PLA소재는 플라스틱(옥수수에서 추출하는 플라스틱)
생분해 플라스틱은 재활용이 어렵다.
생분해 플라스틱은 기존 플라스틱 분류 체계에서 기타(other)로 분류돼 종량제봉투에 넣어 버려야 하는데, 이렇게 버려지는 쓰레기의 52%가 소각된다.
현재 사용되는 생분해 플라스틱이 친환경 소재인지에 대한 의문이 제기되기도 한다. 생분해 플라스틱이 자연 분해되어도 그 자체로 쓰레기인 것은 마찬가지이기 때문. 폐기물이 되는 순간, 자연에 부담을 주는 것은 변치 않는 사실이다.
마법 같던 생분해 플라스틱의 감춰진 진실
일부 기업은 마치 생분해 플라스틱은 제한 없이 마음껏 사용해도 되는 것처럼 과장 홍보하기도 했다
생분해 플라스틱은 미생물에 의해 수개월 내지 수년 이내에 완전히 분해되는 플라스틱을 말한다. 썩지 않는 일반 석유계 플라스틱과 달리, 버렸을 때 흙이나 물에 있는 미생물에 의해 분해돼, 물과 이산화탄소로 변환된다.
플라스틱의 간편함을 유지하면서도, 버렸을 때 자연스레 분해돼 사라진다니! 일회용품을 쓰면서 찜찜했던 마음을 개운하게 씻어주는 소식이 아닐 수 없었다. 이미 일회용 플라스틱의 편리함에 길든 사람들은 일반 플라스틱을 생분해 플라스틱으로 교체만 하면 된다는 희망에 젖었고, 생분해 플라스틱을 곳곳에 도입하기 시작했다.
그 결과, 생분해 플라스틱은 수지 원료부터 티백, 빨대, 비닐봉지, 칫솔, 마스크 등 일상에서 쉽게 접하는 물건으로까지 다양하게 적용, 생산되고 있다. 환경부에 따르면 2020년 9월 말 기준으로 생분해성 수지 인증을 받은 제품은 1,410개(생분해성 수지 원료 73개, 식품용기 및 기구 692개, 생분해성 봉투 539개, 농업용 필름 25개, 기타 81개)에 이른다.
*바이오 플라스틱의 세계 시장 규모는 2020년 104억 6,200만 달러에서 연평균 21.7%로 급격히 성장해 2025년에는 279억 690만 달러에 달할 것으로 전망되며, 우리나라의 시장 규모는 2025년 2억 9,430만 달러로 성장할 것으로 예상된다.(과학기술정보협의회(ASTI), 마켓 인사이트, 2021)
*바이오 플라스틱: 석유 대신 식물이나 다른 생물학적 물질로 만들어진 바이오 기반 플라스틱과 미생물에 의해 완전히 분해되는 생분해 플라스틱을 포함하는 개념.
생분해의 어두운 진실
하지만 생분해 플라스틱이 많은 이들의 기대처럼 친환경이 되려면 더 검증하고, 다듬어야 할 것들이 많다. 특히 생분해 플라스틱에 맞는 제도와 환경이 갖추어지지 않았다.
현재 우리나라에서는 생분해 플라스틱이 본래의 목적대로 분해될 수가 없다. 생분해 플라스틱은 기존 플라스틱 분류 체계에서 기타(other)로 분류돼 종량제봉투에 넣어 버려야 하는데, 이렇게 버려지는 쓰레기의 52%가 소각된다.(전국 폐기물 발생 및 처리 현황(환경부), 2017) 게다가 정부는 쓰레기를 처리하는 방법으로 매립보다 소각을 늘려나갈 계획이다. 매립돼야만 분해되는 생분해 플라스틱이 다른 폐기물처럼 타서 사라지고 있는 것이다.
어쩌다 매립된다고 해도 생분해 플라스틱을 그냥 자연 상태의 흙에 묻으면 분해되지 않는다. 현재까지 개발, 상용화된 생분해 플라스틱의 대부분은 일정 조건에서만 자연 분해된다. 따라서 생분해 플라스틱이 분해될 수 있는 매립 시설이 갖춰져야만 하는 것이다.
이처럼 생분해 플라스틱이 제 역할을 할 수 없는 상황에서 그 수량이 늘면 오히려 분리수거를 방해한다는 우려도 생겼다. 생분해 플라스틱과 일반 플라스틱은 외관상 구분이 어려워 두 종류의 플라스틱이 섞여 배출될 가능성이 크기 때문. 만약 두 플라스틱이 마구 섞여 배출된다면 플라스틱 재활용 자체가 불가능해질 수 있다. 플라스틱 쓰레기를 줄이려다 오히려 플라스틱 재활용까지 막는 셈이다.
생분해 플라스틱 제품은 친환경일까?
"친환경의 사전적 정의는 '환경에 해를 끼치지 않음'이다. 생분해 플라스틱 제품은 친환경일까?"
녹색연합은 기존 화석연료로 생산되는 플라스틱의 대체재로 바이오 플라스틱의 사용량이 증가하고 있지만 바이오 플라스틱 중 사용 비율이 높은 생분해 플라스틱은 재활용이 어렵고, 실제 생분해 조건에서 처리되지 않는다며 대책을 마련할 것을 촉구하고 있다.
생분해 플라스틱 제품의 사용과 처리현황, 일회용품 사용을 권장하는 제도의 문제, 향후 개선해야 한다는 내용이 담겨있다
생분해성 플라스틱이 분해되는 과정
- 일반 플라스틱의 경우 분해가 어려운 이유 : 일반 플라스틱은 분자량이 큰 고분자이기 때문이며, 분해되기 위해서는 분자들이 엮인 사슬이 절단되어 분자량이 작아져야 하는데, 고분자일수록 결합 사슬을 끊기 위해 많은 에너지가 필요(즉, 자연적으로 끊기가 어려움)
- 생분해성 플라스틱 원리 : 미생물이 분비한 효소가 플라스틱을 저분자로 만들면 미생물이 분자를 흡수하고 소화시켜 분해 >> 단계 : 열화 → 생물절단 → 동화작용 →광화작용
- 대표적인 생분해성 플라스틱 : PLA(Poly Lactic Acid, 폴리유산), PBS(Poly Butylene Succinate, 폴리부틸렌 숙시네이트), PBAT(Poly Butyrate Adipate Terephthalate, 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트) 등
생분해성 플라스틱의 정의
생분해성 플라스틱(Biodegadable Plastics)이라함은 “자연계에 있어서 미생물이 관여해서 저분자화합물로 분해된 플라스틱(고분자화합물 및 그 배합물)”이라고 표현할 수 있다. 이 표현에서 “분해”라고 하는 말은 고분자화합물의 화학결 합이 일부 절단되거나, 물리적 변화에 제품이 원래 형상을 소실하는 것으로서, 변화 후에도 대부분이 분자량이 큰 화합물로서 남아 있다고 하는 경우에는 분해되었다고 말할 수는 없을 것이다. 단순히 전분을 배합한 플라스틱, 즉 Starch-Filled Plastics(SFP) 등이 충분한 자료도 없이 “분해성” 혹은 “생분해성”이라 불리며 시중에 판매되고 있어 사회적으로도 혼란을 불러 일으키고 있다. 이것은 예컨대 “환경내 붕괴성”재료로 부르든지 하여 분해성 재료와는 구별되어야 할 것이다.
생분해성 플라스틱의 필요성
사실 물질적으로 풍부하고 편리한 오늘날의 우리들 생활은 자원과 에너지를 대량으로 소비함과 동시에 많은 양의 폐기 물을 배출함으로써 지구 환경에까지 악영향을 미치고 있다. 페기물 중에서도 플라스틱은 땅에 매립해도 썩지 않고, 태워도 고열이나 유해가스를 발생하기 때문에 적정한 처리가 어려우며, 특히 해양 등에 버려진 플라스틱은 야생생물에도 심각 한 위해를 주고 있다. 폐플라스틱 문제를 해결하기 위해서는 라이프 스타일의 변화나 리사이클의 추진, 소각, 매립 등 처리기술의 개량도 활발하게 하고 있지만, 소재면에서도 환경에 대한 부담을 줄이기 위하여 사용 후의 처리가 쉬운 소재의 개발이 진행되고 있는 것이다. 강도를 크게 하면서 사용량을 적게 한 포장 필름, 무기물을 첨가해서 연소시의 발열량을 억제하는 트레이나 쓰레기 봉투가 그 예가 되겠다.
최근 폐기 한 후에 미생물로 분해되는 생분해성 플라스틱도 이러한 의미에서 주목받고 있는 것이다. 생분해성 플라스틱은 새로운 기능이 중요시되는 위생용품(치솔,생리용품 등 쓰고 버리는 것), 소비자에 대한 이미지가 중요한 일용잡화(쓰레기 봉투, 일회용 장갑, 화장품 용기, 문방구, 완구, 완충재료), 취미요소가 다분한 원예용품(육묘 포트, 묘목 테이블, 네트 등), 생활외부용품(이쑤시개, 낚시바늘, 골프티 등), 농림업자재(멀티필름, 보수재료 등) 등 코스트 흡수력이 있는 용도에 사용될 수 있다.
생분해성 플라스틱의 종류와 제조방법
생분해성 플라스틱에는 미생물 분해성과 동시에, 종래의 플라스틱에 못지 않는 물리적 성질과 가공성이 요구된다. 때문에 우수한 성질과 미생물 분해성이라고 하는 두가지 모두를 구비한 플라스틱을 찾아 세계 각국에서 활발한 연구를 하고 있는 것이다. 생분해성 플라스틱의 종류는 고분자의 합성방법과는 다른데, 현재 연구의 대상이 되고 있는 생분해성 플라스틱은 화학합성형, 광합성(식물생산)형 및 미생물 합성형의 3종류로 나누어지고, 이들 형태를 조합시켜 경제성이나 물리화학적 특성을 개선한 복합형 플라스틱도 개발되고 있다. 한편, 원료면에서 생분해성 플라스틱은 석유화합계 화합물과 광합성 생산물 2가지로 나누어지는데, 전자는 고갈이 예측되는 화석자원인데 비하여 후자는 대기중의 이산화탄소를 고정시킬 수 있는 재생가능 자원이다. 후자에는 광합성 생산물에 의존하는 미생물이나 동물 등 유래생물의 생산물을 포함한다.
생분해성 플라스틱의 제조개발 방법
(1) 미생물이 가진 고분자화합물 생합성의 기능을 이용하여 만드는 고분자(미생물 합성형)
- PHB(Poly-hydroxy Butylic acid) 및 그 유도체
(2) 천연에 존재하는 식물이나 동물로 만드는 천연고분자화합물의 이용(광합성, 식물성, 산형)
- 전분성형물
(3) 생분해를 받기 쉬운 고분자화합물을 화학합성으로 만드는 고분자(화학합성형)
- 지방족 폴리에스테르(PLA, PCL 등)
(4) 이상의 재료나 무기물을 조합시켜 배합기술에 의하여 성능을 향상시키는 복합형
- 전분/PCL배합체, PHB/PCL배합체 등)
PLA란?
PLA(Poly Lactic Acid, 폴리유산)는 유산이라고 하는 생체내 등에 존재하는 저분자량 화합물(모노머)의 중합체이지만 천연에는 존재하지 않는다. PLA는 일반적으로 물에 의하여 가수분해되어 저분자화한 후 미생물에 의하여 분해된다고 알려져 있다. 미국의 Cargill 사에서 PLA 원료(NatureWorks PLA)를 개발 공급하고 있다.
NatureWorks PLA
NatureWorks PLA로 만든 포장용기는 100% 천연 곡물이므로 산업 퇴비 시설에서 분해가 잘 됩니다. NatureWorks PLA를 생산하는 기슬은 본질적으로 광합성 단계에서 공기로부터 흡수하여 곡물의 녹말로 저장합니다. 이것은 녹말을 분해하여 자연 식물 이당으로 바꿈으로써 행하여 집니다. 이러한 자연의 당에 있는 탄소와 다른 요소들은 간단한 공정인 발효작용과 분리와 중합을 시킴으로써 폴리머 구조를 만드는데 사용이 되며 이것을 바로 PLA라고 부릅니다. NatureWorks PLA는 매년 재생되는 자원에서 추출하기 때문에 석유에서 뽑아낸 석유화학 플라스틱과 비교하여 약 50 ~ 70% 적은 화석 연료만 사용합니다. NatureWorks PLA는 지구의 탄소를 재생 이용하기 때문에 대기 중 CO²를 감소시킵니다. 이 공급원료인 작물을 심을 때에 대기로부터 이산화탄소를 없애주며 NatureWorks PLA가 분해되면 다시 지구로 환원이 됩니다
PLA 제조방법
녹수와 같은 재생자원을 제분하여서 원재료로부터 녹말을 분리합니다. 그리고 정제되지 않은 포도당이 전분으로부터 가공되어 집니다. 미래의 기술 발전은 제분 과정을 없애고 그보다 훨씬 다양한 농업 부산물의 이용을 가능케 할 것입니 다. NatureWorks는 맥주나 포도 생산자들이 사용하는 것과 비슷한 발효 가공을 적용하여 포도당을 유산(lactic acid)로 만듭니다. 이것은 음식 첨가제에 사용되고 인간의 섬유 조직에 있는 것과 동일한 유산입니다. 특별한 응축과정을 통하 여 Lactide라고 하는 중간 생성물,환식 화합물인 다이머(2량 2합체)로 됩니다. NatureWorks PLA는 사용 후 폐기할 수 있는 시스템에 적합하고 적당한 조건에서 퇴비로 전환되며 NatureWorks PLA로 만든 제품은 모노머와 폴리머로 환원됩니다. 그러므로 PLA의 라이프사이클상 말기에 NatureWorks PLA로 만든 제품은 가장 간단한 구조로 분해되어 최종적으로는 아무런 흔적도 남기지 않습니다. Cargill사는 자연식물의 당(포도당)을 Polylactide Polymer(PLA)로 생산할 수 있는 독점적이고 유일한 기술을 갖고 있습니다
SKC의 생분해(PLA) 필름
생분해(PLA, Polylactic Acid) 필름은 옥수수, 사탕수수, 카사바 등 천연 식물에서 얻어지는 전분(Starch)을 원료로 만들어집니다. 특수 처리한 전분에서 나오는 젖산(Lactic Acid)을 고분자화하여 생분해성 레진을 만들고, 여기에 ‘이축연신 기술’을 적용하여 PLA 필름을 완성합니다.
* 이축연신 기술: 유연성과 강도가 뛰어나고 인쇄에도 효과적인 필름 제조 방식
이렇게 완성한 PLA 필름은 사용 후 매립하면 단기간에 100% 생분해돼 흙으로 되돌아갑니다. 기술 이야기가 들어가다 보니 어렵게 설명했지만, 쉽게 말해 천연 식물에서 얻을 수 있는 전분을 이용해 생분해할 수 있는 PLA 필름을 만든다는 것이죠.
PLA 필름이 흙으로 돌아가기까지
생분해는 어떤 물질이 미생물에 의해 물과 이산화탄소 그리고 토양 영양분으로 분해되는 것을 의미합니다. 이 지구상에는 다양한 미생물이 존재하기에, 화학물질로 만들어진 플라스틱도 생분해할 수 있는 미생물이 있을 수 있겠지요. 하지만 우리가 흔히 사용하는 화학 플라스틱에는 생분해가 진행되는 미생물이 거의 없고, 혹 있더라도 미생물의 분해 속도가 매우 느립니다. 플라스틱이 분해되는 데 수백 년이 걸리거나 그 이상의 시간이 필요하다는 것도 이 같은 사실 때문입니다!
반면 옥수수 추출 성분으로 만든 SKC의 PLA 필름은 바이오매스* 함량이 높은데요. 미생물이 활발하게 증식하고 활동할 수 있는 퇴비화 조건(고온, 고습)을 갖춘 땅에 SKC의 PLA 필름을 묻으면 100일 이내에 빠르게 생분해됩니다.
* 바이오매스 : 특정한 어떤 시점에서 특정한 공간 안에 존재하는 생물의 양.
일반 필름과 PLA 필름의 차이는?
화학물질로 만들어진 플라스틱 필름은 인간의 삶의 질을 높이기 위해 저렴한 비용 대비 다양한 기능을 갖추고 있습니다. 하지만 이 플라스틱은 환경오염과 함께 자연 생태계를 파괴하는 원인이 됩니다. 또 물과 자외선에 의해 아주 미세한 ‘마이크로 플라스틱’으로 변화해 우리 건강을 위협하는 요소가 될 수도 있습니다. 반면 PLA 필름은 자연적으로 분해되므로 이러한 폐플라스틱의 문제도 해결할 수 있습니다.
그리고 화학물질은 대부분 석유 추출물을 원료로 하고 있어 제조 및 처리 과정에서 다량의 탄소를 배출합니다. 이러한 탄소 배출은 지구 온실 효과를 심화하여 기후변화에 따른 인류의 생존을 위협하는데요. PLA 필름은 다량의 탄소를 흡수한 천연 식물을 원료로 해 제조와 처리 과정에서 배출되는 탄소 발생량이 화학 플라스틱 대비 70% 이상 적습니다.
친환경 포장재로 쓰이는 PLA 필름
생분해 필름은 우리가 쉽게 접하는 포장 소재에 광범위하게 적용됩니다. 그러나 생분해 필름은 화학 플라스틱 대비 가격이 높고, 기존의 포장재 제조 공정도 바꿔야 하므로 공급 확대에 한계가 있습니다. 그럼에도 불구하고 친환경 이슈와 기업의 사회적 가치가 확대됨에 따라 PLA 필름은 신선식품을 시작으로 점차 다양한 식품의 포장재로 쓰이는 추세입니다.
최근엔 빨대, 식기류, 정기 간행물 등 비식품 포장재로도 PLA 필름이 적용되고 있습니다. 종이를 코팅하던 화학물질을 대체해 종이에 PLA 필름을 합지시켜 쇼핑백, 포장 박스, 트레이 등에 활용하는 것인데요. 앞으로는 스낵이나 라면 같은 장기 보관 식품의 포장재와 다양한 카드(신용카드, ID카드)에도 PLA 필름을 적용할 예정입니다.
가장 널리 쓰이는 생분해 플라스틱, PLA(Poly Lactic Acid)
바이오매스 기반의 생분해성 고분자 PLA(Poly Lactic Acid)
가장 널리 쓰생분해성 고분자는 일정 조건에서 분해되면 물, 이산화탄소, 질소 및 바이오매스(biomass)로 완전히 전환됩니다.
이 전환은 빛, 열, 습도와 같은 환경적 요인과 곰팡이, 박테리아 등과 같은 미생물의 작용에 의해 발생합니다. 생분해성 고분자는 주로 에스테르(ester) 및 아마이드(amide), 에테르(ether) 구조를 가지고 있으며 석유 기반의 원료뿐만 아니라 바이오매스 기반의 원료로 중합할 수 있습니다. 그 중 대표적으로 바이오매스 기반의 생분해성 고분자가 바로 PLA(Poly Lactic Acid) 입니다.
PLA는 옥수수에서 추출한 글루코스(포도당)를 발효 및 정제해 가공한 젖산(Lactic Acid)을 원료로 만드는 대표적인 플라스틱입니다. 바이오 원료로 생산되기 때문에 일정 조건에서 미생물에 의한 작용으로 수개월 내 물과 이산화탄소 등으로 자연 분해되는 친환경 생분해성 소재입니다.
하지만 일반적인 비분해성 고분자와는 달리 생분해성 고분자는 상대적으로 비싼 제조 비용과 사용 전 분해로 인한 물성 저하 등의 약점이 있습니다. 따라서 비분해성 고분자를 완전히 대체하기 위해서는 다양한 방법으로 기본 물성 및 내구성 향상을 위한 연구가 필요합니다. PLA는 이러한 문제를 해결할 수 있는 생분해성 고분자 중 하나로 PHA, PCL, PBAT에 비해 저렴한 가격 및 높은 인장강도와 우수한 투명성 등의 장점을 가지고 있습니다.
PLA의 기본 특성
스틱, PLA(Poly Lactic A가장 널리 쓰이는 생분해 소재인 PLA는 순수 바이오 기반의 소재로 단단하고 내화학성이 높습니다. 탄소 중립적 관점에서 PLA는 생산의 전 과정(Life-cycle assessment) 중 원료부터 생산까지의 과정에서 온실가스 배출량이 비분해성 고분자에 비해 매우 낮습니다. 강성이 높지만 잘 부러지기 쉬운 물성으로 유연성이 높은 PBAT 등 다른 폴리머와 컴파운딩하여 다양한 제품에 쓰입니다.cid)
PLA는 옥수수, 사탕수수에서 추출한 포도당을 발효해 만든 젖산을 원료로 삼습니다. 젖산을 고리 모양의 락티드(Lactide)로 변환시킨 뒤 고분자 중합과정으로 PLA를 제조하는데요. 용융온도(melting temperature, Tm) 및 결정화도, 결정화 속도와 같은 PLA의 기본 특성은 분자량과 락티드의 입체 화학적 구조 조성 등에 의해 결정됩니다. 즉, 원료의 배합이나 중합 과정에 따라 다양한 PLA를 생산할 수 있습니다.
일반적으로 PLA의 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)는 60℃, 용융온도는 180℃이며 일반적인 비분해성 고분자와 유사한 기계적 물성을 가지고 있습니다. 하지만 PLA의 사슬을 짧은 반복 단위 길이로 인해 반경질(semi-rigid) 특성의 주 사슬과 느린 사슬 이동성을 가지고 있어 결정화 속도가 느립니다. 또한 낮은 용융강도와 열 안정성, 높은 취성 및 흡습성으로 PLA는 가공 및 응용하는 데 제한적입니다. 특히 PLA는 수분에 매우 민감하여 15분 내에 최대 함수율인 250ppm까지 흡수할 수 있으며, 수분이 PLA의 가수분해를 촉진시켜 물성을 감소시키므로 용융 블렌딩 전 100ppm까지 건조해야 합니다.
PLA의 활용 분야
PLA의 주된 활용 분야는 1회용 봉투 및 식기류와 같은 생활소비재와 포장재입니다. 더 많은 분야로 적용하기 위해 PLA의 물성 개선 연구와 다른 고분자와의 블렌딩 및 개질, 첨가제 활용 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 또한 독성이 없어 녹는 수술용 실이나 임시 치아와 같은 의료용 소재로도 사용되며 3D 프린터에 사용되는 재료로도 주목받고 있습니다.
바이오 플라스틱 생산을 확대
최근 국내의 대표적인 화학기업은 옥수수 원료로 한 바이오 플라스틱 상업화를 위해 글로벌 4대 메이저 곡물 가공 기업과 손잡고 합작공장 설립에 나섰습니다. 양사는 2022년 1분기에 합작법인설립 계약 체결을 목표로 2025년 내, 미국 현지에 연산 7만 5000t규모의 PLA 공장을 건설할 계획이라 전했는데요. 한국 기업이 원재료부터 제품까지 통합 생산이 가능한 PLA공장을 짓는 것은 처음 있는 일이라고 합니다. 환경과 사회를 위한 지속가능한 사업으로 변화하려는 이런 움직임이 앞으로도 자주 목격될 것 같습니다.
여기까지 탄소 중립과 지속가능한 순환 경제를 위해 여러 연구가 진행되고 있는 PLA에 소개해드렸습니다. 첨가제나 타 분해성 고분자들과의 용융 블렌딩을 통해 다양한 물성을 구현할 수 있는 PLA는 생분해 플라스틱에서 아주 중요한 기본 소재입니다. 생분해성 고분자 중 상대적으로 저렴한 PLA를 기반으로 여러 바이오매스 기반의 소재들을 개발해 다양한 산업적 분야에 활용할 수 있기를 기대합니다. 국내외 환경 정책 및 규제와 같이 친환경에 대한 사람들의 인식과 가치관의 변화는 생분해성 소재 분야의 활발한 연구와 이를 상용화하려는 노력의 원동력이 될 것입니다.
친환경소재 사용을 간접적으로 장려하는 문구들
