초록
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1. 서론
플라스틱 소재는 다양하면서도 우수한 기능 및 저렴한 가격으로 현대의 풍요로운 인류 생활과 산업 발전에 크게 이바지해왔다. 하지만 매립에 따른 환경호르몬 침출, 중간 분해 단계에서 생성되는 미세플라스틱(microplastic), 대량 플라스틱 폐기물의 소각에 따른, 맹독성의 다이옥신(dioxine), 휘발성유기화합물(volatile organic compound, VOC) 같은 대기오염 물질, CO2 같은 온실가스의 배출 등과 같은 심각한 환경오염을 초래하고 있다. 이러한 플라스틱 폐기물 문제는 모두, 잘
1. 서론
플라스틱 소재는 다양하면서도 우수한 기능 및 저렴한 가격으로 현대의 풍요로운 인류 생활과 산업 발전에 크게 이바지해왔다. 하지만 매립에 따른 환경호르몬 침출, 중간 분해 단계에서 생성되는 미세플라스틱(microplastic), 대량 플라스틱 폐기물의 소각에 따른, 맹독성의 다이옥신(dioxine), 휘발성유기화합물(volatile organic compound, VOC) 같은 대기오염 물질, CO2 같은 온실가스의 배출 등과 같은 심각한 환경오염을 초래하고 있다. 이러한 플라스틱 폐기물 문제는 모두, 잘 썩지 않고 반영구적이라는 플라스틱 개발 초기의 장점이 환경오염이라는 부메랑이 되어 우리에게 되돌아오고 있는 데에 기인한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 세계 각국은 여러 환경규제를 강화하고 있다. 독일, 이탈리아, 미국 등 각 선진국은 쇼핑백, 플라스틱병에 분해성플라스틱을 사용을 의무화하는 등 친환경 플라스틱의 광범위한 실용화가 활발히 진행되고 있다. 우리나라도 최종 분해까지 300~500년 정도 걸리는, 기존의 난분해성플라스틱 제품에 부과되는 폐기물 부담금을 인상하는 정책을 마련하고 있어서, 친환경 플라스틱 제품으로의 사용을 유도하고 있다. 폐기물 부담금 인상 등의 이러한 환경규제는 플라스틱 산업의 성장에 장애로 작용하고 있으며, 이에 따라 세계 각국은 인체에 무해하고, 재활용이 용이하면서도, 가격경쟁력과 기존 플라스틱의 이로운 물성을 유지하는 원료 및 제품 개발에 총력을 기울이고 있다. 생체분해성플라스틱 시장은 연평균 8.3%씩 성장하여 2020년에 세계 시장은 3.4억 달러, 국내 시장은 188억 원 규모의 시장을 형성할 전망이며, 세계 시장 중 아시아, 특히 인도와 중국 시장의 비약적 성장이 전망된다. 이러한 맥락에서, 본고에서는 환경친화적인 바이오매스를 기반으로 하는 플라스틱과, 생분해성플라스틱 같은 친환경적인 플라스틱 대체 소재에 대한 정의, 종류, 특성, 응용 분야 등을 알아보고자 한다.
2. 바이오플라스틱
‘바이오매스(biomass)’는 생명(bio)과 덩어리(mass)를 결합한 용어로서, 여기서는 ‘양적 생물자원’을 의미한다. 일반적으로, 대기 중의 이산화탄소가 광합성에 의해 고정된 형태의, 사탕수수, 옥수수 같은 식물자원, 미생물 대사 생성물, 그리고 클로렐라(chlorella), 스피루리나(spirurina) 같은 미생물 및 해조류를 총칭한다. 참고로, 바이오매스의 사전적 의미는, 앞의 정의와는 조금 다르게, 화학적에너지로 사용 가능한 식물, 동물, 미생물 등의 생물체, 즉 바이오에너지로서의 에너지원을 의미한다. 전 세계적으로 1년간 생산되는 바이오매스의 양은 석유의 전체 매장량과 맞먹는 막대한 양이며, 실질적으로 고갈될 염려가 없어서 무한 자원으로 간주되기도 한다. ‘바이오플라스틱(bioplastic)’은, 통일된 기준의 정의가 있는 것은 아니지만 European bioplastic에 의하면, 바이오매스로부터 유래된(de-rived) 플라스틱, 즉 ‘바이오 기반 플라스틱(bio-based plastic)’과 생분해성(biodegradable)플라스틱을 의미한다. 여기서 생분해성플라스틱은, 미생물에 의한 분해작용에 의해 수개월 내지 수년 이내에 물, 이산화탄소, 메탄가스 등으로 완전 분해되는 플라스틱을 말한다. 또한 바이오 기반 플라스틱은 생분해성일 수도 있고, 아닐 수도 있다. 이에 따라 전체 플라스틱은 그림 1과 같이 분류할 수 있다. 여기서 색상이 있는 부분이 바이오플라스틱 영역이며, 1사분면은 바이오 기반 플라스틱이면서 생분해성인 경우의 바이오플라스틱이다. 또한 2사분면은 바이오 기반 플라스틱이면서 생분해성이 아닌 경우인데, 예를 들면 바이오 기반 PET(polyethylene glycol terephthalate)가 있을 수 있다. 바이오 기반 PET는 석유 기반 PET와 동일한 화합물이지만 기존 플라스틱이 아니라 바이오플라스틱으로 분류되는데, 이는 ‘탄소중립(carbon neutral)’ 개념으로 설명될 수 있다. 탄소중립이란 개념은 성장기에 물, 이산화탄소, 태양광을 이용하여 엽록체에서 광합성작용을 통해 이산화탄소를 소비하고, 폐기되어 자연에서 분해될 때 성장기에 흡수한 정도의 이산화탄소만을 발생시켜 지구상의 이산화탄소 총량을 증가시키지 않는 개념이다. 따라서 바이오 기반 PET는 석유 기반 PET와 달리 탄소중립이 성립하여서, 친환경 플라스틱으로 간주되고 바이오플라스틱 범주에 포함되게 된다. 또한 이러한 바이오 기반 PET는 100% 바이오매스 기반일 필요는 없다. 예를 들면, 바이오 기반 MEG(monoethylene glycol)와 석유 기반 PTA(purified terephthalic acid)의 혼합물로 바이오 기반 PET를 구성할 수 있다.
※ PE: polyethylene, PP: polypropylene, PBAT: polybutylene adipate terephthalate, PTT: polytrimethylene terephthalate.
그림 1. 바이오 기반과 생분해성 유무에 따른 플라스틱의 분류 (참고문헌 9)
2.1. 생분해성플라스틱
생분해성플라스틱은 재활용이 가능하고, 매립 시 분해가 가능하며, 소각 시 다이옥신 같은 유해물질 배출이 없는 한편, 열량은 4,000~7,000 kal/kg이다. 이는 기존 플라스틱에 비하면, 현저히 발열량이 낮고 소각로를 손상시키는 리스크도 더 감소시킨다. 참고로 기존 플라스틱은, 가장 연소 열량이 적은 폴리에틸렌도 11,000 kcal/kg의 열을 발생한다. 생분해성플라스틱은 바이오매스의 전처리, 당화과정을 거쳐 당을 제조하고, 당의 발효과정을 통해 산업상 사용이 용이한 고분자 단량체(monomer)를 생산한 후, 이 단량체를 중합하거나 석유화학 유래물질과 혼합하여 플라스틱을 제조하는 두 종류가 있다. 대표적인 생분해성플라스틱인 PLA(polylactic acid)는 전분을 당화, 발효시켜 젖산(lactic acid)을 만들고, 이를 중합하여 제조하고 있다. 플라스틱의 원재료에 따라 생분해성플라스틱을 분류하면, (1) 생분해성 천연 고분자인 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 펙틴(pectin), 리그닌(lignin), 전분 등 식물에서 유래하는 것으로 PLA, TPS(thermoplastic starch) 등과 새우, 게 등의 껍질에 함유된 키틴(chitin)질을 원재료로 한 동물 유래의 것들이 있으며, 미생물 생산 고분자(microbial bio-polymer)인 PHA(poly hydroxyalkanoate), PHB(poly-β-hydroxybutyrate), PHV(poly-β-hydroxyvalerate), 그리고 이들의 공중합체(copolymer)인 PHB/PHV 등의 poly-alkanoates가 있다. 또한 바이오매스 유래 단량체를 화학합성하여 얻는 생분해성플라스틱에는 지방족폴리에스테르(polyester), PCL(poly-caprolactone), PGA (polyglycolic acid) 등이 있으며, 이는 미생물 생산 고분자에 비해 생산이 용이하고 기존 플라스틱과 물성 및 응용 분야가 유사하므로 개발 시 시장진입 장벽이 낮아서, 상업화 가능성이 다른 생분해성플라스틱보다 높다. 이러한 바이오매스 유래 단량체 중합형 플라스틱은 석유계 플라스틱과 생산공정이 유사하여 기존 플라스틱 생산기술을 그대로 활용할 수 있으므로, 많은 화학기업 및 바이오 관련 기업에서 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다. 한편, 생분해성플라스틱 중에서, 산화생분해성(oxo-biodegradable) 플라스틱은 기존 플라스틱에 바이오매스, 산화생분해제, 상용화제, 생분해 촉진제를 첨가하여 제조하며, 열, 빛, 미생물, 효소, 화학반응 등의 복합적 작용에 분해가 촉진되어서, 완전분해까지 분해 기간을 1~5년으로 단축하는 신개념의 생분해성플라스틱이다. 이러한 산화생분해성플라스틱은 고가인 기존 생분해플라스틱의 제품 응용성 및 생산성 저하 문제, 광분해 제품의 최종 생분해가 어려운 점 등의 단점을 보완할 수 있고, 기존의 생산설비를 그대로 사용하여 장치비 부담이 적으며, 기존 플라스틱과 유사한 물성, 저렴한 제조 비용 등의 이유로 최근 전 세계적으로 기술개발 및 제품화가 활발하게 진행되고 있다.
2.2. 복합재료 형태의 바이오플라스틱
생분해성플라스틱(산화생분해성플라스틱은 제외)은 기존 플라스틱에 비하여 상대적으로 다음과 같은 한계점이 있다.
(1) 강도, 신장률 등 물리적 특성 및 가공의 취약성
(2) 유통기간 중 생분해 발생 방지를 위한 최종 생분해 기간의 연장 필요성
(3) 기존 제품 대체성 및 응용 분야 확대 제한
(4) 기존 플라스틱 대비 높은 가격
이러한 이유로 내열성, 가공성, 내충격성을 보완한 복합 형태의 바이오플라스틱들이 개발, 출시되고 있다. 즉, 기존플라스틱, 바이오매스나 생분해성플라스틱 중에서 둘 이상의 소재를 결합하여 가공성, 내충격성 등의 물성을 개량한 제품 등이 있다. 예를 들면, (1) 케나후, 볏짚, 밀짚, 왕겨, 옥수수 껍질, 식물체 대 분말 등 식물체와 전분 등을 기존 플라스틱, 생분해성플라스틱과 혼합하여 제조하는 탄소 저감형 바이오플라스틱, (2) PLA, PCL과 같은 생분해성플라스틱과 기존 플라스틱을 혼합하여 제조하는 탄소 저감형 플라스틱 등이 있다.
3. 바이오플라스틱의 응용 분야
현재 상업적으로 생산 판매되고 있어 실용화되고 있는 바이오플라스틱 소재 중에서 생분해성플라스틱은 PCL, PLA, PBAT(poly butylene adipate terephthalate), TPA(terephthalic acid), PVA(polyvinyl alcohol), PES(poly ethylene succinate), PHA, PHB, PBS(poly butylene succinate)와 지방족폴리에스테르 및 전분/지방족폴리에스테르 혼합재 등이다. 이러한 천연계 고분자 중에서도 전분이 생분해성플라스틱 원료로 가장 선호되고 있고, 실제로 전분을 원료로 한 바이오플라스틱이 포장 용도로서 현재 가장 많이 실용화되고 있는 추세이다. 또한 너무 짧은 분해 기간, 약한 물성, 내열성 및 내한성 등의 생분해성플라스틱의 단점을 보완한 바이오매스 20~40%와 플라스틱 60~80%를 혼합 사용한 바이오 기반 플라스틱과 산화제 등을 첨가한 산화생분해성플라스틱이 속속 출시되고 있다. 수개월 내에 생분해되는 폴리에틸렌계 고분자는 PES, PVA가 있으며, 또한 일반 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 폴리올레핀계 고분자의 생분해 기간을 단축하기 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 바이오플라스틱의 구체적인 응용 분야의 예는 다음과 같다.
3.1. 포장재 분야
바이오플라스틱 중에서 가장 많이 쓰이는 것은 옥수수 및 옥수수 추출물로 만든 포장재이며, 생분해가 용이하여 친환경 소재로 각광받고 있다. 또한 식량자원 사용 자제를 위해, 연중 원료 조달이 용이한 왕겨, 목분, 옥피, 두부, 박, 소맥피, 대두피, 식품공장 부산물 등 비식용 유기성 폐자원이 주목받고 있다. 한편, 2009년 일본에서 첫 판매가 시작된 식물 병(Plant Bottle)은 기존 PET 플라스틱에 사탕수수에서 추출한 바이오에탄올을 일부 적용하여 페트병을 만든 것인데, 이러한 식물 기반 페트병을 사용했을 경우 연간 석유 사용량을 2,045kL 감소시킬 수 있기 때문에 환경에 도움이 된다고 설명하고 있다. 하지만 바이오매스 소재는 내구성 문제가 있을 수도 있어서 제한적인 용도로 사용되고 있는 상황이며, 이에 따라 각국의 기업들은 적용 범위를 넓히기 위한 기술개발에 몰두하고 있다. 한편, 코카콜라는 Bio-PET 음료수병인 식물 병을 개발하여, 상용화에 들어갔으며, 전 세계 20여 개국에서 200억 개 이상 판매했다. 이 식물 병은 바이오 기반 플라스틱인 MEG 30%와 석유 기반 PTA 70%가 혼합된 병으로서, 대표적인 바이오 기반 플라스틱 제품이다.
3.2. 의료 부품 분야
생분해성플라스틱 중에서 생체분해성 고분자는 생체 내 흡수성 고분자와 비흡수성 고분자로 분류되는데, 생체 내 흡수성 고분자는 조직 재생용으로 주로 사용되며 서방성 약제를 담은 담지체로도 활용된다. 한편 비흡수성 고분자는, 생체 내에서 작용을 마친 후에 배설되어야 하므로 주로 소화기계통에 사용된다. 의료용 생체분해성 고분자는 인체 내에서 면역거부반응을 일으키지 않는 것이 가장 중요하므로, 이와 관련된 여러 분야의 학문들이 복합적으로 결합된 다학제 간 융합기술이다. 이러한 생체분해성 고분자 소재로는 PLA와 PGA가 있으며, 이들의 공중합체가 생체적합성이 우수하여 조직 지지체, 봉합사로 많이 사용되고 있다. 어떤 생체분해성 고분자는 무효소계에서 화학적인 가수분해 방법으로 고분자가 분해되기도 하는데, 폴리에스테르계 고분자가 대표적이며 지방족폴리에스테르가 생체분해성 고분자 생체재료로 사용되고 있다. 대표적인 가수분해형 생체분해성 고분자로는 폴리디옥사논(polydioxanone), 폴리(하이드록시발레레이트)[poly(hydroxyvalerate)], PLA, PHB 등이 있다. 이러한 생체분해성 고분자는 인공 심장, 판막, 혈관, 뼈, 신장, 췌장, 귀 등 다양한 분야에 기존 플라스틱 소재의 대체 물질로 사용이 가능하다. 생체분해성 고분자는 수분, 미생물, 온도 같은 다양한 환경 요인에 따라 스스로 분해되므로, 생체 내 부작용을 최소화할 수 있어 종래 플라스틱 소재를 대체할 신소재로 각광받고 있다. 한편, 생체분해성 고분자 수요는 해당 국가의 GDP, 의료복지 수준 등과 상관관계가 높아서 미국, 일본, 유럽 같은 선진국을 위주로 시장이 형성되어 있으며, 국내의 경우 의료복지 수준이 아직까지 선진국에 미치지 못하는 상황이므로 현재 국내 시장 규모는 미미한 수준이라 할 수 있다.
4. 결론
2013년 발효된 교토의정서에 따른 탄소세 도입으로 인해, 산업 분야에서의 이산화탄소 발생은 지구온난화 등 환경오염 차원에서 경제적인 문제로 발전되고 있다. 따라서 이산화탄소가 많이 발생하는 기존 석유 기반 플라스틱은 시장에서 경제적인 가격경쟁력이 약해질 가능성이 크다. 바이오플라스틱은 탄소중립 개념에 의해, 사용 후 분해 과정에서 이산화탄소 발생량이 바이오플라스틱의 원료인 바이오매스 제조 시의 이산화탄소 고정 제거량으로 상쇄되어 환경친화적이다. 한편 최근에, 기존 플라스틱의 취약한 분해성으로 발생되는 막대한 양의 미세플라스틱은 전 세계적인 환경문제를 초래하고 있고, 인류 건강을 직접적으로 위협하고 있다. 이러한 이유로 바이오플라스틱의 하나인 생분해성플라스틱의 사용이 강조되고 있다. 이러한 맥락에서, 바이오플라스틱의 시장경쟁력은 급격히 증가할 추세이고 그 적용 분야가 주로 일회용 봉투, 식품포장재 등에서 전자제품, 가전제품, 식품용 등으로 확대되고 있다. 따라서 관련 국내 기업체들은 정부나 지자체의 지원책을 적극 활용할 필요성이 있으며, 국내의 출연연들과의 협력체계 네트워크 구축도 필요하다고 할 수 있다. 이를 통해 관련 연구자들의 바이오플라스틱의 물성 개량과 대량생산 제조 방법 등의 연구가 활발히 이루어지길 기대한다.
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