자연 분해되는 친환경 생분해성 소재

플라스틱은 인류의 삶을 획기적으로 바꾼 발명품입니다. 이제 플라스틱이 없는 우리 삶은 상상하기 어렵습니다. 하지만 한 번 쓰고 버려지는 플라스틱으로 인해 지구에 대한 걱정과 염려 또한 늘어가고 있습니다. 꼭 필요한 플라스틱을 지구와 인류, 모두에게 이롭게 쓸 수는 없을까요? 지속가능성이 대두되면서 플라스틱에 관한 다양한 대안이 제시되고 있는데요. 그중 하나가 바로 생분해성 소재입니다. 생분해성 소재란 미생물에 의한 작용으로 폴리머 구조를 분해하여 수개월 안에 물과 이산화탄소, 퇴비 등으로 자연 분해되는 친환경 생분해성 플라스틱을 말하는데요.

자연으로 돌아가는 친환경 생분해성 소재에는 어떤 게 있을까요? 2019년 기준으로 생분해성 고분자 소재는 약 20가지 이상이 존재합니다. 하지만 현재 상업적으로 생산되고 있는 소재는 극히 일부입니다.

잘 늘어나고 자연에서 빠르게 분해되는 PBAT

여러 생분해성 소재 중에서 이번에 자세히 소개할 소재는 PBAT입니다. PBAT는 석유를 기반으로 하는 생분해성 플라스틱인데요. PBAT의 가장 큰 특징은 빠른 분해 속도, 유연성, 가공성입니다. 석유 기반의 생분해성 플라스틱이지만 일반 플라스틱과 달리 자연에서 산소, 빛, 효소 등 반응에 의해 6개월 이내 빠른 속도로 분해됩니다. 생분해성 플라스틱 중에서는 비교적 우수한 성질과 활용도를 갖추고 있을 뿐 아니라, 유연성이 떨어지는 PLA와 블렌딩하여 단점을 상쇄할 수 있어 점차 수요가 늘고 있습니다.

PBAT는 연신율*이 600~ 800%에 달할 정도로 유연성이 뛰어나 각종 일회용 봉투, 쇼핑백, 쓰레기 종량제 봉투 등에 사용되는데요. PLA, 전분 등 다른 소재와의 컴파운딩*하여 기존 플라스틱 필름(LD, LLDPE)과 유사한 강도, 인쇄성 및 가공성을 지니게 되어 다양한 용도로 여러 제품에 적용할 수 있습니다.

환경적인 측면에서 PBAT를 살펴보면, 원재료 단계에서 바이오 원료를 사용해 생분해 효과는 물론 제품의 제조 과정에서 발생하는 탄소 배출량을 줄일 수 있습니다. 다만 PBAT를 재생 가능한 자원(renewable source)으로 생산하고 사용하기에는 어려움이 있어 꾸준한 연구가 더 필요합니다.

PBAT는 산업용 퇴비화와 자연 토양에서 생분해도 가능하여 농업용 멀칭 필름에 쓰이는데요. 현재 한 농업 전문업체의 멀칭 필름에도 PBAT가 쓰였다고 합니다. 해당 멀칭 필름의 경우 경작 표면을 덮어주는 멀칭 효과가 뛰어난 것은 물론, 수확 후에도 폐비닐을 걷지 않아도 되어 노동력 절감 효과까지 거둘 수 있습니다. 이 멀칭 필름은 PBAT와 PLA로 만들어져 100% 생분해되기에 햇빛과 토양 속 물, 미생물에 의해 물과 이산화탄소, 부엽토로 100% 분해됩니다.

*연신율: 끊어지지 않고 늘어나는 비율

*컴파운딩 : 플라스틱의 기능과 특성을 위해 두 종 이상의 소재를 혼합하는 작용

다양한 생분해성 소재와의 블랜딩

PBAT 외에 다른 생분해성 소재에는 어떤 게 있을까요? 생분해성 소재라고 하면 먼저, 전분을 혼합해 만든 플라스틱을 생분해성 소재로 꼽을 수 있습니다. 다만 전분 혼합 소재는 물을 견디는 내수성과 강도가 약해 구조적 결함과 저장 안정성에서 한계가 있습니다. 때문에 서로의 물성을 보완하기 위해 다른 생분해성 소재와 블렌딩하여 사용하는 경우가 많은데요.

예를 들어 가장 범용화된 생분해 소재인 PLA(Polylactic acid)는 순수 바이오 기반의 소재로 단단하고 투명합니다. 독성이 없어 녹는 수술용 실이나 임시 치아와 같은 의료용 소재로 많이 사용되는데요. 하지만 유연성과 충격강도가 부족해 다양한 제품에 적용하기엔 한계가 있습니다.

PLA의 쉽게 찢어지는 특성을 보완하기 위하여 현재까지 개발된 방법으로는 가소화, 블록 공중합체, 고무 또는 엘라스토머와 블렌딩 등이 있으며 PBAT와의 블렌딩도 그중 한 방법입니다. PBAT와 PLA가 블렌딩 될 경우 플라스틱 봉투로서 매우 적합한 물성을 가지게 됩니다. 또한 PBAT에 전분 함량을 달리하여 생분해 속도를 조절할 수도 있습니다.

생분해 소재이면서 동시에 바이오 소재인 PBAT

PBAT는 BDO(Butanediol), Ada(Adipic Acid), TPA(Terephthalic Acid)을 블렌딩하여 만듭니다.

여기서 BDO(Butanediol)의 경우, 바이오 기반 공정(사탕수수 발효) 을 통해 생산이 가능합니다. Ada(Adipic Acid) 역시 바이오매스로부터 유래한 글루코스로부터 생산이 가능합니다. 향후 바이오매스로 원재료로 PBAT를 제조할 시, 제조과정에서 생산되는 탄소 배출량이 최소화돼 보다 친환경적인 제품 생산이 가능해집니다.

여기에 생분해 플라스틱인 PLA(Poly Lactic acid)또는 녹말(starch) 및 셀룰로스(Cellulose)를 컴파운딩해 물성을 조절하여 보다 친환경적이면서도 활용도가 높은 다양한 실생활 제품이 제작됩니다.

<PBAT제조 프로세스>

TPA+ BDO + AdA →  PBAT 수지 생산 → PLA, Starch / Cellulose 컴파운딩 →  제품 다양화

생분해성 소재, 연구뿐만 아니라 사용 이후에 대한 관심 필요

PBAT 시장은 2020년 29.6만 톤에서 2025년 112만 톤으로 성장할 것으로 예상됩니다. PBAT를 비롯해 다양한 생분해성 소재에 대한 연구와 개발이 이어지고 있습니다. 생분해성 소재를 상용화하기 위해서는 연구로 인해 기술적 한계를 극복하는 것도 필요하며 또, 사용 이후의 분리수거에 대한 제도적 마련도 필요한데요. 우선 생분해성 플라스틱을 분리수거할 수 있는 체계를 마련해야 합니다. 기존 플라스틱의 종류를 표기하고 분리수거 해왔듯 생분해성 플라스틱도 분리수거가 필요합니다. 소재마다 생분해되는 온도, 습도, 분해되는 속도 등이 천차만별이기 때문입니다. 그다음은 생분해 플라스틱을 제대로 처리할 수 있는 시설을 늘리는 일도 필요합니다. 기술적으로나 제도적으로 이런 부분이 보완된다면 지구의 미래는 더욱 밝을 것입니다.

생분해성 소재의 시장은 많은 관심을 받으며 빠르게 성장하고 있습니다. 생분해성 플라스틱 시장은 2019년 4조 2천억 원의 규모에서 2025년에는 9조 7천억 원으로 연평균 약 15% 성장할 것으로 전망됩니다. 기존 플라스틱을 대체하기 위해서는 시간과 노력이 들더라도 생분해성 소재의 개발이 필요한데요. 이렇게 개발한 생분해성 소재가 상용화되기까지 기업과 정부가 소비자들에게 생분해성 플라스틱에 대해 쉽고 자세하게 알려야 합니다. 물론 소비자들 또한 이에 관심을 갖고 제대로 알아보는 자세가 필요합니다. 이처럼 생분해성 소재를 우리 일상 속에서 만나게 되기까지 우리 모두의 관심과 노력이 필요합니다.

감수: 석유화학연구소.신소재개발.PBAT PJT 오승택 PL