제갈종건한국화학연구원 State and Prospects of Bioplastics Jonggeon Jegal KRICT Abstract: 지구온난화와함께소재시장에서는바이오플라스틱이화두가되었다. 이와함께고분자소재의환경친화성개념은기존의생분해성을넘어 CO 2 발생저감으로발전하였다. 따라서이제전세계적으로물성에한계를지닌생분해성고분자를넘어석유기반고분자를대체할수있는바이오매스기반고분자인바이오플라스틱에대한연구및생산이매우활발하다. 현재다양한종류의바이오플라스틱들이시장에등장하고있으며, 이들의물성또한기존고분자에필적할정도로우수해지고있는설정이며, 이들의미래는매우밝다할수있겠다. Keywords: Biphlastics, needs, definition, technology, market 1. 바이오플라스틱의필요성 1) 지구환경의변화는소재시장의메가트렌드변화를유도하고있다. 특히지구온난화의문제는전세계적인문제이며, 오랜세월동안지구의온도는꾸준히증가해왔음을알수있다. 이러한지구온도의상승은산업발전과함께발생되는이산화탄소양의증가때문인것으로인류는인식하고있다. 따라서지금까지사용되고있는석유기반화학소재를이산화탄소저감형소재인바이오매스기반소재로전환하려는움직임을나타내고있다. 소재시장메가트렌드변화의또다른한요인은유가상승및원유의고갈이다. 지구상에존재하는원유의양은일정하므로, 계속된사용은석유자원의고갈을초래한다. 이러한지구온난화와석유자원의문제를해결하는데가장필요한방법중하나가지속성장자원인바이오매스를활용하는것이다. 저자 (E-mail: jggegal@krict.re.kr) 2. 바이오플라스틱의정의바이오플라스틱이란다음 Figure 1에잘나타난바와같이석유기반고분자중생분해가되는생분해성고분자를포함한바이오매스기반고분자전체를말한다. 기존의바이오폴리머와겹치는부분이있으나기존의바이오폴리머와바이오플라스틱에는큰차이가있다. 기존의바이오폴리머는생분해성에초점이맞추어져있어생분해성고분자전체를바이오폴리머라고하였으나, 바이오플라스틱은바이오매스기반고분자전체를의미하므로여기에는생분해성이아닌고분자들이다수포함되어있다. 따라서바이오플라스틱이되기위한대전제조건은바이오매스로부터제조된고분자이어야만하는것이다. 이러한고분자에는매우다양한종류가있으며그분류는 Figure 2와같다. 바이오플라스틱에는크게다섯부류가있다. 그첫번째는천연에서만들어진고분자, 즉천연고분자를의미하며여기에는 Polysaccharide, Lignocellulose, Gum, Natural Rubber 등다양한종류가 KIC News, Volume 15, No. 4, 2012 21
Figure 1. 바이오플라스틱의정의. Figure 2. 바이오플라스틱의계통도. 있다. 두번째로는미생물을이용하여제조되는고분자를들수있으며이들은주로생분해성특징을지니고있다. 여기에대표적인고분자로 PHA 계고분자를들수있다. 세번째로는바이오매스에서제조되는슈가를이용하여발효과정을거쳐제조된단량체를중합하여제조되는고분자로바 이오플라스틱의대표격이다. 여기에는현재 PLA 가가장유명한고분자로자리매김하고있다. 네번째로는세번째고분자와유사한경우이나사용되는단량체중하나는석유기반에서온것이다. 즉바이오매스기반단량체와석유기반단량체를서로중합하여제조되는고분자로여기에 22 공업화학전망, 제 15 권제 4 호, 2012
Figure 3. 바이오기반고분자들의발전단계. 자료 : Techno-economic Feasibility of Large Scale Production of Bio-based Polymer in Europe December 2005, European Commission Joint Research Center 는 PTT, PBS, PBAT 등을들수있다. 마지막으로는석유기반생분해성고분자를들수있으며, PCL이대표적인고분자이다. 3. 바이오플라스틱제조기술바이오플라스틱은산업바이오화학기술에의해서제조될수있다. 바이오매스로부터전처리, 당화과정을거쳐당을제조하고, 이를미생물에먹여산업적으로유용한고분자의단량체를제조하게하고, 이를다시중합하여바이오플라스틱을생산할수있다. 현재시장에서제일대표적인바이오플라스틱인젖산고분자 (Polylactic acid) 가이러한산업바이오화학기술에의해서제조되었다. 식물성오일을이용하여제조되는코팅제나폴리우레탄의제조에서는이러한모든과정을거치지않으나, 나머지대부분의바이오플라스틱은이러한과정을거쳐제조되어진다. 따라서산업바이오화학기술의개발이바이오플라스틱의성장발전에매우중요함을알수있다. Figure 3은지금까지바이오플라스틱의성장발 전상태를나타내고있으며, 산업적으로유용한바이오플라스틱들의발전단계를나타내고있다. 여기에서보면전분과같은천연고분자는이미오래전부터상용화되어있는상태이며, PLA의경우최근에상용화되어현재많은관심을끌고있는바이오플라스틱이다. 이외에도바이오나일론이기존의 PLA의단점을보완할수있어많은연구발전이이루어져있는상태이다. 4. 국내 외시장동향 4.1. 미국, 유럽 Figure 4는 2007년부터 2011년까지미국과유럽의바이오플라스틱의연도별생산량과추이를나타내고있으며성장속도가상당히빠른상태이다. 바이오플라스틱제조에사용될수있는바이오매스는매우다양한종류의식물들이있으며, 2007년현재가장많이사용되는원료는옥수수이고, soy protein을제외한나머지원료들은아직그다지많이사용되지못하고있다. 플라스틱가공기술별바이오플라스틱의생산량현황을보면 Blown Fim이가장많고압출과열적성형가공용 KIC News, Volume 15, No. 4, 2012 23
Figure 4. 연도별바이오플라스틱미국생산량자료 : Bioplastics Market Trends and U.S.&E.U. Outlook October 2007, Published by 2007 Fuji-Keizai U.S.A. Inc. 141 E 55th St. Suite 3F, New York, NY 10022 이그다음이다. 현재미국의경우바이오플라스틱의가장큰활용도는포장재이며생산량이약 4억파운드이상이고, 그다음으로는일회용품생산용이며생산량은약 1억 5천만파운드정도이며, 그다음으로는섬유 의료용순으로생산되고있으며고강도를요구하는스포츠용품제조용으로도상당량생산되고있다 4.2. 아시아지역 Figure 5에아시아지역의바이오플라스틱국가별수요가잘나타나있다. 여기에서보는바와같이아시아지역의맹주는역시일본이며전체수요의 53% 를차지하고있다. 다음으로는중국이 26% 이고우리나라는 7% 에그치고있음을알수있다. 아시아지역의총수요량은 58,000 metric ton 정도이며이는아직유럽과미국에비하여상당히작은수준임을알수있다. 4.3. 국내시장동향바이오플라스틱의국내시장은아직매우빈약한상태인데, 주로생분해성고분자를중심으로시장이형성되어있으며, 특히전분계와셀룰로오즈계등천연고분자와알리파틱폴리에스터등을중심으로이루어져있음을알수있다. Figure 5. 아시아지역국가별수요 (2008) ( 총수요량 : 58,000 metric ton). 최근에들어서는세계시장의변화와함께국내시장에도 PLA를중심으로한바이오플라스틱의시장이형성되고있으며관련업체에서제품생산을위한연구개발을진행하고있는데, Table 1은현재국내회사에서생산되고있는상품들과이들의특징을나타내고있다. 위에서보다시피아직국내시장은전분계고분자나폴리사카라이드계고분자를알리파틱폴리에스터와블렌딩하여제조된생분해성혹은생붕괴성고분자들시장이주를이루고있음을알수있다. 24 공업화학전망, 제 15 권제 4 호, 2012
Table 1. 국내의생분해성플라스틱 / 고분자산업현황 회사명 상품 특 징 SK Chemicals SKY GREEN Aliphatic polyester and / or its starch blend 새한 Industries ESLON GREEN Aliphatic polyester and / or its starch blend SK GREENPOL Polycaprolactone/plasticized starch blend 대상 BIONYL Modified starch containing aliphatic polyester 이레화학 EnPol Aliphatic polyester 4. 전망 참고문헌 바이오플라스틱의개발은아직초기단계이다. 하지만현재다양한종류의산업적활용성이우수한바이오플라스틱들이개발, 상용화되고있다. 현재까지는초기단계여서제조된바이오플라스틱들의물성이기존석유기반플라스틱소재들에비하여낮은것이사실이었다. 따라서활용성면에서많은제한이있었던것또한사실이었다. 하지만이제는고부가가치화할수있는, 물성이우수한바이오플라스틱들의개발이많이진행되고있고이들중일부상용화된제품들도있다. 대표적인것으로는바이오-PTT와바이오-PC, 그리고스테레오콤플렉스 PLA를들수있으며이들의물성은아주우수하여기존의제품과필적할만하다. 현재는이러한우수한물성을지닌소재들을경제성이있는방법으로제조하는기술들이집중적으로연구되고있는상태이며, 바이오와화학기술의접목으로많은우수한기술들이개발되고있다. 따라서멀지않은미래에경제성과산업성, 그리고활용성이우수한바이오플라스틱소재들이시장에많이등장할것으로예측된다. 1. Industry Study 2548, World Bioplastics, Copy right : 2009 by the Freedonia Group, Inc. 2. Biodegradable Polymers, A Global Startegic Business Report, Sept. 2006, Published by Global Industry Analysts, Inc. 3. Bioplastics Market Trends and U.S. & E.U. Outlook October 2007, Published by 2007 Fuji-Keizai U.S.A. Inc. 141 E 55th St. Suite 3F, New York, NY 10022. 제갈종건 1983 경북대화학과 ( 학사 ) 1985 KAIST 화학과 ( 석사 ) 1992 Univ. of Massachusetts, Lowell 화학과 ( 박사 ) 현재 한국화학연구원 바이오화학실용화센터장 KIC News, Volume 15, No. 4, 2012 25