바이오플라스틱(친환경 플라스틱) - 생분해성 플라스틱, 바이오매스 플라스틱 개념정리(PBS,PBAT,PCL,PGA,PHB,PHV,PLA)

 

 

 

안녕하세요.

오늘은 바이오 플라스틱, 친환경 플라스틱, 생분해성 플라스틱에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

각 용어들의 기본적인 개념정리를 하고 나서 

그중 가장 널리 쓰이고 있는 생분해 플라스틱인 PLA(Poly Lactic Acid)에 대해 알아보겠습니다.

 

 

 

 

바이오플라스틱

 

바이오 플라스틱이란 무엇인가?

플라스틱이 갖는 문제점은 매립 및 소각되지 않은 폐기물 처리의 어려움과 갈수록 늘어나는 탄소배출량입니다. 그러나 조금 더 엄밀히 따져보자면, 이는 플라스틱의 문제라기보다 플라스틱에 편의성에 지나치게 의존했던 인류의 문제에 가깝습니다. 따라서 플라스틱이 가져다주는 편리함을 소비하면서도, 당면한 문제점들을 인류가 해결할 수 있다면 단순히 플라스틱을 사용을 자제하자는 캠페인보다 훨씬 큰 사회적 후생을 누릴 수 있을 것입니다. 바로 이러한 해결책 중 하나가 바이오 플라스틱이 될 것입니다.
바이오 플라스틱은 지속가능발전에 기여할 수 있는 친환경 소재를 의미합니다. 개념적 정의가 다소 포괄적인 이유는 바이오 플라스틱은 하나의 특정 물질이 아니라 여러 특성을 가진 다양한 물질의 혼합체이기 때문이며, 이로 인해 특정 기준에 따라 바이오 플라스틱의 종류를 나눌 수 있습니다.

 

바이오플라스틱은 지속발전가능 사회 구축을 도울 수 있는 친환경 소재로서 크게 두 가지로 구분할 수 있습니다.

첫 째는 일정한 조건에서 미생물에 의해 완전히 분해될 수 있는 생분해성 플라스틱(biodegradable plastics)이며,
두 번 째는 재생가능한 물질인 식물유래자원 바이오매스(biomass)를 원료로 이용하여 화학적 또는 생물학적 공정을 거쳐 생산되는 바이오매스 플라스틱(biomass-based plastics)입니다.
물론, 바이오매스 플라스틱 중에는 생분해성을 나타내는 것도 있습니다.

 

 

 

바이오 플라스틱 분류

 

 

 

 

① 생분해성 플라스틱

생분해성 플라스틱은 널리 사용되고 있는 기존의 난분해성 플라스틱 소재와 달리, 일정한 조건에서 자연계에 존재하는

박테리아, 조류, 곰팡이와 같은 미생물이나 분해효소 등에 의해 물과 이산화탄소로 완전히 분해될 수 있는 플라스틱으로

다양한 원료(바이오매스 또는 화석연료 기반 화합물)로부터 만들 수 있습니다.

생분해성플라스틱은 일반 플라스틱 제품과 마찬가지로 사용될 수 있으며, 사용 후에는 폐기물을 일정 조건을 갖춘 시설(Compost)에서 퇴비화시킬 수 있습니다.
부득이 연소시키더라도 발생열량이 낮아서 다이옥신 등의 유해물질이 방출되지 않는 친환경 플라스틱입니다.

생분해성 플라스틱에는 다양한 종류가 있습니다. 우선, 지방족 폴리에스터인 polybutylene succinate(PBS), polybutylene adipate-co-terephthalate(PBAT), polycaprolactone(PCL), polyglycolic acid(PGA) 등은 모노머를 화학 합성하여 얻는 생분해성 고분자들인데, 물성 조절이 용이하여 다양한 기능을 부여할 수 있으므로 플라스틱 용도로 널리 활용되고 있습니다.

한편, 미생물이 만들어내는 고분자(microbial biopolymer)가 있는데, poly-β-hydroxybutyrate(PHB),

poly-β-hydrolyvalerate(PHV), 그리고 이들의 공중합체인 PHB/PHV 등의 polyalkanoates(PHA)가 여기에 해당됩니다.

천연 물질을 원료로 한 생분해성 고분자로는 Cellulose, Hemicellulose, Pectin, Lignin 및 저장 탄수화물인 전분 등 식물에서 유래하는 것과 새우, 게 등의 껍질을 포함한 Chitin질을 기초로 한 동물 유래의 것들이 있습니다.

현재 대규모로 상업 생산되고 있는 생분해성 고분자인 polylactic acid(PLA)는 바이오매스 원료인 옥수수, 전분 등으로부터 발효공정을 거쳐 생산되고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

② 바이오매 플라스틱

기존의 화석연료를 활용하는 대신 재생이 가능한 식물유래자원인 바이오매스를 원료로 하여 고분자를 합성할 수 있는데 이것이 바이오매스 플라스틱입니다.

 

사탕수수를 이용한 바이오 폴리에틸렌과 옥수수로부터 포도당, lactic acid, lactide 등으로의 변환 과정을 거쳐 생산되는 poly(lactic acid), PLA가 대표적인데, PLA는 바이오매스 플라스틱이면서 동시에 생분해성도 나타냅니다.

 

바이오매스 원료로부터 다양한 플랫폼 화합물을 얻게 됨에 따라 바이오 폴리우레탄, 바이오 PET, 바이오 poly(ethylene furanoate)(PEF) 등이 개발되고 있습니다. 옥수수 이외의 비식용 작물, 섬유소, 해조류 등을 원료로 활용하려는 연구가 진행되고 있습니다.

 

 

 

 

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PLA(Poly Lactic Acid)

바이오매스 기반의 생분해성 고분자입니다.

PLA는 Poly Lactic Acid의 약어로, 폴리락틱 애씨드라고 불리는 생분해성 고분자입니다. PLA는 주로 식물 기반 원료인 옥수수 전분, 사탕수수, 감자 전분 등에서 추출된 글루코스를 발효시켜 얻어집니다. 이러한 특징으로 인해 PLA는 생분해성 폴리머 중에서 가장 널리 사용되는 재료 중 하나입니다.

 

전 세계는 2020년부터 현재까지 글로벌 최대 이슈는 바로 '지속가능성'입니다. 여러 기업이 글로벌 친환경 트렌드로 온실가스의 배출을 최대한 줄이고 남은 온실가스를 흡수하거나 제거하여 실질적인 탄소배출량을 줄이겠다는 목표를 가지고 있습니다. 탄소 중립과 더불어 우리의 자원을 최대한 활용하여 쓰레기는 줄이며 재활용할 수 있는 자원을 만드는 '지속가능한 순환 경제' 역시 전 세계가 주목하고 있는 일입니다. 코로나19 바이러스의 등장과 1인 가구 증가 및 인구 고령화로 인해 소비 패턴에 변화도 생겼습니다. 마스크와 같은 위생용품과 택배, 배달용 포장재의 소비가 증가하면서 생활폐기물과 플라스틱 폐기물 또한 급격히 증가했습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 각종 포장재, 전자제품, 섬유, 농업, 수산업 등 산업 대부분에서 기존에 사용하던 비분해성 소재를 생분해성 소재로 대체하는 연구를 진행하고 있습니다. 오늘은 생분해성 고분자 소재 중 하나인 PLA(Poly Lactic Acid)에 대해 소개하겠습니다.

 

 

PLA 생산공정

 

 

 

PLA의 기본 특성

가장 널리 쓰이는 생분해 소재인 PLA는 순수 바이오 기반의 소재로 단단하고 내화학성이 높습니다. 탄소 중립적 관점에서 PLA는 생산의 전 과정(Life-cycle assessment) 중 원료부터 생산까지의 과정에서 온실가스 배출량이 비분해성 고분자에 비해 매우 낮습니다. 강성이 높지만 잘 부러지기 쉬운 물성으로 유연성이 높은 PBAT 등 다른 폴리머와 컴파운딩하여 다양한 제품에 쓰입니다.

PLA는 옥수수, 사탕수수에서 추출한 포도당을 발효해 만든 젖산을 원료로 삼습니다. 젖산을 고리 모양의 락티드(Lactide)로 변환시킨 뒤 고분자 중합과정으로 PLA를 제조하는데요. 용융온도(melting temperature, Tm) 및 결정화도, 결정화 속도와 같은 PLA의 기본 특성은 분자량과 락티드의 입체 화학적 구조 조성 등에 의해 결정됩니다. 즉, 원료의 배합이나 중합 과정에 따라 다양한 PLA를 생산할 수 있습니다.

일반적으로 PLA의 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)는 60℃, 용융온도는 180℃이며 일반적인 비분해성 고분자와 유사한 기계적 물성을 가지고 있습니다. 하지만 PLA의 사슬을 짧은 반복 단위 길이로 인해 반경질(semi-rigid) 특성의 주 사슬과 느린 사슬 이동성을 가지고 있어 결정화 속도가 느립니다. 또한 낮은 용융강도와 열 안정성, 높은 취성 및 흡습성으로 PLA는 가공 및 응용하는 데 제한적입니다. 특히 PLA는 수분에 매우 민감하여 15분 내에 최대 함수율인 250ppm까지 흡수할 수 있으며, 수분이 PLA의 가수분해를 촉진시켜 물성을 감소시키므로 용융 블렌딩 전 100ppm까지 건조해야 합니다.

 

 

 

 

 

PLA 장점

PLA는 여러 가지 장점을 갖고 있습니다.

 

첫째, PLA는 생분해성이기 때문에 환경에 친숙합니다. 폐기물 처리 과정에서 자연적으로 분해되어 이산화탄소와 물로 분해됩니다. 이는 환경오염을 줄이는 데 도움이 됩니다.

여타 생분해 플라스틱 대비 투명성 및 생체적합성이 뛰어날 뿐만 아니라, 우수한 열 가공성을 보유하고 있습니다.

우수한 열 가공성으로 인해 사출성형, 블로우 성형, 섬유 방사 및 열 성형 등 다양한 방식의 가공이 가능합니다.

다양한 가공방식은 PLA의 용도별 수요비중을 보면 확인할 수 있는데, 2020년 전체 PLA 시장(39만 톤) 중 포장재로 50%(강성포장 30%, 유연포장 20%)가 사용되는 한편, 소비재 및 직물용으로 각각 10%가 사용되었습니다. 또한 농업/원예, 코팅/접착제 및 전자제품에도 각각 5%씩 골고루 사용되고 있는 상황이며, 이는 여타 생분해 플라스틱의 활용도 대비 훨씬 다양한 수준입니다.

둘째, PLA는 다른 종류의 플라스틱과 비교하여 생산 과정에서 적은 양의 에너지를 소비합니다. 옥수수와 같은 식물 기반 원료를 사용하기 때문에 생산 과정에서도 화석 연료를 사용하는 다른 플라스틱에 비해 낮은 온실 가스 배출량을 갖습니다.

셋째, PLA는 다양한 용도로 사용될 수 있습니다. 유연한 필름, 섬유, 용기, 플라스틱 물병, 의료용 재료 등 다양한 제품에 적용됩니다. 또한 PLA는 열가소성을 가지고 있어 3D 프린팅 재료로도 널리 사용됩니다.

 

 

 

 

PLA 단점

PLA는 몇 가지 제한사항도 가지고 있습니다.

 

첫째, PLA는 일반적으로 다른 플라스틱에 비해 열적 안정성이 낮습니다. 따라서 고온 환경에서 사용되는 제품에는 적합하지 않을 수 있습니다.

약한 내열성 및 내충격성과 일반적인 조건하에서 분해속도가 다소 느린 점 등이 있습니다.

 

 

둘째, PLA의 생분해성은 적절한 환경에서만 이루어지므로, 정확한 폐기물 관리 시스템이 필요합니다.

PLA의 생분해 조건은 지열 58℃이상, 수분이 70% 이상의 조건일 경우 90~180일 이내 90% 분해됩니다.

해당 특정조건을 구비한 퇴비시설이 마련되어야 생분해가 가능하며, 일반 토양에서의 자연분해는 보다 긴 시간이 걸립니다.

 

 

 

 

 

관련 기업

현재 PLA 시장에서 가장 큰 업체는 NatureWorks입니다.

미국 최대 곡물업체인 Cargill과 태국 석유화학 업체인 PTTGC(PTTGC BK)의 JV인 NatureWorks는 1989년 Cargill이 탄수화물을 이용한 플라스틱 생산 방법을 연구 개발하면서 시작되었습니다.

2001년 Dow가 지분 50%를 취득했으나, 2005년 매각하였다. 2007년 일본의 화학업체 Teijin(3401 JP)이 50% 지분을 취득하며 JV 파트너가 되었으나, 2009년 글로 벌 금융위기로 인 한 자산매각을 단행하며 다시 매각하였습니다.

이후 2011년 태국의 석유화학업체 PTTGC가 50% 지분을 1.5억 달러에 취득하며 JV 형태를 이루고 있습니다.

NatureWorks는 현 재 미국 네브래스카주에 15만 톤의 PLA 생산능력을 보유하고 있으며, Ingeo라는 브랜드로 판매 중에 있습니다. 최근 3D 프린터 및 마스크 소재로의 수요급증으로 2020년 9월 현 재 대비 약 10%의 추가 증설(1.5만 톤)을 발표한 바 있으며, 2021년 말에 완공했습니다.

 

글로벌 PLA 시장의 2위 업체는 Total Corbion이 있으며, 이는 프랑스 국영 석유회사인 Total과 네덜란드 바이오 화학업체인 Corbion(CRBN AS)의 JV 업체입니다. Corbion이 1960년대부터 설탕을 발효하여 젖산을 생산하는 사업을 시작했으며, 이후 2016년 젖산을 이용한 PLA 생산을 위해 Total과 JV를 설립하였습니다.

2018년 12월 Total Corbion은 태국에 PLA 공장(Capa 7.5만 톤)을 완공하였으며, 2020년 9월 추가 10 만 톤 증설 계획을 발표하였습니다. 해당 공장은 프랑스에 신설될 전망이며, 2024년부터 상업 가동될 예정입니다.

글로벌 1, 2위 업체의 공통점은 JV 형태인데, 이는 PLA 시장의 진 입장벽으로 작용하는 원료 확보능력에 기인하고 있습니다.

PLA는 젖산에 대하여 중합공정을 거쳐 만들기에, 전통적인 석유화학업체의 기술적용이 일 정 부분 가능하다. 하지만 옥수수 및 사탕수수로부터 PLA의 원료인 젖산을 확보해야 하는 점이 그보다 선행되어야 합니다.

따라서 PLA 시장 진출을 위해서 충분한 젖산이 준비되어야 하며, 그로 인해 전통적인 석유화학업체들이 곡물업체 및 바이오 화학업체와 파트너십을 통해 시장에 진입하고 있습니다.

 

한국에선 SKC가 PLA를 이용한 필름을 판매하고 있습니다. 

PLA를 수입하여 동사가 개발한 유연성과 강도가 뛰어나고 인쇄에도 효과적인 필름 제조방식인 이축연신 기술로 PLA 필름을 제조하는 SKC는 현재 스타벅스의 베이커리 및 바나나 포장재 및 신선식품용 아이스팩 포장재 등으로 판매하고 있습니다.

 

 

 

 

지금까지 탄소 중립을 위해 지속적으로 개발되고 있는 PLA에 대해 소개해 드렸습니다.

이상으로 글을 마치도록 하겠습니다.

감사합니다.

 

 

 

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