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바이오플라스틱
바이오플라스틱(Bioplastic)은 재생가능한 원재료로 만들어지는 플라스틱을 말한다. 이 중에는 세균에 의해서 분해되는 생분해성 플라스틱도 있지만 석유나 천연가스 등 화석원료 기반의 단량체로부터 만들어지는 플라스틱과 대비되는 개념이다.
기존 플라스틱은 원료인 석유의 고갈 문제에서 자유롭지 못하며, 수백년에서 1만년까지 분해되지 않아 플라스틱 오염을 일으킨다. 이에 따라 옥수수, 사탕수수, 콩 등으로 만드는 바이오플라스틱이 연구되고 있다. 이 플라스틱은 기존 플라스틱과 비슷한 성질이지만, 일정 시간이 지나면 미생물에 의해 분해되어 물과 이산화탄소가 된다. 따라서 탄소가 감소되며 폐기물의 퇴비 활용도 가능하다. 응용 분야는 포장, 음료수병, 자동차분야, 가전, 키보드, 인테리어 부품 등에 이르기까지 매우 다양하다. 실제로 코카콜라와 펩시 등은 음료수병에 식물기반의 원료를 사용하여 얻은 단량체(MEG)를 사용 PET사용하여 보틀을 만들고 있다. PET는 30%의 MEG와 70%의 TPA로 이뤄진 고분자이고 생분해성이 없는 플라스틱이다. 최근 식물유래로 얻어진 TPA도 개발이 되었고 100% 식물기반의 단량체를 사용 PET를 만들수 있다. 삼성전자는 2014년부터 TV와 가전 액세서리의 포장재로 바이오 플라스틱을 사용하고 있다. 하지만 지금은 기술이 발전되어있지 않아 대기업 등에서도 투자에 손을 대지 못하고 있다.[출처 필요] 원료를 사용하여 얻은 단량체(MEG)를 사용 PET사용하여 보틀을 만들고 있다.
유럽 바이오플라스틱협회(EUBP)는 2025년에 바이오 플라스틱이 전체 플라스틱 시장의 10% 이상을 차지할 것이라는 예상을 내놓기도 했다. 이에 따라 몇몇 업체는 바이오플라스틱의 생산을 미래 산업의 육성 차원에서 접근하고 있다. 하지만 바이오플라스틱은 아직 기존 플라스틱보다 강도가 약해 활용 분야가 제한적인 상황이다.
역사적 배경
지구온난화 규제와 방지를 위한 국제협약인 『교토의정서』는 1992년 6월 리우 유엔환경회의에서 채택된 기후변화협약(UNFCCC)을 이행하기 위해 97년 만들어진 국가간 이행 협약으로, '교토기후협약'이라고도 한다. 정식 명칭은 'Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change'이다.
1997년 12월, 일본 교토에서 개최된 기후변화협약 제3차 당사국 총회에서 채택되어 2005년 2월 16일 공식 발효됐다. 오스트레일리아, 캐나다, 미국, 일본, 유럽연합 회원국(EU) 등 38개국은 1990년을 기준으로 2008~2012년까지 평균 5.2%의 온실가스를 의무적으로 감축해야 한다. 대한민국은 2002년 11월에 비준했으며 개발도상국으로 분류되어 아직 법적 의무는 부담하고 있지 않으나 OECD회원국으로서 멕시코와 더불어 온실가스 감축 압력을 받고 있다.
2013년~17년 의무대상국이 개발도상국에 집중되기 때문에 5월부터 개최되는 대상국 확대협의에서 한국도 동참을 요구받을 것으로 예상된다. 2002년 IEA(국제에너지기구)의 통계에 따르면 한국의 연간 이산화탄소 배출량은 2000년을 기준으로 했을 때 4억 3400만톤으로 세계 9위이며, 세계 전체 배출량의 1.8%를 차지한 것으로 나타났다. 더욱이 1990년 이후 배출량 증가가 85.4%로 나타나 세계 최고의 증가세를 기록하고 있기 때문에 의무대상국으로 분류될 가능성이 높다.
미국은 전세계 이산화탄소 배출량의 28%를 차지하고 있지만, 자국의 산업보호를 위해 2001년 3월 탈퇴했었다.
지구온난화를 유도하는 물질로 감축대상인 가스는 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O), 불화탄소(PFC), 수소화불화탄소(HFC), 불화유황(SF₆) 등 6가지이다.
최근 저탄소 녹색성장, 지구온난화, 탄소저감이 화두가 되고 바이오 플라스틱 경쟁력이 강화되고 있는 시점에서 기존 생분해 플라스틱을 중심으로 일회용품 및 일부 산업화 제품에만 적용이 되고 있는 바이오 플라스틱이 식물체, 해조류 등 탄소중립(Carbon neutral)형 바이오매스 유래 원료를 사용하는 바이오 베이스 플라스틱(Bio Based Plastics) 범주까지 확장되면서 급속하게 산업화가 진행되고 있음. 또한 직접 완제품에 적용되어 매출 확대로 이어지는 점에서 매우 중요한 기술적 진보를 이루고 있다.
전세계적으로 환경인식 변화, 환경 규제 등으로 인하여 바이오 플라스틱 경쟁력 강화 요인이 증가되는 가운데, 석유계 플라스틱의 대체가 가능하게 되어 틈새시장을 중심으로 제품 적용이 확대되고 있는 추세이다. '저탄소 문제'가 21세기 들어 전세계적으로 환경문제의 핵심과제로 등장함에 따라 바이오매스(Biomass)를 원료로 하여 제조되는 바이오 플라스틱의 적용분야가 급속하게 확대되고 있다.
종류
바이오플라스틱은 크게 생분해성플라스틱과 바이오매스플라스틱으로 구분되고 있다.
- 생분해 플라스틱(Bio-degradable Plastics)
- 옥수수 등 식물로 부터 유래하는 소위 바이오매스를 70% 이상(일본의 경우 50% 이상) 함유한 플라스틱을 말함.
- 최종 생분해 기간 : 180일 이내 셀룰로오스 대비 90% 이상 생분해
- 가격 경쟁력, 유통기간중 분해가능성, 물성약화 등의 문제점이 있기는 하지만 일회용품을 중심으로 사용 확산.
- 산화생분해 플라스틱(Oxo-Biodegradable Plastics)
- 열, 햇빛 등에 1차 산화분해후, 이어서 생분해가 이루어지는 고분자를 말함.
- 최종 생분해 기간 : 180일 이내 셀룰로오스 대비 60% 이상 생분해
- 제품 유통기한이 1년 이상인 식품포장재, 산업용품, 농원예용 분야에 주로 적용.
- 바이오 베이스 플라스틱(Bio-Based Plastics)
- 바이오매스를 일정량 이상 함유하는 플라스틱을 말함.
- 생분해가 아닌 이산화탄소 저감을 강조하고 있음
특징
구분 바이오플라스틱 생분해플라스틱 산화생분해 플라스틱 바이오베이스플라스틱 천연물계 석유계 결합형 중합형 바이오매스 함량 50~70% 이상 - - 20-25% 이상 사용원료 천연물, 미생물계 석유유래 원료 중합 합성 산화생분해제, 식물체 등 천연물-고분자 결합체 천연물 단량체 중합합성 종류 PLA, TPS, PHA, AP, CA 등, PBS, PES, PVA, PCL, PBAT 등 Bio-PE, Bio-PP 등 Bio-PE, Bio-PP, Bio-PET,Bio-PA 등 규격기준 ISO 14855, ASTM D 6400등 ASTM D 6954 UAE S 5009 ASTM D 6866 장점 생분해 우수, 탄소저감 우수 (천연물계) 생분해 우수, 탄소저감 우수 (천연물계) 탄소저감 우수, 강도 및 탄소저감 우수 단점 고가, 물성 저하 유통중 분해가능성 산화분해(열, UV) 필요. 필름만 적용 가능 생분해 속도 매우 느림. 강도, 내수성 문제가능성 분해 기작 미생물 분해 산화분해후, 미생물 분해 - 생분해 기간 3-6개월 36개월 - 생분해 시험 6개월이내 : 90% 6개월 이내 : 60% - 플라스틱 사용여부 사용 안함 사용함 사용함
국내 바이오플라스틱 연구개발 현황
우리나라의 바이오플라스틱 기술에 대한 연구는 선진국 수준에는 현저히 못 미치는 것으로 평가되어, 원천 기술개발의 저변 확대가 필요하다. 또한 우리나라의 생분해성 제품 관련 규격기준은 표준물질 대비 90%로 미국, 일본의 60%에 비해 지나치게 엄격하여 생분해 원천기술을 확보가 미흡한 국내 기업은 대부분 채산성이 맞지 않아 사업을 중단하고 있는 실정이다.
이에 따라 국내 규격 기준을 완화한 생분해성 물질을 30% 첨가한 생붕괴성 플라스틱 규격 기준을 마련하여 종량제 봉투에 적용하였으나 인장, 신장 등 물성이 약하고, 생산성이 부족하여 현재는 사업화되지 않고 있다.
바이오플라스틱의 기술 개발 및 실용화를 위해 초창기 국내에서는 SKC, 대상, SK케미칼, 롯데케미칼(이전 호남석유화학), 한화, 이래화학, 새한 등이 참여하여 왔으나, 최근에는 기존 대기업 등 참여업체 등이 시장규모 협소로 위한 사업 보류, 해외에 비하여 너무 높은 생분해 제품 관련 환경마크 인증규격, 바이오매스 제품 원천기술 개발 미흡 등으로 인한 사업 중단, M&A 등에 의해 많이 정비가 되어 가고 있는 현상이 눈에 띄고 있다.
현재 바이오 플라스틱 제품을 취급하고 있는 업체는 기술력 기반의 전문업체로서 전분 발포, 생분해, 산화생분해, 바이오 베이스 플라스틱 원료 및 제품을 제조 판매하는 ㈜바이오소재, 에코젠이란 상품명으로 제품을 출시한 SK케미칼, 최근 이래화학을 M&A한 삼성종합화학, 이산화탄소 폴리머를 추진하고 있는 SK이노베이션, 옥수수대 등 부산물을 적용하는 콘프라테크㈜, 탄소저감 및 인체 무해성 자동차 내장품을 개발하는 SH글로벌, PLA 필름을 생산하는 SKC, 도레이케미칼 기타 친환경 완제품을 제조하는 포텍, 앤투앤, 보스팩, 에이유, 에코마스터, 세화피앤씨, 태승테크, 대원포장산업, 일신웰스, 비에스지, 유원컴텍 등이 있다.
현재 국내 기업들은 다른 외국에 비해 상대적으로 우위에 있는 수지의 가공 및 성형기술을 활용하여, 신소재 개발보다 실제 제품화 위주로 전환되어 가고 있는 새로운 국면에 접어들고 있음. 실제 바이오 플라스틱의 상용화 제품, 기존 플라스틱의 대체 제품, 화석연료 사용 절감을 위한 대체 제품 등이 속속 출시되고 있으나 최근의 연구 중심은 분해성보다는 감량화, 재활용 용이, 탄소저감 등으로 기울고 있다고 봐야 할 것이다.
해외 바이오플라스틱 연구개발 현황
미국, 일본을 비롯한 유럽의 선진국에서는 바이오매스 플라스틱 소재 개발을 위주로 하여 사업화를 추진하고 있으며, 이를 이용하여 쇼핑백, 쓰레기 봉투, 진공성형 제품, 사출품, 농업용 멀칭 필름, 완충재, 다층 필름, 기능성 필름 등의 다양한 용도의 바이오매스 플라스틱 관련 제품 실용화 개발 및 판매가 이루어지고 있다.
또한, 이들 기업은 미국의 MRI, 스위스의 시바 스페셜티 케미칼스 홀딩 Inc., 일본 KONICA Corp., 일본 다이셀 화학공업, 캐나다 EPI, Wells, 미국 EPI-Global, 영국 Symphony, 스웨덴 ADD-X Biotech, 싱가폴 Winrigo 등이 산화생분해성 기능을 추가한 고분자 개발 완료 및 추가 개발에 전력을 다하고 있으며, 영국 등 유럽에서는 판매가 활발하다.
기존 폴리올레핀계 열가소성 플라스틱의 자연환경에서의 완전분해(물, 이산화탄소 및 바이오매스로 분해)에 관련한 연구는 G. scott, Albertsson, Kostyniak 교수 등에 의해 정립되어 있고, 이후 활발한 연구가 이루어지고 있다.
바이오플라스틱 기술과 더불어 유망한 환경 패키징 분야의 한 부분인 감량화는 PET(polyethylene terephthalate) 용기를 중심으로 진행되고 있다.
참고자료
- 바이오플라스틱개요및특징 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201256648646312.pdf
- 바이오플라스틱 현황 및 전망 - https://www.cheric.org/PDF/PIC/PC15/PC15-4-0021.pdf
- 〈바이오플라스틱〉, 《위키백과》
- 〈바이오플라스틱소개〉, 《㈜바이오소재》
같이 보기
