| 초록 |
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, CO 2 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 |
