친환경섬유기술개발동향 1. 서론 최근지구온난화에따른온실효과로지구대기의평균온도가상승하고이상기후발생등환경문제가지속적으로전세계적으로이슈가되고있다. 섬유분야에서도환경을보존하기위한노력과더불어친환경섬유에대한관심과기술개발이지속되고있으며향후동분야에대한관심과연구개발은꾸준히지속되리라판단된다. 국내에서도전국민의건강과직결되는황사, 미세먼지, 대기오염등의환경문제가해결해야할큰사회문제로대두되고있으며지속가능 (sustainable) 한주제로관심을끌고있다. 아래그림은소재측면에서친환경섬유를분류하여도식화한그림으로유기농섬유, 인조섬유, 재활용섬유, 천연섬유등으로분류할수있다 < 그림 1> 친환경섬유소재 - 1 -
친환경섬유의정의는 환경적으로만족스러운섬유로환경에유해하거나위협을주지않는섬유 를말한다. 친환경섬유의특징으로는환경보존및정화와관련된특징과환경개선에기여하는데에관련된특징등아래와같다. -환경친화적이다. -공해를유발하지않는다. -생분해성을갖는다. -미립자, 박테리아등의환경에유해한물질을차단한다. -합성섬유를대체한다. -경량화에의한에너지소비절감에기여한다. -폐기물을재활용한다. 본고에서는친환경섬유제조기술, 최근개발동향, 친환경인증에대하여살 펴본다. 2. 천연 / 천연유래친환경섬유 천연 / 천연유래친환경섬유는자연에서재배한혹은천연자원에서유래한친환경섬유를말하며유기농면 (organic cotton), 유기농양모 (organic wool), 유기농실크 (organic silk) 등의유기농으로재배된섬유와기타천연유래친환경섬유로셀룰로오스계섬유와단백질계섬유등이이에속한다. 2.1 유기농면 (organic cotton) 유기농면은농약및인공비료를사용하지않고재배한면을말하며유기농면이되기위한필요조건으로는유기농면의재배지에서는 3년간농약이나화학비료를사용한실적이없어야하며 ( 재배지에잔류한농약의영향이소멸하는기간이 3년이므로 ), 재배시유기질비료를사용하여야한다. 이렇게재배된유기농면의사용에있어서도관리가요구되는데방적, 제직, 염색, 가공공정에서도환경및인체에유해한물질을사용하지않아야하며이러한재배환경, 생산공정, 가공환경등에서지속가능성 (sustainability) 이추구되어야한다. 지속가능성의개념은재배환경및생산공정등의지속성에만국한되는것이아니고유기농면제품을생산하는노동자에대한혜택도지속되 - 2 -
어야하며, 해당기업의이윤달성지속성도해당된다. 일반면 (conventional cotton) 과구분되는유기농면의특징을아래표에비교하였다. 일반면의경우재배시전세계살충제사용량의 25%, 전세계농약사용량의 10% 를사용하여환경에매우해로운영향을미치며, 생산성향상을위해유전자조작씨앗을사용하는등인체및환경에부정적영향을주고있다. 일반면으로티셔츠를제조에필요한면을생산하기위해서비료는약 150g이소비되며, 면재배농약의경우인체에해로운성분들이사용된다. < 표 1> 일반면과유기농면구분 2.2 유기농양모 (organic wool) 유기농양모의경우유기농면이면의재배특성에유기농기준을설정하는것과유사하게유기농양모의원료물질은양털수확을위한양의유기농사육에초점이맞춰진다. 유기농양모수확에사용되는양이 3세대에걸쳐유기농사육법으로키워져야하며목축환경과목축조건이유기농조건에부합해야한다. 양의사육시먹이로사용되는풀의재배환경이농약이나제초제를사용하지않는초지에서방목되어야하고, 양의사육시항생제, 호르몬제, 안정제등의약품이사용되지않아야하며모방적사제조방적공정, 정련, 염색공정등에서유해물질기준을만족해야한다. - 3 -
2.3 유기농실크 (organic silk) 유기농실크역시농약, 살충제등의인체및환경에유해한화학약품의사용이없이제조된실크를말하며현재약 22개국에서생산중인것으로알려져있다. 2.4 기타천연유래친환경섬유유기농제품을제외한천연유래친환경섬유에는크게셀룰로오스계와단백질계로구분할수있는데셀룰로오스계섬유에는바나나줄기내피를이용한바나나섬유, 코코넛열매껍질을이용한코코넛섬유, 대나무섬유소를이용한대나무섬유, 닥나무펄프를이용한한지섬유등이있으며, 단백질계섬유에는카제인단백질을이용한우유섬유, 땅콩단백질을이용한땅콩섬유, 제인단백질을이용한옥수수섬유, 대두단백질을이용한콩섬유등이있다. 아래표에는기타천연유래친환경섬유의원료, 제조법, 특성등을표로정리하였다. < 표 2> 셀룰로오스및단백질계친환경섬유 - 4 -
천연유래섬유중일부는원료는천연에서취하지만제조공정은습식방 사법을이용하는점에서비스코스와유사하다. 3. 합성친환경섬유 친환경합성섬유소재는친환경특성을갖으나제조방법은합성섬유의공 정을따르는합성섬유를말한다. 친환경합성섬유소재에는바이오매스 (biom ass) 합성섬유, 리사이클 (recycled) 합성섬유, 생분해성합성섬유등이있다. 3.1 바이오매스 (biomass) 합성섬유바이오매스합성섬유는비석유계원료를사용해중합한고분자를이용한합성섬유로자연계자원을원료로한섬유를말한다. 대표적인바이오매스합성섬유로는 PLA 섬유가있다. 자연계자원에서유래한원료로는식물성오일, 목질계식물자원, 해양식물자원, 폐식물자원등이있다. < 그림 2> 바이오메스원료섬유인 PLA 의자원순환과정 3.1.1 PLA 섬유 바이오메스합성섬유의대표인 PLA 섬유는지방족폴리에스테르에속한 - 5 -
다. 지방족폴리에스테르는주요한생분해성고분자소재로폴리에스테르고 분자의에스터결합이가수분해에의해절단되는경로로분해가진행된다. < 그림 3> 생분해성지방족폴리에스테르 PLA는원천재료를천연에서얻는지속가능한원료라는장점이외에도생분해성, 열가소성, 인체친화성등의장점을갖는고분자소재이다. 단점으로는용융온도가 170 수준으로낮은편으로내열성이좋지않고, 상대적으로가공성이떨어지며분해성으로인해내구성이우수하지못한것이있다. PLA의생분해특성은보관수명측면에서중요한대기중에서는범용 PLA 가 3~5년이며, 내구성이있는 PLA는 5~10년이다. 반면에폐기후매립시에서는준호기성 ( 매립지의침출수집배수관출구가대기에접해있는조건으로대기중의산소를공급받는조건 ) 매립조건에서는 2~4개월이며퇴비조건 (6 0 ) 에서는 8주이내에분해된다. < 그림 4> PLA 생분해특성 - 6 -
생분해성소재의분해성측정방법으로는실험실적인방법, 현장시험법, 현장모의시험법등이있는데실험실적인방법에서는효소에의한분해법, 미생물에의한분해법, 퇴비화실험법등이있다. 효소에의한방법에서는가수분해효소의작용에의해분해되어용출된저분자물질을정량화하는방법이고, 미생물에의한방법은균류 (fungi), 간균 (bacillus) 등의미생물을이용하여분해시킨후중량감소, 분자량감소, 물성및표면변화등을측정하여평가한다. 퇴비화실험법은퇴비화조건에서생분해도를측정한다. 이러한실험실적방법으로생분해성을정량적으로측정가능하고, 비교적재현성이좋으며, 실험기간을단축할수있는장점이있으나, 실제자연환경을반영하지못하는단점이있다. 현장시험법은토양매립, 해수침지, 퇴비화시험등을통해자연환경조건에서시험을실시하는방법으로기간이오래걸린다는단점이있어현장모의실험을통해실험실에서현장환경과유사한조건을설정하여실험함으로써실험실적방법과현장시험법의장점을모두취한절충적방법이다. < 그림 5> 퇴비화시험법 (ASTM 5338-98) - 7 -
PLA의용도는플라스틱, 시트 / 필름, 섬유등이있는데플라스틱분야에서는일회용플라스틱으로많이사용된다. 식품용기, 유아용품, 포크, 수저, 화장품용기등으로사용되며시트 / 필름형태로는데코시트, 카드, 접시, 비료포장용비닐, 봉투등에사용되고, 섬유용으로는유아용및노인용의복, 내의류, 부직포, 자동차매트등에사용된다. < 그림 6> PLA 적용제품 (1) PLA 섬유의삼차원프린팅원료로의적용대중화된 3D 프린터의경우고분자필라멘트를많이사용하고있는데그중주요소재가 PLA 모노필라멘트이다. 3D 프린팅기술은디지털화된이미지를삼차원형상의입체물형태로물품을만들어내는기술을말하는데 x, y, z 축의세축운동을통해입체의조형물제작이가능하다. 입체형태를제조하는방식에따라적측형과절삭형으로나뉘고, 일반적으로많이사용되는적측형의경우파우더형태나고분자필라멘트를원료로사용한다. 3D 프린터용고분자필라멘트의경우 ABS와 PLA 고분자가주로사용되는데 PL - 8 -
A는열가소성수지로필라멘트형태로용융압출이가능하고인쇄된제품의강도, 내구성, 광택이적절하다는장점이있다. 그러나, PLA 원료자체의가격이높아모노필라멘트의경우 kg당 20불이상의고가로판매되고있다. 3 D 프린팅분야는전세계적으로지속적으로성장하고있는분야로초기 3D 프린터가매우고가여서시장의확대에걸림돌로작용하였으나최근 3D 프린터가격이하락하며점차대중화가진행되고있어주원료인고분자필라멘트시장은지속적으로성장할것으로예상되고있다. < 그림 7> 3D 프린터와프린트용 PLA 모노필라멘트 전세계 3D 프린터시장규모는 2조8천억원규모로알려져있으며 2025년까지약 12조정도규모로성장할것으로예측된다. 생명공학분야의 3D 프린팅분야성장이가장클것으로예상되며이에따라 3D 프린팅재료인고분자필라멘트에대한수요도지속적으로성장할것으로예상된다. 3D 프린트용필라멘트는고분자수지인 ABS와 PLA가주 ( 열가소성수지필라멘트의 - 9 -
3 분의 2 정도를차지함 ) 를이루며국내시장의경우주로수입에의존하고있 는실정이다. 3D 프린터용모노필라멘트의사양은 3D 프린터노즐투입구 치수와관련된주로 1.75mm 이다. 3.1.2 해양자원바이오매스섬유해양자원바이오매스는천연원료의보고라할수있다. 해양자원바이오매스는육상식물계바이오매스에비해수확에유리하고단위면적당생산량이높으며활용공정이간단하다는장점이있다. 아래표는해양자원바이오매스소재와육상식물계바이오매스소재를비교한내용이다. < 표 3> 바이오매스자원비교 분류 육상식물계 해양식물계 곡물계목질계조류계 수확시기 1~2 회 / 년 1 회 /8 년 4~6 회 / 년 생산량 ( 톤 /ha) 180 9 565 CO 2 고정능력 ( 톤 /ha) 5~10 4.6 36.7 활용공정 간단 복잡 ( 리그닌제거 ) 간단 단점식량문제산림파손적음 생육환경 햇빛, 물, 땅, CO 2, 영양분 햇빛, 물, 땅, CO 2, 영양분 햇빛, 물, CO 2 기후의존성높음높음낮음 이산화탄소고정화기술이란배기가스중에포함된이산화탄소를처리하 는기술을말한다. 해양자원바이오매스에는키틴, 키토산, 알긴산등이있 다. 해양식물계바이오매스섬유의대표적인예는키틴 (chitin) 섬유이다. 키 - 10 -
틴섬유의구조는셀룰로오스와유사한구조를갖으며게, 새우껍질의주성분을이룬다. 키틴의성질로는항혈전효과가있고인체내에서생분해가가능하므로의료용으로사용이가능하여상처치료를위한드레싱, 봉합사등에사용될수있다. 또한, 우수한인체적합성으로인해피부재생을촉진시킬수있고, 상처치유를촉진할수있어인공피부로의사용가능성도있다. 3.1.3 박테리아생산섬유박테리아가생성하는섬유를박테리아생산섬유라하는데박테리아셀룰로오스와박테리아폴리에스테르가이에속한다. 박테리아셀룰로오스는일반식물계셀룰로오스대비순도가높으며젤형태를띠고있다. 제조비용이높아부가가치가높은의료용으로사용가능하다. < 그림 8> 박테리아셀룰로오스 (produced from Acetobacter aceti (SEM by Dr A. Kai) 100여종이상의박테리아가폴리에스테르를생산가능한것으로알려져있다. 폴리에스테르는박테리아체내에축적되어에너지원으로사용되며입자의크기가대략 0.5~1.0 μm 수준으로용융이가능한열가소성수지로용융온도는대략 180 수준이다. 열가소성특성으로인해성형가공이가능하고생분해성특성을갖는다. < 그림 9> 박테리아폴리에스테르 (Polyester stored in Alcaligenes eutrophus (SEM by Y. Doi) - 11 -
3.1.4 기타바이오매스섬유소재 (1) 바이오기반 PTT 앞서살펴본바이오매스섬유소재는출발원료전체가천연에서유래한소재인것에반해고분자의합성단계에서사용되는단량체의일부를천연자원에서유래한섬유도있다. 대표적인예로바이오기반으로제조된 PTT 소재이다. 바이오기반 PTT는듀폰에서생산되는데 PTT 고분자의출발물질인다량체중 1,3-프로판디올을바이오기반으로생산하고이를이용하여 PTT를중합한것이다. PTT 고분자의단량체는 1,3-프로판디올과고순도테레프탈산 (TPA) 가사용되는데테레프탈산은화학공정에서얻어지고 1,3-프로판디올은바이오공정으로얻어진것을사용한다. < 그림 10> PTT 와 PET 구조비교 < 그림 11> 듀폰의바이오기반 PTT - 12 -
(2) 바이오기반나일론현재까지알려진바이오기반나일론은 nylon 4, nylon 6, nylon 66, nylon 69 등이있다. 바이오기반 nylon 6의경우단량체원료인카프로락탐을바이오원료로부터합성하여사용하는것으로글루코스를출발물질로하여미생물의작용에의해카프로락탐을형성하는공정이다. 이후공정은기존 nylon 6의합성공정과같다. 3.2 생분해성합성섬유생분해성합성섬유는천연에서유래한원료를사용하지는않는즉, 화학적으로합성된원료를사용하지만생분해성이있는합성섬유를말한다. 천연에서유래한생분해성섬유들이생분해성은갖지만열에취약해고온열처리조건이부여되는염색및후가공공정에서가공성이취약하다는단점이있다. 이를보완하기위해생분해성을갖으면서도열안정성은생분해성지방족폴리에스테르보다우수한공중합폴리에스테르를합성한것이다. 대표적인제품으로듀폰사의아펙사 (Apexa) 가있는데이는생분해성을부가한 PET 공중합체이다. 화학명은 Poly(ethylene succinate-co-terephthalate) (PEST) 이며천연자원이아닌석유화학기반이며 PLA 등보다열적안정성이우수하다는장점이있다. 4. 리사이클친환경섬유 폐기물의재이용에는재사용과재활용이있는데, 재사용은원래사용목적의용도로다시사용하는것을말하는데공병을회수해세척후다시사용하는것이재사용에속하고, 폐기물을재생이용하는활동및에너지를회수하는것이재활용의범주에속한다. 재활용에서사용하는용어로소비전물질 (pre-consumer material) 과소비후물질 (post-consumer material) 이있는데전자는제조공정중나온폐기물을말하며, 후자는소비재로사용한후에재사용목적으로분별하여회수된물질을말한다. 재활용섬유중에가장큰부분을차지하는것은 recycled PET이다. 재활용 PET는섬유가주된용도로사용되며재활용 PET의에너지소비감소효과와이산화탄소감소효과는각각 53% 와 55% 수준에이른다. 티셔츠한벌을제조하기위한재활용섬유를제조하기위해서는 12개의 PET 공병이필요하며 - 13 -
수거, 세척, 분리공정등의별도공정추가와공정성등의문제로제조원가 가높아진다는단점이있어시장확대의걸림돌로작용하고있다. < 그림 12> 재활용개념 물리적재활용이외에재활용 PET로부터단량체혹은중간체를회수하여이들로부터신규 PET를중합하는화학적재활용 PET도개발되었으나시장에널리확대되지못하고있는실정이다. PET 이외에도나일론도폐나일론을이용재활용나일론이개발되었는데폐기된섬유, 원단, 의류, 어망, 카페트를재활용하여재활용나일론을생산하는기술이개발된상태이다. 재활용면의경우면방적공정중에발생하는폐기면을재활용하여이를방적공정중에일부혼합하여재방적하는방식으로활용된다. 폐기된면사, 원단, 의류등을재활용하여방적사를제조하기도하는데재활용면의경우일반제조방식에비해약 20% 의에너지절감효과가있는것으로보고되었다. - 14 -
< 표 4> Recycled PET 의에너지감소효과와이산화탄소감소효과 Production of Polyester from Energy Consumption (MJ/Metric Ton PET) CO2 Emission (Metric Ton/Metric Ton PET) PTA & EG 13,455 1.088 Used PET bottles 6,376 0.494 Reductions -7,079(-53%) -0.594(-55%) 5. 친환경섬유인증 친환경섬유인증라벨인에코라벨 (Eco-label) 은생산및소비과정중환경오염유발이적거나자원을절약할수있는제품에부여하는라벨이다. 아직까지는자율부착이원칙이나유럽을중심으로관련품목이증가하고있는추세이다. 제창기관별로국가와민간으로구분되며부여기준은환경기준만을고려하는경우와환경기준과생산공정을모두고려하는경우로나뉜다. 에코라벨을인증하는환경기준은환경유해화합물의항목별기준치가있는데포름알데히드, 농약성분, 중금속, 발암성방향족화합물, 방염제, Glyoxalin 등의화합물에관한것이다. < 그림 13> 에코라벨종류 - 15 -
5.1 국제에코라벨국제에코라벨중 Oeko-Tex standard 100은오스트리아의텍스타일연구소와독일의호헨슈타인연구소가공동설립한인증기관인 Oeko-Tex 협의체소속의지정시험연구소에서인증한라벨이다. < 그림 14> Oeko-Tex standard 100 Oeko-Tex 협의체는유럽, 일본등세계 15개국가연구소의협의체로국내에도지부가있다. 제품별로 4 개의등급 ( 유아등급 (class I), 피부접촉등급 (class II), 직접접촉하지않는제품, 장식제품 ) 으로분류해인증을하며인증서의유효기간은 12개월이다. Oeko-Tex 라벨의인증절차인 Oeko-Tex standard 100은먼저신청자가관련양식의서류를작성해제출하면절차가개시되며협의체소속의지정시험연구소에서서류를검토한후인증절차를진행하며시험결과에따른평가절차를거쳐인증을부여한다. 평가에서합격하지못하면신청자의보정절차를거쳐다시인증과정을거치게된다. Oeko-Tex 이외에도 Global recycle standard(grs), Blue sign 등이있는데 GRS는리사이클섬유를 5~100% 혼합한섬유제품에대한리사이클섬유인증이며, Blue sign은섬유제품의생산과정전단계를검사하여자원재활용및친환경인증을부여하는에코라벨이다. - 16 -
< 그림 15> Oeko-Tex standard 100 인증절차 5.2 국내에코라벨 국내에코라벨은해외에코라벨에대응하기위해만들어졌으나현재는 널리사용되고있지는않은실정이다. < 그림 16> 국내에코라벨 - 17 -
6. 친환경섬유시장동향 Markets and Markets에의해친환경섬유시장관련조사를통해발표된내용으로향후친환경섬유시장에대한전망을살펴본다. 현재까지의친환경섬유시장규모를바탕으로 2020년전세계친환경섬유시장을전망해본결과로는 2020년기준으로미달러기준으로 747억불수준으로예측되고있다. 생산규모로는약 2천2백만톤에해당하는규모로이조사에서는 2015년부터 2020년까지친환경섬유분야의연평균성장률 (CAGR) 을 11.5% 로예측하고있다. 여기에포함된친환경섬유의범주에는면, 마등의유기농식물섬유와합성섬유로는친환경폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌등을포함하며셀룰로오스섬유인재생섬유도이범주에포함시켰다. 친환경섬유중에서는유기농섬유가가장큰성장을이룰것으로예측되며다음으로셀룰로오스재생섬유분야가큰성장을할것으로예측하고있다. 이예측조사는친환경섬유시장을비교적긍정적으로예측한것으로친환경섬유분야의성장성에가장큰영향을미칠수있는인자로일반소비자대중의친환경섬유에대한인지도상승과상대적으로인구수가많은신흥국시장에서의수요증가를뽑고있다. 또한, 생활용및의류용이외에도산업용분야에서도친환경섬유가빠르게성장하고있으며화학산업, 자동차산업, 신재생에너지분야등에서친환경섬유에대한수요가증가하고있는것으로조사되었다. 단지, 현재및가까운미래인 2020년까지도친환경섬유가성장할수있는가장큰애로사항으로제조원가를들었는데친환경에대한인식은정책및홍보를통해일반소비자에게인지도를어느정도높여가고있지만현재수준에서의친환경섬유소재의고비용구조는단기간에해결하기어려운문제로제시되고있다. 섬유의류제품시장에서의주된분야는유기농면, 리사이클 PET, 셀룰로오스재생섬유 ( 라이오셀, 비스코스 ), 재활용면등이다. 친환경섬유의가장큰시장으로는미국시장으로북미시장의 53% 를점유하고있으며두번째로큰시장은인도시장으로인도의경우최종사용자수와생산자에서가장큰규모를차지하며아시아-태평양지역의 35% 를점유하고있다. 세계시장에서친환경섬유분야를선도하고있는업체와제품군을아래표에정리하였다. - 18 -
< 표 5> 친환경섬유생산자현황 시장주도자 국가 품목 Lenzing AG 오스트리아 Tencel Grasim Industries Ltd. 인도 Viscose Teijin 일본 Chemical recycling technology US Fibers 미국 Recycled PET fibers 7. 맺음말 친환경섬유분야는이산화탄소감축에대한전세계적인관심과정책에따라 2000년대들어지속적으로관심과상품화가진전되고있는것도사실이나친환경섬유가갖고있는성장장애요인으로인해당초기대했던것만큼성장이이루어지지않고있는실정이다. 각종조사기관에서의전망은매우희망적이나실제현업종사자들은높은원료가격, 낮은소비자인식, 정부의정책지원부족, 고부가용도개발어려움등으로인해동분야에접근하기쉽지않은것또한, 현실이다. 친환경섬유분야가실질적인성장을이루어내기위해서는생산자, 소비자, 정책입안자등각주체들의동분야에대한지원과노력이병행되어야할것이다. 1 제조원가절감노력 ; 친환경섬유제조원가절감을위한공정개선및다운스트림요구물성충족을위한연구개발 2 소비자인식개선노력 ; 정부, 기업, 민간차원의친환경제품에대한홍보강화 3 정책지원 ; 정책입안을통해일정수준의친환경제품사용의무화, 친환경실천기업에대한지원혜택, 4 고부가가치용도개발 ; 친환경소재를활용기존일반소재대비부가가치높은용도개발, 헬스케어및웰빙텍스타일제품개발, 의류용이외산업용섬유분야로의용도개발 - 19 -
---------------------------------------------------------------------- 오태환교수 영남대학교 - 20 -