성동원

바이오폴리머시장의현황과발전방향 최근환경규제강화, 고유가지속등에따라바이오폴리머의경쟁력이강화되는추세이다. 바이오폴리머가기존의석유계플라스틱시장을완전히대체하기는어렵겠지만, 향후바이오폴리머틈새시장으로자리잡게될것으로보인다. 성동원책임연구원 dwsung@lgeri.com 국제유가가연일요동치고있는가운데전세계가높은가격의석유를대신할만한저가대체재찾기에한창이다. 이러한현상은에너지분야를중심으로나타나고있지만원료부문에대한관심역시증가하고있는추세이다. 이미중동지역에서는저가의천연가스를기반으로하여가격경쟁력이월등한석유화학제품을양산하고있다. 또한, 중국에서도석탄화학제품상용화를위한연구가활발히진행중에있어가까운시간내에상용화가기대된다 ( 주간경제 912호, 급부상하는중국의석탄화학산업 참조 ). 천연가스나석탄은가격측면에서매력적인석유대체원료임에틀림없다. 하지만석유와마찬가지로재생불가능한한정된자원이라는한계와환경문제논란에서벗어나기어려운것이사실이다. 물론청정공정기술의발전으로환경오염문제를어느정도완화시킬수있다고는하나, 궁극적으로인류가당면하고있는에너지 / 환경문제에대하여근본적인해결책이되기는어렵다. 이에반해바이오매스 ( 자연계에존재하는생물이가진유기물질을총칭 ) 는재생가능할뿐만아니라환경친화적이라는두가지측면에서중요한의미를갖는석유대체재라고하겠다. 현재바이오매스는바이오연료부문에서적극개발, 상업화되고있다. 옥수수, 사탕수수등에서만든바이오에탄올이나곡물의씨앗, 폐식용유등을가공하여얻는바이오디젤이그것이다. 그러나최근에는연료합성뿐만아니라화학제품의원료로사용하는방안에대해서도관심이높아지고있다. 예를들면바이오매스를생화학적또는열화학적방법으로가공처리하여플라스틱을대체할수있는제품을만들어내는것이다. 이하에서는바이오매스를원료로한화학제품의상용화현황및관련이슈에대해살펴보고자한다. 세계바이오폴리머, Cargill과듀퐁이주도바이오폴리머란바이오매스로부터만들어진플라스틱을말하는데그린플라스틱, 바이오플라스틱이라고불리기도한다. 바이오매스기반성분이 100% 인것은물론석유화학기반의플라스틱이혼합된것까지총칭한다. 바이오폴리머는곡물이나미생물로부터만들어진플라스틱이주성분으로, 쉽게분해되어퇴비와같이생물체가흡수할수있는형태로바뀔수있다. 즉자연계의바 21

세계바이오폴리머시장은미국의 Cargill 과듀퐁이주도하고있다. 이오매스를원료로만들어지고, 사용후에는자연계내에서미생물에의해물과이산화탄소만으로완전분해되는환경친화적인제품이다. 초기의바이오폴리머는곡물의전분등을직접변형한형태인데, 전분만으로또는전분과다른물질을혼합하여바이오폴리머를합성한다. 현재상용화된바이오폴리머중에서가장높은비중 ( 약 30%) 을차지하고있다. 전분은저렴한가격, 풍부한양, 공급용이성등의이유로바이오폴리머의주원료로선호되어왔다. 다만생분해성은뛰어나지만품질이균일하지못하다는단점을지닌다. 그러나최근전분의물성을플라스틱가공에적합하게개선하는기술의발전으로전분은앞으로도바이오폴리머의원료로서활발하게활용될것으로보인다. 한편근래에는바이오기술의발전과함께미생 미국테네시주, 루던 (Loudon) 에위치한듀퐁과 Tate & Lyle 이합작투자한 Bio-PDO 공장 물발효를통한바이오폴리머합성기술이빠르게부상하고있다. 대표적으로 PLA( 폴리락트산 ) 와 PHA(Polyhydroxy Alkanoates) 를꼽을수있다. PLA 는옥수수전분을발효하여생성된락트산 ( 젖산 ) 을중합시킨바이오폴리머로전체바이오폴리머생산의 20% 를차지할만큼빠르게성장했다. 한편, PHA 는전체바이오폴리머중 8% 를차지하는데폴리프로필렌, 폴리스티렌, 저밀도폴리에틸렌등석유계합성수지제품과유사한물성을가져다양한용도로의활용이기대된다. 현재바이오폴리머사업에참여하는기업의수는전세계적으로 80여개에불과하고, 극소수의기업만이연간 6천톤이상의생산능력을보유하고있다. 이중시장을주도하는기업으로는미국의 Cargill과듀퐁 (Dupont) 을들수있다. 곡물가공업체인 Cargill 은자회사인 NatureWorks 를통해연산 14만톤의 PLA 공장을가동중에있는데이는세계생산능력의 40% 에해당한다. 듀퐁은보다적극적이다. 바이오기술을기반으로과학기업 (Science Company) 으로의전환을꿈꾸는듀퐁은소로나 (Sorona) 등의제품으로바이오폴리머시장을공략하고있다. 옥수수에서채취한 Bio-PDO(Propanediol, 프로판디올 ) 가소로나의주원료인데기존에사용되던석유계원료인 1,3- PDO(1,3-Propanediol) 의대체재로사용된다. 듀퐁은 Tate & Lyle 과합작하여총 1억달러를투자하여연산 4만5천톤규모의 Bio-PDO 공장을미국테네시주, 루던 (Loudon) 에설립하였으며, 최근가동을개시하였다. 이외에소로나의물성을개선하여자동차내장재및부품, 전자제품, 카펫, 섬유등다양한분야에적용하는한편, 인비스타 (Invista), 도레이 (Toray) 등을비롯한다수의섬유제품메이커들에게라이센스를부여하여, 소로나시장을확대시키려는노력을하고있다. 듀퐁은 2010년까지 2

소로나를비롯한재생가능원료를이용한제품의매출비중을 25% 까지확대한다는방침이다. 아직까지가격경쟁력열세및용도제한등의한계바이오폴리머가지닌매력과성장잠재력에도불구하고, 현재전체플라스틱시장에서바이오폴리머가차지하고있는비중은 1% 미만으로매우미미한수준에불과하다. 수십년간연구개발되어왔음에도바이오폴리머시장이아직초기단계에머물러있는이유는가격경쟁력이뒤지고용도개발이원활히이루어지지않고있기때문이다. 불과 5~6년전만해도일부바이오폴리머는석유화학제품에비해무려 35~100배나비쌌다. 최근그격차가줄어들어 2.5~7.5배수준으로좁혀졌다고는하나여전히높은수준이다. 바이오폴리머의물리적물성이기존플라스틱제품에미치지못해기존제품의대체및응용영역확대가더디다는문제도상당부분완화되기는했지만여전히존재한다. 결국바이오폴리머는소비자, 생산자모두에게외면받고있는것이현실이다. 미국의경우바이오폴리머생산을주도하고있음에도불구하고정작미국내소비가낮은것은이러한이유에서비롯된다. 환경친화적기업이라는이미지제고차원에서월마트가기존에사용해오던 PET 용기를 PLA 계로전환한사례가있기는하나전반적으로바이오폴리머사용에대한호응이낮은형편이다. 제품생애전체, 즉생산에서사용, 폐기 / 재활용등에걸쳐환경규제를강화하는것과같이바이오폴리머사용을강제할수있는특급처방없이는바이오폴리머시장확대에한계가있는것이다. 환경규제강화와고유가가겹치면서경쟁력강화교토의정서를비롯하여최근일고있는전세계적환경규제강화움직임은바이오폴리머시장의잠재력을현실화시키는기폭제로작용할것으로보인다. 환경규제강화는바이오폴리머사용확대를위한기술및용도개발을촉진할것으로기대된다. 여기에고공행진을계속하고있는유가도기존의플라스틱대체제로서바이오폴리머를채택하게하는요인으로작용 바이오폴리머는아직까지가격경쟁력과성능면에서기존의석유계플라스틱에못미치고있다. 유럽은라벨링제도를도입해소비자에게인증을통과한바이오폴리머제품에대한정보를제공하고있다. 사진은독일, 스위스, 네덜란드, 폴란드, 영국등에서채택하고있는 묘목 모양의라벨. 하고있다. 환경규제강한유럽, 일본중심으로시장확대 현재바이오폴리머시장은환경규제가강한유럽, 일본을중심으로형성되어있다. 특히유럽은전체바이오폴리머시장의 60% 정도를차지하는세계최대의시장이다. 유럽은지난 2005년 2월, 폴리머의환경친화적인생산을보장하는자율협정을체결한바있다. 이협약에참여한 BASF, Cargill, Novamont 등의기업들은폴리머생산시국제적으로인정된표준을준수할것을선언하였다. 이를위해첫째생분해가가능한폴리머의유럽규격인 EN 13432 를준수하고, 둘째별도의인증제도를도입하며, 셋째라벨링 (Labeling) 제도를도입해인증에서통과한제품에대한정보를소비자에게제공하기로하였다. 이협약은주로포장재와일회용봉투의규제에초점을맞추고있는데궁극적으로바이오폴리머의생산과소비를촉 23

최근환경규제강화, 고유가지속에따라바이오폴리머의경쟁력이점차강화되고있는추세이다. 바이오폴리머를적용한워크맨커버, DVD, 노트북외장재 ( 달러 / 배럴 ) 80 70 60 50 40 30 20 10 ( 달러 / 톤 ) 400 300 200 100 진하는요인으로작용할전망이다. 일본의경우도날로강해지는환경규제가기업들의바이오폴리머사업참여를이끌어내는중요한역할을하고있다. 일본화학기업들은주로일회용봉투, 식품포장재등에한정되어사용되어오던바이오폴리머의물성을개선하여전자제품등에확대적용하고있다. 미쓰비시플라스틱은 PLA 와또다른생분 < 그림 1> 유가와옥수수가격추이비교 0 유가 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 옥수수가격 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 주 : 유가는 WTI 기준, 옥수수가격은 Goldmansachs의 Corn Spot-Price Index 자료 : Datastream 해성플라스틱을배합하여내열성을개선시켰으며, 소니 (Sony) 가이것을신형워크맨의외장재로채택하였다. 산요 (Sanyo) 는미쓰이화학이개발한 PLA 를적용하여세계최초의생분해성 DVD를생산하였다. 후지쯔 (Fujitsu) 와도레이 (Toray Industries) 는내열성이우수하고가공성이좋으면서도충격에강한바이오폴리머를개발하여휴대폰및노트북외장재에적용한바있다. 비단화학기업뿐만아니라자동차, 전자기업등도바이오폴리머사업에적극동참하고있다. 자동차회사인도요타는연산 1천톤규모의자체 PLA 생산설비를보유하고있는데, PLA를스페어타이어커버소재등자동차부품에적용하고있다. 도요타는이외에도테니스라켓줄, 식물재배용기, 음식접시, 칫솔제조용 PLA 를다수의기업에공급하고있다. 기술발전및고유가에따른경쟁력강화앞서살펴봤듯이, 바이오폴리머시장의가장큰과제는역시기존석유화학제품에대한가격경쟁력확보에있다. 최근에는고유가지속과함께바이오제품의생산기술발전으로석유화학기반플라스틱과의가격격차가현저히줄어들고있으며, 일부에서는석유화학제품과곧바로경쟁할수있는제품도나타나고있다. PLA 가바로그러한경우이다. NatureWorks 는 1995년연산 4천 5백톤규모의 PLA 시범공장을가동하였으며, 당시 PLA 가격은파운드당 3달러 ( 폴리스티렌가격은파운드당 55센트 ) 였다. 그후 NatureWorks 는 2002년연산 14 만톤의대규모상용화공장을지어, PLA 가격을파운드당 1.3달러수준 ( 폴리스티렌가격은파운드당 51 센트 ) 으로대폭낮추었다. 2004년에는락트산발효공정과 PLA 중합공정을통합하여운영효율을개선하였다. 그러나결정적으로 2004년이후급등한유가에비해상대적으로안정적인옥수수가격덕분에 PLA 는더욱가격경쟁력을갖게되었다 (< 그림 1> 참조 ). 최근 PLA 가격은파운드당 90 센트 ~1달러로폴리스티렌 ( 파운드당 95센트 ) 과거의대등한수준이다. NatureWorks 에따르면유가가배럴당 5달러씩상승할때마다 PLA 는파운드당 1센트씩의가격경쟁 24

력을갖는효과가있다고한다. 당분간은고유가가지속될것으로보여 PLA 의가격경쟁력은계속유지될것으로보인다. 한편, 바이오폴리머생산기술은향후에도지속적으로발전할전망이다. 듀퐁이최근운영을개시한 Bio-PDO 공장의경우기존석유화학기반의 PDO 공정과비교하여에너지소비를 40% 나절감할수있다고한다. 연간 Bio-PDO 4만5천톤을생산할때가솔린 1천만갤런을절감하는효과를가져와바이오폴리머의가격경쟁력이높아질것으로기대된다. 또한바이오리파이너리 (Biorefinery) 를통해기초화학원료를합성하는기술도등장하였는데, 미국과브라질을중심으로연구가활발히진행중이다 (< 그림 2> 참조 ). 바이오리파이너리란바이오매스로부터전력, 연료및기초화학원료를제조하는기술로서기존의원유정제및석유화학공정에상응하는개념이다 ( 주간경제 899호, 바이오매스자원상업화, 어디까지왔나 참조 ). 이기술이상용화되면그동안소규모로생산되어온바이오폴리머를대규모로생산하여저가의바이오폴리머를대량으로공급할수있을것으로기대된다. 바이오폴리머틈새시장으로자리잡을전망 Frost & Sullivan 은 10년후바이오폴리머가전체플라스틱시장의 1.5~4.8% 를차지하면서연간 400만 ~1,250만톤의규모에이를것으로전망하고있다. 그렇다면앞으로바이오폴리머가석유계플라스틱을완전히대체하는날이오게될까? 그렇게되기에는현실적으로몇가지어려움이있다. 우선대량의바이오매스원료를안정적으로공급하는것이어렵거니와현재기술로서는바이오폴리머를대규모로생산하는것역시한계가있기때문이다. 그렇다고해서바이오폴리머시장의의미를가볍게볼것은결코아니다. 수십년이넘게오랜기간연구되어축적된기술그리고유럽, 일본에서엿볼수있는시장확산가능성을볼때바이오폴리머가환경친화적제품이라는미명하에일시적으로부는유행이아님을확인할수있다. 앞으로교토의정서발효등환경규제강화가더해져바이오폴리머성장은더 바이오폴리머가공기술발전에따른물성개선으로향후바이오폴리머틈새시장으로자리잡을전망이다. < 그림 2> 바이오리파이너리개념도 바이오매스 생화학적처리 잔유물 청정가스 열및전력 열화학적처리 당 ( 糖 ) 기반원료 합성가스 연료, 화학제품 자료 : NREL(National Renewable Energy Laboratory, 미국국립재생가능에너지연구소 ) 욱탄력을받을것이다. 게다가유가가향후에도높은수준을유지할것으로보이고, 바이오폴리머생산기술도계속발전하고있어바이오폴리머의가격경쟁력이한층강화될전망이다. 결과적으로바이오폴리머상업화는더욱가속될것이다. 특히바이오폴리머는가공기술진전에따른물성개선에따라자동차부품, 전자제품등으로점차그용도가확대되고있어, 향후이러한틈새시장에서바이오폴리머가자리잡을것으로기대된다. 이러한시점에서지난 4월우리정부가발표한바이오리파이너리시범사업추진계획은반가운소식이아닐수없다. 정부는특히바이오매스를원료로하여바이오기반화학제품을생산하는기술을집중육성할방침인것으로보인다. 우리기업도차별화전략의일환으로바이오폴리머사업에대한관심을기울일필요가있다. 우리정부가금번에표명한산업바이오육성의지가거의불모지나다름없었던국내바이오폴리머사업을일으키는초석이될수있기를기대해본다. www.lgeri.com 25