대체 플라스틱

플라스틱은 다양한 쓰임새와 저렴한 가격으로 많은 곳에서 사용되어 왔습니다. 그러나 플라스틱의 사용은 환경호르몬과 미세플라스틱 (microplastic) 문제, 맹독성 다이옥신 (dioxine) 생성, 대기오염 물질 및 온실가스 배출 등과 같은 심각한 환경오염을 일으키고 있습니다. 이러한 플라스틱 폐기물 문제는 잘 썩지 않는 플라스틱의 장점이 문제가 됩니다. 이러한 플라스틱 사용으로 인한 환경문제를 해결하기 위해 환경규제가 강화되고 있으며, 우리나라에서는 난분해성 플라스틱 제품에 부과되는 폐기물 부담금을 인상하여 친환경 플라스틱 제품의 사용을 유도하고 있습니다. 생분해성 플라스틱 시장은 연평균 8.3%씩 성장하여 2020년에 세계 시장은 3.4억 달러, 국내 시장은 188억 원 규모의 시장을 형성할 전망이라고 합니다.

‘바이오매스 (biomass)’란 광합성에 의해 생성되는 다양한 조류 및 나무, 풀, 잎, 열매 등과 같은 식물자원을 말합니다. 최근에는 보다 광범위한 범위로 톱밥, 볏짚 등 농업·임업 부산물, 하수, 슬러지 (sludge)를 포함한 각종 유기성 산업 부산물, 음식물 쓰레기, 축산 분뇨 등을 모두 바이오매스 자원이라고 부르고 있습니다. ‘바이오 플라스틱 (bioplastic)’은 바이오매스로부터 유래된 플라스틱과 생분해성 (biodegradable) 플라스틱을 의미합니다. 여기서 생분해성 플라스틱은 미생물에 의해 수개월 내지 수년 이내에 물, 이산화탄소, 메탄가스 등으로 완전 분해되는 플라스틱을 말합니다.

생분해성 플라스틱을 플라스틱의 원재료에 따라 분류하면, 생분해성 천연 고분자인 셀룰로오스 (cellulose), 헤미셀룰로오스 (hemicellulose), 펙틴(pectin), 리그닌(lignin), 전분 등 식물에서 유래한 PLA, TPS (thermoplastic starch)와 갑각류의 껍질에 함유된 키틴 (chitin)을 원재료로 한 동물 유래의 플라스틱이 있으며, 미생물에 의해 생산된 고분자인 PHA (poly hydroxyalkanoate), PHB (poly-β-hydroxybutyrate), PHV (poly-β-hydroxyvalerate) 등이 있습니다.

새우 껍질의 키틴을 이용한 친환경 플라스틱은 호주의 안젤리나 아로라라는 연구자에 의해 개발되었습니다. 새우 껍질을 이용한 친환경 플라스틱은 갑각류의 껍질에 있는 키틴을 추출한 후 누에에서 나오는 불용성 단백질인 피브로인과 결합시켰고, 추가적인 화학 공정을 거쳐 플라스틱과 유사한 물질을 만들어내는데 성공했다고 합니다. 새우 껍질을 이용하여 만든 친환경 플라스틱은 쓰레기 매립지와 같은 환경에서 30여 일이 지난 후 완전히 분해되었다고 합니다.

또한 바이오매스에서 유래한 단량체를 화학합성하여 얻는 생분해성 플라스틱으로 지방족폴리에스테르 (polyester), PCL (poly-caprolactone), PGA (polyglycolic acid) 등이 있습니다. 생분해성 플라스틱 중에서 산화생분해성(oxo-biodegradable) 플라스틱은 기존 플라스틱에 바이오매스, 산화생분해제, 상용화제, 생분해 촉진제를 첨가하여 분해를 촉진시켜서 분해 기간을 1~5년으로 단축한 생분해성 플라스틱입니다.

그러나 생분해성 플라스틱은 기존 플라스틱에 비하여 강도와 같은 물리적 특성과 가공의 취약성, 유통기간 중 생분해 방지를 위한 생분해 기간 연장의 필요성, 기존 플라스틱에 비해 높은 가격 등과 같은 한계를 가집니다 이러한 한계를 극복하기 위하여 기존의 플라스틱, 바이오매스, 생분해성 플라스틱 중에서 둘 이상의 소재를 결합하여 가공성, 내충격성 등의 물성을 개량한 제품 등이 개발되고 있습니다.

현재 실용화되고 있는 바이오 플라스틱 소재에는 PCL, PLA, PBAT (poly butylene adipate terephthalate), TPA (terephthalic acid), PVA (polyvinyl alcohol), PES (poly ethylene succinate), PHA, PHB, PBS(poly butylene succinate)와 지방족폴리에스테르 및 전분/지방족폴리에스테르 혼합재 등이 있습니다. 현재는 천연계 고분자 중에서 전분이 생분해성 플라스틱의 원료로 가장 선호되고 실용화되는 추세입니다.

바이오 플라스틱을 이용한 포장재 중에서 가장 많이 쓰이는 것은 옥수수 및 옥수수 추출물로 만든 포장재입니다. 현재는 식량 자원의 사용을 줄이기 위해, 왕겨, 목분, 옥피, 두부, 박, 소맥피, 대두피, 식품공장 부산물 등 비식용 유기성 폐자원이 주목받고 있습니다. 바이오매스 소재는 내구성 문제가 있을 수 있어 제한적인 용도로 사용되고 있는 상황이며, 세계 여러 나라의 기업들은 적용 범위를 넓히기 위한 기술개발을 진행 중입니다.

( 버섯 균사체 포장재 .  출처 =http://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=377484,  원출처 =Ecovative)

이러한 기술개발의 일환으로 코카콜라는 Bio-PET 음료수병인 식물 병을 개발하여 세계 20여 개국에서 200억 개 이상 판매했다고 합니다. 미국의 생명공학 스타트업 이코바티브 (Ecovative)에서는 균사체를 식물성 유기 폐기물에 접종하여 특정 모양과 크기로 배양하는 신기술을 개발하였고, 배양된 균사체는 스티로폼 포장재의 대체제로 활용될 수 있다고 합니다.

한편, 바이오 기반 플라스틱이나 생분해성이 아닌 플라스틱으로 바이오 기반 PET (polyethylene glycol terephthalate)이 있습니다. 바이오 기반 PET이 바이오 플라스틱으로 분류되는 이유는 ‘탄소중립(carbon neutral)’의 개념 때문입니다. 탄소 중립이란 이산화탄소를 배출한 만큼 이산화탄소를 흡수하는 대책을 세워 이산화탄소의 실질적인 배출량을 ‘0’으로 만든다는 개념입니다. 이를 실현하기 위한 방법으로 이산화탄소 배출량에 상응하는 숲을 조성하거나 재생에너지에 투자하는 방법, 탄소배출권 구매 등이 있습니다.

환경 문제가 심해지면서 전 세계적으로 플라스틱 줄이기 열풍이 점점 확대되고 있습니다. 유럽연합에서는 2018년 ‘특정 용품에 대한 1회용 플라스틱 사용 금지 규제안’을 통과시켰고, 적용 범위를 넓혀갈 예정이라고 합니다. 미국의 여러 주에서도 커피 컵, 빨대, 포장용기 등에 사용되는 플라스틱의 활용을 금지했다고 합니다. 한국에서도 커피 전문점에서 1회용 빨대 및 컵 사용을 금지하는 정책을 시행하는 중입니다. 전 세계적으로 해마다 약 3억3000만 톤의 플라스틱이 생성되지만 그동안 생산된 플라스틱의 재활용 비율은 9%에 그치고 있으며 폐기되는 플라스틱 중 약 1200만 톤의 플라스틱은 매년 바다로 흘러가 미세 플라스틱 덩어리가 된다고 합니다. 이렇게 버려진 플라스틱은 해양 생태계를 교란하고 지구온난화에도 영향을 주는 등 많은 환경 문제를 일으키고 있습니다. 이를 극복하기 위해서라도 기존 플라스틱 사용의 제한과 친환경 대체제로의 교체가 필요해 보입니다.

 

참고자료

KOSEN 분석리포트, <친환경 플라스틱 대체 소재 기술개발 동향>, http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cn=KOSEN000000000001089

한국에너지공단, <쓰레기가 에너지로! 차세대 에너지원 ‘바이오매스’ >, https://blog.naver.com/kea_sese/221951563451

더농부, <새우 껍질로 만든 플라스틱 상용화 앞둬…33일 내 분해되는 친환경 플라스틱>, https://m.blog.naver.com/nong-up/221963540054

한국기후환경네트워크, <버섯, 새우로 플라스틱을 만든다?!>, https://m.blog.naver.com/greenstartkr/221977541691

홍석윤. <플라스틱 대체 ‘버섯 포장재’ 개발 스타트업>, http://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=377484

두산백과, <탄소중립>, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1822199&cid=40942&categoryId=31637

한국산업기술평가관리원, <생분해성 바이오플라스틱 생산기술과 산업동향>, https://www.bioin.or.kr/board.do?cmd=view&bid=tech&num=291282

더 나은 세계, SDGs, <가장 현실적인 플라스틱 저감방법 [더 나은 세계, SDGs] (88)>, https://www.segye.com/newsView/20190609508087