드 정도이며, 섬유·의료용 순으로 생산되고 있으며 고강도를 요구하는 스포츠용품 제조용으로도 상당량 생산되고 있다.

 

그래프 1. 연도별 바이오 플라스틱 미국 생산량

출처 : 한국화학연구원

 아시아 지역에서 바이오 플라스틱의 수요가 가장 높은 국가는 일본이다. 일본이 53%, 다음으로 중국 26%, 우리나라는 7%에 그치고 있음을 알 수 있다. 아시아 지역의 총 수요량은 58,000metric ton 정도이며 이는 아직 유럽과 미국에 비하여 상당히 적은 부분이라는 것을 알 수 있다.

 

l  나아갈 방향과 기대점

바이오 플라스틱은 아직 개발 초기 단계이다. 여러 바이오 플라스틱의 물성이 기존 석유기반 플라스틱 소재들에 비하여 낮은 것은 사실이다. 따라서 산업적 활용성 측면에서 많은 제한이 있다.

하지만 최근의 연구에서 석유기반 플라스틱과 유사한 수준의 가공성, 물성, 경제성에 도달하고 있으며, 수요 또한 증가하여 식품 포장, 전자제품, 자동차, 건축자재, 문구류, 농업자재, 비닐 필름, 종이/펄프 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

바이오 기술과 화학 기술의 접목으로 우수한 기술들이 여럿 개발되고 있다. 따라서 멀지 않은 미래에 경제성과 산업 활용성이 개선된 고부가가치 바이오 플라스틱 소재들이 시장에 등장할 것으로 예측된다

 

l  Reference

1) 『먹을 수 있는 생분해성 플라스틱』, 한화 케미칼, 2017.08.29

https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=9177526&memberNo=5673438

2) 제갈종건, 『바이오플라스틱 현황 및 전망』, 한국화학연구원, 2012

3) 김미경, 『바이오플라스틱 개요 및 특징』, 한국바이오소재패키징협회, 2012.02

4) 임대현 외 4명, 『바이오 플라스틱의 시장분석 및 전망』, Biomaterial Research, 2011.05.09

5) 김백진, 『재생가능 자원 기반 바이오 플라스틱 제조 기술 동향』, 한국생산기술연구원, 2012

6) 「인천~경기 해안, ‘살인 입자’ 미세플라스틱 농도 세계2위」, 문화일보, 2018.06.12

7) 유영선 외 3명, 『국내외 바이오 플라스틱의 연구개발, 제품화 및 시장 동향』, CLEAN TACHNOLGY, 2015.09.

8) Shailesh Shiwajirao Sawant, 『Production of Polyhydroxyalkanoates (PHAs) from complex polysaccharides』, 충북대학교, 2016.02