[출처 = 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2011년 12월호 특집 기사 / 원문은 파일첨부 참조]

 

▲ 김 현 한 삼성경제연구소 수석연구원

기존 화학 플라스틱과는 달리 사용 후 낙엽처럼 완전히 분해되는 대표적인 친환경 소재인 썩는 플라스틱(생분해성 플라스틱)이 부상하고 있다.

생분해성 플라스틱의 원료는 주로 식물이나 미생물 등의 생체물질이며, 사용 후 물과 이산화탄소로 분해되어 다시 생체물질에 이용되므로 지속 가능한 순환형 생산 시스템을 구축할 수 있다.

생분해성 플라스틱은 화학 플라스틱에 비해 생산 공정이 에너지 효율적이며, 유해물질 배출도 크게 절감했다. 또한, 폐기물이 거의 없어 수거비용 등 처리비용을 최소화할 수 있으며, 노동력도 절감할 수 있다. 최근에는 이러한 장점에 화학 플라스틱과의 가격 격차까지 축소되면서 생분해성 플라스틱을 활용한 제품의 응용분야가 확대되고 있다.

화학 플라스틱 환경오염 야기
비닐, 스티로폼 등 석유를 원료로 생산되는 화학 플라스틱은 소각 시 다이옥신 등 유해물질을 방출하고, 분해되는 데 수백 년이 걸려 심각한 환경오염 문제를 야기해왔다. 실제로 1950년대 이후부터 지금까지 버려진 플라스틱의 양은 약 10억 톤으로, 아직까지 분해되지 않고 토양과 해양 생태계를 파괴하고 있다.

지난 1997년 북태평양 한복판에서 각종 쓰레기 더미가 뭉쳐진 ‘플라스틱 섬’이 발견됐으며 전체 쓰레기 중 약 90%가 플라스틱이었다. 플라스틱 섬의 크기는 늘어나는 쓰레기로 인해 지난 2009년 한국 면적의 약 14배인 140만㎢ 수준으로 확대됐다. 더욱이 올해 초 일본 쓰나미로 발생한 쓰레기들이 이 플라스틱 섬과 만나 수년 내에 하와이에 도착할 것으로 예상돼, 대책 마련이 시급한 실정이다.

북태평양뿐만 아니라 인도양, 대서양 등에 총 5개의 플라스틱 섬이 존재하고 있으며 향후 해양 생태계 파괴 등 심각한 환경오염 문제를 야기할 것으로 예상된다. 물고기 등 해양생물이 유해물질로 오염된 플라스틱을 먹이로 삼킬 경우, 먹이사슬을 통해 심각한 해양 생태계 파괴를 초래할 수 있다.

반면, 생분해성 플라스틱은 자연계에 존재하는 미생물 등의 활동으로 수년 내에 물과 이산화탄소로 완전히 분해돼, 오염물질을 남기지 않아 친환경 대체재로 주목받고 있다. 

생체물질 원료로 플라스틱 생산
우선 생분해성 플라스틱 사용을 통해 지속 가능한 순환형 생산 시스템을 구축할 수 있다. 생분해성 플라스틱은 주로 식물이나 미생물 등 생체물질을 원료로 생산된다. 옥수수 등 식물을 효소로 변환시키거나, 플라스틱 성분을 분비하는 다양한 미생물을 발굴·배양해 생산하고 있다.

특히, PBS(Polybutylene succinate), PBAT(Polybutylene adipate-co-terepthalate) 등 일부 생분해성 플라스틱은 석유를 원료로 생산되지만, 최근에는 생체물질을 원료로 생산하는 방식으로 전환하는 추세이다. 실제로 독일의 화학 전문업체 바스프(BASF)는 네덜란드 화학회사인 퓨락(Purac)과 합작사를 설립해 PBS, PBAT의 원료를 석유가 아닌 미생물 발효로 생산하는 공장을 오는 2013년까지 완공할 계획이다.

한편, 생분해성 플라스틱은 사용 후 물과 이산화탄소로 분해되고, 이는 생체물질에 재이용되어 환경오염 물질을 배출하지 않지만, Bio-PE, Bio-PP 등 일부는 사용 후 썩지 않아 환경오염 문제를 야기하고 있다.

생산공정, 친환경·에너지 효율적
생분해성 플라스틱은 화학 플라스틱에 비해 생산공정이 에너지 효율적이며, 유해물질 배출도 획기적으로 절감했다. 생분해성 플라스틱인 PLA(Polylactic acid) 생산 시 에너지 소비량과 온실가스 배출량은 각각 석유계 PET(Polyethylene terepthalate)의 53%와 41% 수준이다.

이러한 생분해성 플라스틱은 다이옥신 등 환경호르몬이 방출되지 않아 식품용기나 유아용품 등 생활용품으로 사용하기에도 적합하다.

생분해성 플라스틱은 폐기물이 거의 없으므로 수거비용 등 처리비용이 최소화되고 노동력도 절감할 수 있다. 실제로 고기잡이 등에 사용되는 나일론 어구를 생분해성 플라스틱으로 대체하면 국내의 연간 폐어구 수거비용 약 150억 원을 절감할 수 있다.

또, 생분해성 멀칭필름을 사용해 경작할 경우, 전체 노동시간이 종묘기계이양을 통한 관행 농법의 20% 수준으로 감소한다. 따라서 국가 차원의 폐기물 처리비용 감소 효과 등을 고려해 생분해성 플라스틱 생산기업은 폐기물 부담금 부과에서 제외돼야 할 것이다.  

가격차 축소로 응용 분야 확대
최근에는 화학 플라스틱과의 가격 격차가 축소되면서 생분해성 플라스틱을 활용한 제품 응용분야가 확대되고 있다. PLA의 가격은 지난 1995년 첫 시범 생산 당시 석유계 PE(Polyethylene) 대비 약 7배 수준이었으나, 2011년 현재 비슷한 수준이다.

특히, 생분해성 플라스틱의 생산규모도 지난 2010년 35만 톤에서 오는 2020년 280만 톤으로 연평균 20% 이상 고성장할 전망이다. 이처럼 가격 격차 축소뿐만 아니라 물성도 개선되면서 일회용품, 포장재 중심에서 건축재, 전자·자동차 부품 등 산업용으로 활용도가 증가할 전망이다.

선진국, 일회용 플라스틱 규제 강화
생분해성 플라스틱의 주요 응용분야를 살펴보면 첫째, 일회용품이나 포장재 등 소비재용으로 가장 많이 활용되고 있다. 선진국을 중심으로 일회용 플라스틱 봉투의 사용 규제가 강화되면서, 이를 생분해성 플라스틱으로 대체하려는 움직임이 본격화되고 있다.

둘째, 농·어업용으로 활용된다. 수거가 어려운 농업용 필름과, 유실할 경우 해양 오염을 야기하는 어구의 재료를 생분해성 플라스틱으로 대체하고 있다. 셋째, 건축용으로 활용된다. 건강 및 웰빙에 대한 관심이 증가함에 따라 유해물질을 방출하지 않는 벽지, 바닥재, 단열재 등 친환경 건축자재로서 생분해성 플라스틱 사용이 확대되는 추세다.

마지막으로 전자부품 및 자동차 내장재 등 전자·자동차용으로도 활용도가 증가하고 있다. 화학 플라스틱에 비해 강도가 낮고, 열에 약한 단점을 개선하면서 전자제품 케이스에 활용되기 시작했고, 자동차 업계에서는 우선 내장제를 생분해성 플라스틱으로 대체하고 장기적으로는 내구성이 높아야 하는 외장재로 확대 적용할 예정이다.

고온에서도 사용 가능한 소재 개발
선진국을 중심으로 일회용 플라스틱 봉투의 사용 규제가 강화되면서 이를 생분해성 플라스틱으로 대체하려는 움직임이 본격화되고 있다. 호주를 시작으로 지난 2008년부터 본격적인 규제가 시작됐으며 장기적으로 일회용 플라스틱 물병, 생활용품, 산업용까지 확산될 전망이다.

현재까지는 우유팩, 음료수 용기 등 냉장·상온 조건에서 사용되는 포장재가 대부분이나 최근 강도와 열 안정성을 높인 생분해성 플라스틱이 개발됨에 따라 고온에서도 사용 가능한 제품이 속속 등장하고 있다.
미국의 종합화학회사 듀폰(Dupont)은 내열용기의 열안정제인 ‘Biomaxⓡ Thermal 300’을 개발했다. 이 열안정제와 PLA를 혼합하면 섭씨 95도에서도 사용할 수 있는 고내열성 썩는 플라스틱 제조가 가능하다. 이 플라스틱으로 만든 제품은 전자레인지에서도 사용할 수 있으며 다이옥신 등 유해물질을 배출하지 않았다. 

 

농업용 필름·어구 등 대체
수거가 어려운 농업용 필름과 유실할 경우 해양 오염을 야기하는 어구 등도 생분해성 플라스틱으로 대체되고 있다. 수거율이 낮은 농업용 필름을 생분해성 플라스틱으로 대체하면, 사용 후 필름을 제거할 필요가 없어 수거 및 폐기 비용을 최소화할 수 있다.

지난 2009년 국내 농업용 필름 수거율은 약 65% 수준이었으며 특히 두께가 0.02㎜로 매우 얇은 멀칭필름은 수거가 어려워 토양오염을 야기했다. 물론, 생분해성 필름은 기존 필름에 비해 재료가 비싸지만, 수거 및 폐기 비용을 감안하면 경제성이 확보된 수준이다.

또한, 생분해성 플라스틱은 물성 조절을 통해 경작물이나 어종에 따라 썩는 기간을 조절할 수도 있다. 농작물의 종류에 따라 생육속도와 수확기간이 다르므로 이에 맞춰 생분해성 필름의 분해속도를 조절해 농업생산성 향상에 기여할 수 있으며 생분해성 필름은 퇴비화가 가능해 필름의 분해와 동시에 퇴비로 활용되는 일석이조의 효과를 거둘 수 있다.

어구의 경우, 기존 나일론 어구를 생분해성 플라스틱 어구로 대체하면 유실에 따른 해양 오염을 줄이고, 사용 후 재활용도 가능하다. 세계 어구 유실량은 연간 64만 톤 수준이며, 유실된 어망은 바다에서 분해되지 않아 물고기 등이 걸려 죽는 고스트 피싱(Ghost Fishing) 등 해양 생태계 파괴를 가속화하고 있다.

▲ 나일론 어구를 생분해성 플라스틱 어구로 대체하면 유실에 따른 해양 오염을 줄이고, 사용 후 재활용도 가능하다.

친환경 건축자재로 사용 확대

▲ 미국 에코바티브 디자인(Ecovative Design)은 녹말, 물, 과산화수소를 원료로 버섯균을 활용한 생분해성 스티로폼 ‘그린 설레이트(Greensulate™)’를 개발했다.

건강과 웰빙에 대한 관심이 증가하면서 유해물질을 방출하지 않는 친환경 건축자재로서 생분해성 플라스틱 사용이 확대되는 추세이다. 옥수수를 원료로 만든 생분해성 친환경 벽지와 바닥재는 포름알데히드 등 유해물질을 방출하지 않아 새집증후군을 걱정하는 소비자들에게 각광받고 있다. 특히, 지붕, 벽, 구조패널 등 건축용 단열재로 활용되는 스티로폼을 대체할 수 있는 생분해성 플라스틱 중심으로 개발이 이뤄지고 있다.
올해 미국의 에코바티브 디자인(Ecovative Design)은 녹말, 물, 과산화수소를 원료로 버섯균을 활용한 생분해성 스티로폼 ‘그린 설레이트(Greensulate™)’를 개발했다. 이는 버섯균이 녹말을 소화하면서 단단한 끈을 만들어 굳어진 형태로 기존 스티로폼과 같이 단열, 방음의 역할뿐만 아니라 방화(防火) 기능도 수행할 수 있다. 무엇보다 합성접착제를 사용하지 않고 유해물질 방출이 없어 인체친화적인 것이 특징이다.

컴퓨터·휴대폰 케이스로 활용
화학 플라스틱에 비해 강도가 낮고 열에 약한 단점이 개선되면서 전자제품 케이스에 활용되기 시작했다. 현재 소니(Sony)와 후지쯔(Fujitsu)의 컴퓨터 케이스와 소니의 DVD 케이스에 사용되고 있으며 삼성전자, NEC, 노키아(Nokia) 등은 휴대폰 케이스에 생분해성 플라스틱을 활용하고 있다. 특히, 생분해성 플라스틱에 섬유강화 보강재 등을 첨가해 기계적·물리적 특성을 향상시킨 전자부품 개발이 본격화되고 있다.

일본의 NEC는 전자부품용 생분해성 플라스틱 개발에 적극적이며 지난 2006년 일본환경기업 유니티카(Unitika)와 공동으로 바나나에서 뽑아낸 천연섬유 ‘케냐프’를 보강재로 사용한 생분해성 플라스틱을 개발했다.

이 플라스틱은 휴대폰 케이스에 요구되는 고도의 낙하 충격 내성, 성형성 및 내열성이 충족되어 일본 NTT 도코모의 휴대폰 전면 케이스에 사용됐다. 지난 2007년에는 PLA에 탄소섬유를 10% 첨가해 강철보다 가벼우나, 강철과 유사한 열확산성을 갖는 복합소재를 개발해 전자부품의 열방출 성능 향상에 기여했다.

향후, 자동차 외장재 등 확대 전망
자동차 업계에서는 연비 향상을 위한 경량화 소재 개발과 함께 이산화탄소 배출 저감을 위한 친환경 생분해성 플라스틱 개발이 이슈가 되고 있다. 바닥매트, 카시트, 도어트림 등 내장재를 우선 대체하고 장기적으로 고강도·고내열성을 요구하는 외장재로 확대 적용할 예정이다.

일본의 도요타(Toyota)는 지난 2003년 PLA 복합소재를 개발해 보조타이어 커버 및 바닥매트 등에 적용했으며, 오는 2015년까지 플라스틱의 20%를 생분해성 플라스틱을 포함한 친환경 플라스틱과 재활용 소재로 대체할 방침이다.

일본의 미쓰비시자동차(Mitsubishi Motors)도 PBS 복합소재를 내장재로 사용한 바 있다. 대나무 섬유와 PBS를 혼합한 생분해성 복합소재를 개발하고 자사의 전기자동차 도어트림에 적용했다.

생분해성 복합소재를 사용하면 원재료 조달부터 폐기처분까지 전 과정에서 발생하는 이산화탄소의 양이 기존 도어트림 재료인 PP(Polypropylene)의 약 88% 수준으로 감소하기 때문에 향후 자동차 외장재, 전자제품, 항공재료 등으로 응용범위가 확대될 전망이다.
 

미생물·효소 핵심기술 확보해야
이처럼 상용화 초기 단계인 생분해성 플라스틱 시장에서 미래 주도권을 확보하기 위해서 기업은 우선 핵심기술을 확보해 비용 효율적인 제품을 개발해야 한다. 즉, 생분해성 플라스틱 생산의 핵심기술인 미생물·효소 등 유전자 조작 및 공정 시스템을 확립해야 한다.

현재 자연계에는 아직 이용되지 않은 미생물·효소가 많아, 개발 성공 시 미생물·효소의 선점이 가능하며 이를 통해 미생물·효소 주권을 강화할 수 있다. 실제로 지구상에는 약 550만 종의 미생물과 3천여 종의 효소가 있다고 하나, 상업적 용도로 쓰이는 것은 미생물 100여 종, 효소 150여 종에 불과하다.

그러나 국내 기업은 대부분 생분해성 플라스틱을 수입해 가공제품을 만드는 수준으로, 독자적인 기술력 확보가 절실한 상황이다. 따라서 우리나라의 강점인 발효공정기술, 화학공정 운영 역량 등을 바탕으로 미생물 개량기술을 접목하면 경제성 있는 생분해성 플라스틱 개발이 가능할 것으로 보인다. 특히, 화학공정은 ‘원료 반응기-추출·정제 설비’등으로 구성되어 ‘미생물 발효기-추출·정제 설비’등으로 구성된 바이오공정과도 유사하다. 
 

생분해성 플라스틱 경쟁력 높여야
이처럼 핵심기술을 개발한 후에는 대량생산체제를 구축해 가격경쟁력을 확보해야 한다. 업계는 현재 PLA 외에는 화학 플라스틱에 비해 경제성이 부족하지만, 5년 내에 가격경쟁력을 갖출 수 있을 것이라고 판단하고 있다.

현재 PLA 생산단가는 1㎏당 2∼2.5달러로, 1㎏당 1.5∼2달러인 석유계 PE, PP의 생산단가에 필적한 수준이지만, PBS와 PHA(Polyhydroxy alkanoate) 등의 생산단가는 1㎏ 당 5달러 이상이다.

따라서 가격경쟁력 확보를 위해서는 대량생산체제를 구축해 규모의 경제를 실현하는 것이 중요하다. 현재 세계적으로 상용화된 생분해성 플라스틱의 생산규모는 연간 10만 톤 이하이다.

또한, 화학플라스틱 대비 낮은 물성을 개선하는 연구도 계속해 새로운 용도를 창출해 내야 하며 강도가 낮고 충격이나 열 안정성이 부족한 약점 등을 보완하면서 새로운 용도를 창출해야 한다.

퓨락은 스테레오 콤플렉스(stereocomplex) 기술을 이용해 ABS 수지와 대등한 열 안정성과 충격강도를 가진 복합소재를 개발하고, 자동차 외장재에 적용하는 것을 검토하고 있다. 물성 개선 노력뿐 아니라 디자인과 감성을 고려한 제품 개발로 소비자에게 새로운 가치를 제공할 필요도 있다.

스페인의 피그트리 팩토리 스튜디오(Figtree Factory Studio)는 생분해성 플라스틱을 사용해 100% 자연 분해되는 친환경 신발 ‘01M 원모먼트(01M OneMomentⓡ)’를 출시했다. 01M 원모먼트는 아마존 밀림의 원주민들이 맨발로 생활하는 것에서 영감을 얻어 자연에 밀접한 자연스러움을 컨셉으로 발바닥 부분은 2㎜, 발을 둘러싸는 주변부는 1㎜로 얇게 제작된 것이 특징이다. 또한, 신발의 포장재도 식물을 원료로 사용해 환경친화적 이미지를 부각시켰다.

정부, 다양한 지원방안 모색해야
정부는 생분해성 플라스틱 시장확대를 위해 국내기업 육성을 지원해야 한다. 우선 초기 투자 부담, 오랜 기술개발 기간, 결과의 불확실성 등 기업의 독자 개발에 대한 리스크를 최소화하기 위해 정부의 R&D 지원이 필요하다.

또, 공공기관 우선 구매를 통해 제품 생산 및 소비 활성화를 도모해야 한다. 미국 농무부는 지난 2009년 생분해성 플라스틱을 포함한 바이오 기반 제품의 구매 진작을 위해 ‘BioPreferred’규정을 마련한 바 있다.

특히, 현재 가격경쟁력이 다소 부족한 생분해성 플라스틱에 대해서는 제품생산 전 과정의 비용을 고려해 정부가 차액지원 등 시장 활성화 전략책을 검토할 필요가 있다. 실제로 지난 2007년부터 경상북도를 중심으로 수산자원 보호와 해양 생태계 보전을 위해 생분해성 어구 구입 시, 나일론 어구 가격을 초과하는 비용 일체를 중앙 정부와 지자체가 보조하는 사업을 진행하고 있다.

이 밖에 생분해성 플라스틱과 관련한 제품 규격 표준화, 인증제도 효율화 등 관련 제도 정비를 통해 기업 활동을 지원할 필요가 있다.  [문의 = 02-3780-8315 / hhkim@seri.org]