1. 환경공학연구센터의 자료, http://www.dicer.org/Webzine/html/09_main5_body.htm
   

생분해성 플라스틱-자연환경에서 쉽게 분해가 되어 환경오염문제를 일으키지 않는 새로운 소재

1. 정의

석유화학 및 고분자화학의 발전에 따라 기존의 나무, 철강 등의 천연소재의 대용품으로 합성 플라스틱이 개발되어, 저렴한 가격, 낮은 비중, 뛰어난 성형성 등으로 큰 인기를 끌게 되어 더 이상 플라스틱이 없는 세상을 상상할 수 조차 없게 되었다.

하지만, 플라스틱은 자연환경에서 분해되는 데 짧게는 수백년, 일반적으로는 거의 분해되지 않기 때문에 외관상 나쁠 뿐만 아니라, 환경오염의 한 주범으로 인식되고 있다. 따라서, 자연환경에서 쉽게 분해가 되어 환경오염문제를 일으키지 않는 새로운 소재에 대한 요구가 높아졌고, 이에 대두되는 것이 "생분해성 플라스틱"이다.

생분해성 플라스틱이란 박테리아, 조류, 곰팡이와 같은 자연에 존재하는 미생물에 의해 물과 이산화탄소 또는 물과 메탄가스로 완전히 분해되는 플라스틱을 말한다.

생분해성 플라스틱은 대체로 전분을 이용하거나 지방족 폴리에스테르를 사용해서 만든다. 전분을 사용하는 방법은 옥수수나 감자를 첨가해서 만들며, '지방족 폴리에스테르'는 생분해성이 없는 '방향족 폴리에스테르'(주로 의류에 사용)의 분자구조 중 벤젠고리 부분을 탄화수소로 대체, 자연환경에서 완전 생분해가 가능하도록 만들고 있다.

전분을 이용한 제품은 가격이 저렴하고 분해성은 뛰어나지만 강도가 약한 단점이 있다. 이에 비해 지방족 폴리에스테르는 가격이 고가이지만, 강도가 높고 가공성이 뛰어나 최근 각광을 받고 있다.

2. 종류 및 특성

생분해성 플라스틱은 사용하는 원료에 따라 천연계 고분자, 화학 합성 고분자, 미생물 생산 고분자 그리고 천연계 고분자와 화학 합성 고분자의 혼용 등 크게 4가지 형태로 분류할 수 있다.

천연고분자

생분해성 플라스틱에 적용되는 천연 고분자는 곡물에서 추출되는 전분, 곡물의 잎이나 갈대 등에서 유래되는 Cellulose, Hemi-cellulose, 그리고 게, 새우 등의 껍질에서 유래되는 키틴질과 Protein 등을 들 수 있다.

일반적으로 천연계 고분자는 고유 특성으로 인해 합성 또는 미생물 생산 고분자에 비해 플라스틱 가공성은 떨어지나 가격이 상대적으로 매우 저렴한 편이다.

천연계 고분자 중에서도 전분이 생분해성 플라스틱 원료로 가장 선호되고 있고, 실제로 전분을 원료로 한 생분해성 플라스틱이 포장 용도로서 현재 가장 많이 실용화되고 있는 추세이다.

전분이 새로운 플라스틱의 주원료로 부각된 이유는, 전분이 생분해성 플라스틱의 원료 중에서 생분해도가 가장 우수하다는 점, 가격이 타 원료에 비해 매우 저렴하며 자원이 풍부하고 공급이 용이하다는 점이다. 즉 전분은 고갈 위기에 처해있는 석유 자원에 비해, 지구상에서 녹색 식물이 존재하는 한 무한하게 공급될 수 있는 무독성의 천연계 원료라는 것이 큰 장점으로 부각되고 있다.

생분해성 프라스틱에의 적용을 위한 대표적인 전분 변성 기술로는 기존 범용 수지인 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 등처럼 일정 온도 이상에서 탄화되지 않고 형태가 자유자재로 바뀔 수 있는 열가소성을 전분에 부여한 열가소성 전분 (Thermoplastic Starch)을 들 수 있다.

합성고분자

발효기술에 의해 제조된 아미노산등의 원료를 중합공정을 통하여 제조된 고분자를 말한다. 미생물에 의한 생산에 따르는 물성 불균일, 생산성 저하등의 문제점을 극복하고자 제시된 방법이다. 이 방법은 물성 조절이 자유로워 매우 이상적인 방법으로 판단되나, 아직은 단가가 매우 일반화 되지 못하고 있다.

생분해성 플라스틱의 원료로 사용되는 합성 고분자에는 PCL[Poly(ε-caprolactone)], PLA[Poly(lactic acid)], Diol/Diacid계 Aliphatic polyester, PG[Poly(glycolic acid)], Poly(phosphate ester) 그리고 Poly(phosphazene) 등 다양한 종류가 개발되었다.

그러나 일반 생분해성 플라스틱 포장재 또는 소모성 생분해성 플라스틱 제품의 용도로는 PCL, PLA, Diol/Diacid계 Aliphatic polyester 등이 주로 사용되고 있다. 기타 다른 합성 고분자는 가격이 상대적으로 매우 고가이기 때문에 고부가가치를 얻을 수 있는 의료용 재료로 활용되고 있다.

미생물 생산 고분자

일부 미생물은 양분의 저장형태 또는 배설물의 형태로 고분자물을 생산한다. 이러한 고분자물은 생분해성이 뛰어나지만, 생산량 및 속도에 제약이 많을 뿐만 아니라 분자량면에서도 범용수지로 사용하기에는 부족한 경우가 많다.

대표적인 예가 PHB(poly-hydroxy butyric acid)이다. PHB는 poly-hydroxyalkanoate의 일종으로 D-3-hydroxy-butyric acid가 직선상으로 연결된 단일 중합체이다.

이들은 폴리프로필렌과 같은 기존의 범용 수지와 유사한 물성을 갖고 있으나, 매우 고가이기 때문에 일반 플라스틱 포장재나 소모성 플라스틱 제품으로의 실용화는 현재로선 어려운 면이 있으며, 고부가가치의 의료 용도로서 일부 사용되고 있고 높은 생산 단가를 낮추고 경쟁력 있는 가격을 확보하기 위한 연구가 국내외에서 지속적으로 진행되고 있다.

혼합형

생분해성 수지는 그 필요성에도 불구하고 생산비용이 많이 들기 때문에 여러가지 제약이 따른다. 이러한 점에서 천연물 혼합형은 가장 확실한 대안이 될 수 있을 것이다.

천연물 혼합형이란 전분 같은 천연물과 올레핀등의 기존 수지를 혼련하여 생산하는 형태로 공정도 비교적 간단하고 원가도 그다지 많이 들지 않기 때문에 많이 선호되고 있다. 그러나, 결국 분해가 되는 것은 천연물뿐이고 기존 수지는 여전히 분해가 되지 않기 때문에 엄밀한 의미의 분해성 수지라고 할 수는 없다. 또한, 분해성을 강조하기 위해 전분함량이 많게 되면 결국 기계물성의 감소를 가져오게 되므로 이의 균형을 조절하는 것 또한 하나의 과제라고 할 수 있다.

3. 용도

실생활에 사용되고 있는 플라스틱 중, 1회용 포장재 또는 소모성 플라스틱 제품은 다음 표와 같이 대부분 생분해성 플라스틱으로 대체가 가능한 것으로 알려져 있다.

                              생분해성 플라스틱으로 대체 가능한 용도

이 밖에, 향후 지속적인 기술개발과 함께 예측되고 있는 생분해성 플라스틱의 새로운 용도 및 고기능 용도는 아래와 같다.

4. 국내외 개발현황

최근 유럽을 중심으로 환경규제와 제품 폐처리 문제가 크게 부각되면서 국내외 화학업체들의 생분해성 플라스틱 개발도 가속화되고 있다. 현재 생분해성 플라스틱 시장은 미국, 유럽, 일본 등 선진국을 중심으로 연간 1만8000 (98년), 판매금액만 9500만달러에 이른다. 현재 세계 생분해성 시장은 미국이 약 50%를 점유하고 있으며, 유럽이 40%, 그리고 일본이 약 10%를 점유하고 있다.

국내 화학업체들도 최근 유럽을 중심으로 확산되고 있는 환경규제와 관련, 고분자 폐플라스틱을 물과 이산화탄소 등 자연상태의 저분자 화합물로 환원시켜주는 '생분해성 플라스틱 개발'에 박차를 가하고 있다.

SKC· 한화·대상·새한·이래화학 등이 일회용 주사기, 내시경 마우스피스, 식도 삽입 올리브팁, 플라스틱 장갑, 기저귀·생리대, 식품 포장 및 종량제 쓰레기 봉투, 스티로폼 대용 완충제, 각종 일회용품 등을 생분해성 플라스틱 재질로 생산 판매중이다. 최근 생분해성 플라스틱 생산 기술에서 선두업체로 떠오른 이래화학의 경우, 강원도 문막에 연산 3600t 규모의 동양 최대 생산공장을 완공, 생분해성 플라스틱 생산에 대대적으로 나설 예정이다.

최근 생분해성 수지의 활성화를 위해 원료업체인 대상, 새한, SK등 6개업체가 한국 생분해성 플라스틱 개발응용추진위원회를 구성하여 규격화/표준화를 추진하는 등 행보를 하고 있어 주목된다.