▲ 바이오 플라스틱의 영역.

■ 기술의 개요

■ 기술의 개념 및 원리

1) 바이오 플라스틱의 정의
바이오 플라스틱은 재생 가능한 식물성 기름, 옥수수, 미생물과 같은 바이오매스(biomass) 자원으로부터 재료를 추출하여 제조된 플라스틱이다. 석유화학공정으로 추출된 기존의 플라스틱과는 달리 재생 가능 원료를 사용하여 플라스틱을 제조하는 것이 바이오 플라스틱의 핵심이다. 현재 대부분의 플라스틱은 그 기본 재료가 석유로부터 왔다. 그래서 플라스틱은 사용하기에는 매우 편리하나 지구환경은 오염시키는 물질 중의 하나로 인식되고 있으며, 그 중심에는 이들이 난분해성이고, 생성․소멸과정 중에 CO2를 발생하여 지구온난화를 부추긴다는 사실이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바이오 플라스틱이다. 바이오 플라스틱의 정의는 계속 변화해 왔으며, 최근 바이오 플라스틱은 “석유기반 생분해성 고분자를 포함한 바이오매스 유래 고분자의 총칭”으로 사용되고 있다.

▲ 바이오 플라스틱의 생성․소멸․재활용 과정.

다음의 그림은 바이오 플라스틱의 생성과 소멸, 그리고 재활용 과정을 보여준다.

▲ 바이오 플라스틱의 계통도.

바이오 플라스틱은 바이오매스(biomass)라고 불러지는 식물자원으로부터 생물학적 기술에 의해서 제조된 단량체를 중합하여 제조된 고분자이다. 따라서 바이오 플라스틱은 생분해될 수 있어 매우 환경친화적이다. 또한 이들은 모두 식물자원에서 생성되었으므로 사용 후 폐기되어 분해될 때 기존의 고분자와 같이 이산화탄소를 발생하게 되나 이는 다시 식물의 성장에 사용되므로 잉여 이산화탄소를 발생하지 않게 되어 지구온난화에 영향을 미치지 않는다.

현재 미국․유럽․일본은 바이오 플라스틱의 중요성을 인식하고 많은 연구를 진행하고 있으며, 이들의 중요성은 환경보호뿐만 아니라 시장경쟁력에서도 찾아볼 수 있다. 석유기반 기존의 고분자는 유가상승 및 교토의정서에 따른 2013년 탄소세의 도입으로 제조단가가 올라가는 반면에 바이오 플라스틱은 제조기술의 발달과 함께 제조단가가 감소하며 기존 석유기반 고분자에 비해 시장경쟁력이 강화되고 있는 상황이다.

2) 바이오 플라스틱의 분류

바이오 플라스틱에는 매우 다양한 종류의 고분자가 있으며 크게 다섯 부류가 있다.
① 천연 고분자 : 천연에서 만들어진 고분자로서 Polysaccharide, Lignocellulose, Gum, Natural Rubber 등이 대표적이다.

② 미생물기반 고분자 : 미생물을 이용하여 제조되는 고분자를 들 수 있으며 이들은 주로 생분해성 특징을 지니고 있다. 대표적인 고분자로 PHA계 고분자를 들 수 있다.

③ 바이오매스 기반 단량체 중합으로 제조된 고분자 : 바이오매스에서 제조되는 슈가를 이용하여 발효과정을 거쳐 제조된 단량체를 중합하여 제조되는 고분자로 바이오 플라스틱의 대표 격이다. 여기에는 현재 PLA가 가장 유명한 고분자로 자리 매김하고 있다.

▲ 바이오기반 고분자들의 발전 단계, 자료 : “Techno-economic Feasibility of Large scale production of Bio-based polymer in Europe” December 2005, European Commission Joint research Center.

④ 바이오매스 기반 단량체 + 석유기반 단량체의 중합 고분자 : 바이오매스 기반 단량체와 석유기반 단량체를 서로 중합하여 제조되는 고분자로 여기에는 PTT․PBS․PBAT 등을 들 수 있다.

⑤ 석유기반 생분해성 고분자 : PCL이 대표적인 고분자이다.

3) 바이오 플라스틱 제조 기술

바이오 플라스틱 합성 및 응용 기술의 범위는 단량체 제조기술에서부터, 고분자 제조 기술, 그리고 제조된 고분자를 응용도에 적합한 상태로 변환하기 위한 가공 기술까지이다. 전체 기술 분야에 포함된 요소 기술들을 나열하면 다음과 같다.

● 바이오매스에서 단량체를 제조하기 위한 발효 기술
● 단량체 형태로 변환하는 화학적 변환 기술
● 단량체를 높은 분자량 고분자로 전환하기 위한 고분자 중합 기술
● 고성능, 고기능 고분자 설계, 합성 기술
● 고분자의 정제 및 가공 기술
● 천연 식물성 오일에 적합한 기능성 기를 도입하기 위한 촉매 및 효소 반응 기술
● 기능성 고분자 및 거대 단량체 제조를 위한 효소 중합 기술
● 천연섬유 등의 표면 처리 기술
● 복합재료 제조 및 성형 최적화 기술
● 고분자 물성 측정 기술
● 컴파운딩 기술
● 환경 내구성에 대한 평가 방법 및 향상기술

바이오 플라스틱은 산업 바이오 화학기술에 의해서 제조된다. 바이오매스로부터 전처리, 당화과정을 거쳐 당을 제조한다. 그리고 제조된 당을 미생물에 먹여 산업적으로 유용한 고분자의 단량체를 제조하게 하고, 이를 다시 중합하여 바이오 플라스틱을 생산한다. 현재 대표적인 바이오 플라스틱인 젖산 고분자(polylactic acid)는 이러한 산업 바이오 화학기술에 의해서 제조되었다. 식물성 오일을 이용하여 제조되는 코팅제나 폴리우레탄의 제조에서는 이러한 모든 과정을 거치지 않으나, 나머지 대부분의 바이오 플라스틱은 이러한 과정을 거쳐 제조된다. 따라서 산업 바이오 화학기술의 개발이 바이오 플라스틱의 성장 발전에 매우 중요함을 알 수 있다.

다음 그림은 산업적으로 유용한 바이오 플라스틱들의 발전 단계를 보여준다. 여기에서 보면 전분과 같은 천연 고분자는 이미 오래전부터 상용화되어 있는 상태이며, PLA의 경우 최근에 상용화되어 현재 많은 관심을 끌고 있는 바이오 플라스틱이다. 이외에도 바이오 나일론이 기존의 PLA의 단점을 보완 할 수 있어 많은 연구가 이루어져 있는 상태이다.

▲ PHA의 화학적 구조식.

다양한 종류의 바이오 플라스틱 중 천연 고분자를 제외한 합성에 의해서 제조되는 대표적인 고분자들에 대한 기술적 내용을 정리하면 다음과 같다.

① 미생물 생산 폴리에스테르계 바이오 플라스틱

많은 종류의 미생물들은 세포 내 저장물질로 폴리히드록시알카노네이트(PHA)를 생산하여 체내에 보관한다. PHA는 폴리프로피오네이트를 주사슬로 하고 3위치에 치환기를 함유한 구조를 가지는데, 단량체의 R기가 메틸인 폴리(3-히드록시 부티레이트)(P(3HB))를 주성분으로 하여 다음의 표에 표시한 바와 같이 다양한 종류의 R기를 함유한 PHA가 미생물로부터 합성되어진다.

▲ PHA 유도체 종류.

▲ 다양한 미생물로부터 합성되는 PHA.

다양한 PHA 들은 제조 조건 변화에 의해서 제조될 수 있으며, 사용되어지는 미생물과 탄소원에 따라 제조되는 PHA는 다음의 표와 같다.

▲ PLA 제조방법.

② 폴리글리콜릭산(Polyglycolic acid, PGA)

폴리글리콜산(PGA)은 고융점(224~240°C), 고결정성 고분자로서 열분해 개시온도가 비교적 낮아서(300°C) 열분해 및 가수분해가 용이하다. PGA합성을 위한 방법에는 다음과 같이 4가지로 구분될 수 있다.

1) 그리콜산의 축합, 2) 글리코라이드의 개환중합, 3) 할로겐 아세테이트의 고상 축합, 4) 일산화탄소와 포름알데하이드의 산성 촉매 하에서 반응된다.

리콜산을 상압에서 175~185°C로 가열하여 150mmHg에서 2시간 수분 제거, 저분자량 PGA 형성을 통한 그리콜산의 축합에 의한 PGA 합성 방법은 가장 간단하지만, 저분자량의 PGA를 생성하기 때문에 효과적이지 않다. 가장 보편적인 방법은 글리코라이드를 개환중합하는 방법이다. 글리코라이드의 개환중합은 FDA 승인 촉매인 stannous octoate 사용한다. 글리코라이드에 촉매 투입 후 질소분위기에서 195°C약 2시간 반응 후 230°C에서 약 30분 가열, 냉각 후 고분자량의 PGA를 회수할 수 있다.

③ 폴리락트 산(PLA)

락트산(lactic acid) 생산 단계는 바이오매스로부터 전분을 추출하고, 그 전분을 효소 작용이나 가수분해하여 당(sugar)으로 전환하고, 당액(sugar liquor)을 유산균으로 발효시키고, 산소 제한(율속) 조건에서 lactate dehydrogenase 효소에 의해 pyruvate로부터 L-락트산을 얻는다. 제조된 락트산으로부터 Polylactic acid를 제조하는 방법에는 Lactic acid를 직접 중합하는 방법과 Lactate를 거쳐 개환중합법으로 중합하는 두 가지 방법이 있다. 높은 분자량의 고분자를 제조하는 데는 개환반응이 유리하다. 현재까지 제조된 PLA의 물성은 다음의 표에 나타난 바와 같다.

▲ 물리적 성질 및 기계적 강도.

▲ 바이오 기술에 의한 1,3-Propane diol 생산과 PTT 제조 방법.

④ Poly(trimethylene terephthalate)(PTT)를 포함한 폴리에스터계 고분자

Poly(trimethylene terephthalate)(PTT)는 직선성의 방향족 폴리에스테르로, 트리메틸렌글리콜(1,3-propanediol)과 테레프탈산의 축중합으로 생성되어진다. 두 모노머는 모두 석유화학을 원료로 하는 유도체지만 근래에 들어 Dupont과 Genecor사 등은 옥수수 전분의 글루코오스를 원료로 하는 호기성 생화학 공정으로 트리메틸렌클리콜을 만드는데 성공하여 바이오계 모노머로부터 PTT의 원재료를 생산하는 길을 개척하였다. 제조 방법은 다음 그림과 같다. DuPont이 개발한 생화학적 공정은 습식으로 빻은 옥수수로부터 얻은 덱스트로스를 유전자조작 E. coli로 신진대사 시키고, 이를 미생물의 호기성 호흡 작용으로 직접 트리메틸렌글리콜로 전환시킨다. 이를 통해 얻어진 트리메틸렌글리콜은 축중합시켜 PTT를 생산한다. 이렇게 제조된 여러 폴리에스터계 바이오 플라스틱의 물성들은 다음 표와 같으며 석유기반 고분자의 물성과 비교할 때 경쟁력이 뛰어남을 알 수 있다.

▲ 기타 폴리에스터계 바이오 플라스틱의 물성.

▲ Fatty acid로부터 Polyol 제조.

⑤ 폴리페놀계 바이오 플라스틱

자연계에 존재하는 리그닌(lignin)․멜라닌(melanin)과 같은 페놀계 고분자들은 페록시다제(peroxidase․옥시다제(oxidase)․옥시제나제(oxygenase)와 같은 효소에 의하여 페놀의 산화중합반응에 의해서 제조된다. 페록시다제(peroxidase)를 촉매로 활용한 페놀류의 산화중합은 대부분 유기용매 수용액을 반응매질로 사용하고 있다. 페록시다제(peroxidase) 촉매에 의한 페놀류의 중합은 자유라디칼 메커니즘으로 진행되기 때문에 구조제어가 쉽지 않다. 페놀의 중합에서는 메탄올과 포스페이트 완충 용액과의 용매조성(혼합비)을 변화시킴으로써 일정범위(페닐렌 단위 40~70%)에서 구조제어가 가능하다. 페록시다제(peroxidase)를 촉매로 사용하는 중합에서는 산화제로서 과산화수소가 필요하지만 락타제(lactase)를 사용할 경우에는 공기 중의 산소가 산화제로 작용하기 때문에 공기의 유입 이외의 산화제를 필요로 하지 않는 장점이 있다. 중합거동은 페록시다제(peroxidase)를 촉매로 사용하는 경우와 매우 유사하며 용매조성에 의한 구조의 정밀제어도 가능하다고 보고되었다.

⑥ 폴리카보네이트

환형 카보네이트 단량체는 효소(lipase)를 이용하여 개환중합을 할 수 있다. 이러한 개환반응을 효과적으로 수행할 수 있는 경제적인 효소만 개발될 수 있다면 효소를 이용한 새로운 환경친화적 폴리카보네이트를 합성할 수 있을 것이다.

⑦ 우레탄

폴리우레탄은 기본적으로 폴리올과 이소시아네이트의 반응을 통하여 합성되어지며 현재까지는 석유에서 유래한 폴리올을 이용하여 석유계 폴리우레탄을 제조하였다. 현재 미국을 중심으로 식물성 오일을 이용하여 제조된 폴리올을 이용하여 폴리우레탄을 생산하고 있다. 화학기능기를 효소를 이용하여 전환할 경우 효과적으로 폴리올을 식물성 오일로부터 대량으로 생산할 수 있다. 다음 그림은 Fatty acid로부터 Polyol을 제조하는 과정을 나타내는 화학 반응식이다.

▲ 원유가와 고분자 가격 분석 (Base year 2002), 자료 : BP, VKE, Statisrical Federal Office.

1.2 기술난제 및 실현시기

1) 기술적 측면


가. 기술적 난제

바이오 플라스틱 기술 개발에서 가장 큰 난제는 경제성 확보라고 볼 수 있다. 바이오 플라스틱 산업은 기존의 석유화학에서 제조되어 사용되고 있는 많은 종류의 고분자들을 바이오매스 기반으로부터 동종의 고분자들을 제조하여 사용하겠다는 것이므로 필연적으로 기존의 고분자와 가격과 물성 면에서 경쟁할 수 밖에 없다. 하지만 현재의 바이오 플라스틱 제조 기술에서 기존의 석유기반 고분자에 대해서 가격경쟁 우위를 점하는 것이 쉽지 않은 것이 현실이다. 일부 바이오 플라스틱이 기존의 고분자들과 차별화하여 상용화되어 있는 상태에 머무르고 있다.

바이오 플라스틱의 가격 경쟁력이 약한 이유는 크게 3가지가 있다. 첫째, 기존의 발효당으로부터 바이오 플라스틱의 단량체를 제조하는 발효 기술이 성숙되지 않았다. 즉 다시 말해서 기존의 발효당 가격에서 가격경쟁력을 지닐 수 있을 정도의 충분히 높은 수율로 단량체를 제조하는 기술이 부족한 것이다.

둘째, 발효공정에서 발효당 제조기술이 성숙되지 않았다. 현재까지는 식용 바이오매스인 옥수수, 전분 등으로부터 발효당을 제조하고 있으나 이들 바이오매스의 가격이 경기에 매우 민감하게 반응하며 일반적으로 고가이다. 따라서 현재 사용되고 있는 발효당의 가격이 충분히 싸지 않은 것이 문제이다. 이를 해결할 수 있는 방법은 비식용 바이오매스인 초본계 바이오매스나 목재, 그리고 폐목재 등으로부터 발효당을 제조하는 것이다. 이러한 바이오매스는 식용 바이오매스에 비하여 가격이 매우 저렴하므로 기술만 개발되면 제조되는 발효당의 가격을 충분히 낮출 것으로 기대할 수 있다. 하지만 아직까지 이들로부터 발효당을 경제성 있게 제조할 수 있는 기술이 충분히 개발되지 못한 상태이다.

셋째, 분리정제/농축 기술의 개발이 충분치 않다. 발효당 제조 공정이나 단량체 제조를 위한 발효공정에서 다량의 물을 사용하고 부산물이 함께 생산되고 있으므로 이들을 분리정제하고 농축하는 기술이 반드시 필요하다. 하지만 현재의 분리정제 농축 기술은 경제성을 부여하는데 어려움을 지니고 있다.

나. 기술적 실현시기

이상에 언급한 세 가지 기술적 난제를 해결하면 바이오 플라스틱은 가격 경쟁력을 확보할 것으로 기대된다. 언제 이러한 기술이 해결될지 정확하게 예측하는 것이 쉽지는 않으나 대체로 10년이면 해결될 것으로 볼 수 있으며 그 이유는 다음과 같다.

첫째, 이상의 세 가지 기술적 난제를 동시에 해결하지 않아도 된다는 것이다. 두 번째와 세 번째 기술적 난제의 해결만으로도 바이오 플라스틱 제조 기술은 충분히 가격 경쟁력을 지닐 수 있을 것이다.

둘째, 첫 번째 기술적 난제를 해결하는 데는 바이오 기술의 특성상 매우 많은 시간이 걸릴 수 있으나 두 번째와 세 번째의 기술적 난제를 해결하는 데는 그다지 많은 시간이 소요될 것 같지 않다. 두 번째와 세 번째 기술은 주로 화학과 엔지니어링 기술로 구성되어 있다. 이러한 기술은 이미 다른 분야에서 충분히 발달되어 있으므로 이들을 본 분야에 접목하면 문제를 쉽게 해결할 수 있을 것이다.

2) 산업적 측면

가. 산업화 난제

바이오 플라스틱의 산업화를 가로 막는 가장 큰 걸림돌은 바이오 플라스틱의 가격이므로 가격 경쟁력만 확보되면 바이오 플라스틱의 산업화에는 어려움이 없다. 석유기반에서 제조되는 고분자와 동일한 고분자를 바이오매스로부터 제조하는 것이므로 새로이 시장을 개척해야만 할 필요가 없기 때문이다.

나. 산업적 실현시기

이미 일부 바이오 플라스틱들은 상용화되어 있다. PLA의 경우는 이미 성공적으로 상용화되어 대량 판매되고 있는 상태이며, PTT와 Nylon 11, PHA 등도 상용화에 성공하여 판매되고 있다. 하지만 이러한 바이오 플라스틱은 기존의 석유화학 기반으로 제조가 어려운 고분자들이며, 이러한 특징으로 상대적으로 쉽게 상용화 되었다고 볼 수 있다. 이외에 기존의 고분자를 대체할 수 있는 바이오 플라스틱의 경우는 위의 기술적 실현시기에서 언급한 바와 같이 향후 10년이면 많은 종류의 바이오 플라스틱이 상용화 될 것으로 생각된다.

1.3 응용 분야

바이오 플라스틱의 대표적인 응용 분야는 기존의 석유기반 고분자들이 지닌 응용 분야와 대체로 일치하며 대표적인 몇 가지를 예로 들면 다음과 같다.

1) 일회용품 및 포장재 제조 분야

현재 대표적 바이오 플라스틱인 PLA의 경우 가장 많이 사용되는 응용처가 일회용품 및 포장재 제조 분야이다. 이러한 이유는 아직까지 제조되는 PLA의 물성이 타 응용 분야에 사용될 수 있을 정도로 우수하지 못하기 때문이다.

2) 섬유 제조 분야

바이오 플라스틱 제조 기술의 증가와 함께 물성이 우수한 바이오 플라스틱들이 또한 제조되고 있으며 이러한 우수한 물성을 지닌 바이오 플라스틱을 이용하여 의류 및 비의류용 섬유를 제조할 수 있다. 현재 본 목적으로 개발되어 상용화된 바이오 플라스틱으로는 PTT를 들 수 있다. 앞으로 물성이 우수한 나일론 및 방향족 폴리에스터 등이 개발되면 섬유 제조 분야의 응용이 매우 활발해 질 것으로 예상된다.

3) 자동차 부품 제조 분야

고온에서 견딜 수 있는 바이오 플라스틱이 개발되면 자동차 엔진헤드와 같은 부품을 제조하는데도 활용이 가능하다. 나일론 계통의 바이오 플라스틱이 본 분야에 활용이 가능할 것이다. 현재 진행되고 있는 연구 중에는 나일론 4를 본 응용도에 적합한 바이오 플라스틱으로 들 수 있겠다. 이들 고분자는 내열성과 물성이 우수하므로 자동차 엔진 부품을 제조하는데 사용될 수 있다. 이 외에도 자동차에는 다양한 종류의 부품들이 있으며 이들을 제조하는데도 바이오 플라스틱이 널리 활용될 것으로 예상된다. 현재는 자동차 내장재를 만드는데 여러 종류의 바이오 플라스틱이 활용되고 있다.

4) 전기 전자 부품 제조 분야

바이오 플라스틱 중에는 나일론 11과 같이 소수성이 매우 우수하고 질긴 기계적 특성을 지닌 고분자들이 있다. 이러한 바이오 플라스틱들은 매우 유연하면서도 내구성이 우수하고 전기가 잘 통하지 않는 특성을 지니고 있으므로 전기 전자 제품을 제조하는데 유용하다. 현재 캐스터 오일로부터 제조된 바이오 플라스틱인 나일론 11은 노트북 부품 제조에 활용되고 있다.


1.4 파급 효과

1) 기술적 효과

바이오 플라스틱 제조 기술은 4개의 요소 기술로 구성되어 있다. ① 바이오매스로부터 발효당 제조 기술, ② 단량체 제조를 위한 발효 기술, ③ 단량체 제조를 위한 촉매 전환 기술, ④ 고분자 중합 및 가공 기술, 이러한 요소기술들을 볼 때 바이오 플라스틱 제조 기술은 바이오와 화학기술이 융합된 기술이라고 볼 수 있다. 따라서 바이오 플라스틱 제조 기술은 기존 석유기반 고분자 기술과는 다른 기술적 특성을 지니고 있다. 이러한 바이오와 화학이 융합된 새로운 기술의 개발은 앞으로 새로운 제품을 생산하는데 필요한 보다 우수한 기술을 개발할 수 있게 할 것이다.

2) 사회경제적 효과

바이오 플라스틱 제조 기술은 이산화탄소 저감형 소재이자 지속성장형 소재인 바이오매스 기반 플라스틱을 제조하는 기술로서 매우 환경친화적이고 지구를 보존하는데 반드시 필요한 소재이다. 이러한 면에서 바이오 플라스틱은 기존의 석유기반 플라스틱에 비해서 사회적으로 매우 유용한 소재라고 할 수 있겠다. 따라서 이러한 소재를 경제성 있게 만들기만 하면 사회적으로 경제적으로 매우 우수한 효과를 기대할 수 있다. 현재 많은 기술들이 경제성 부여를 위한 노력을 하고 있으므로 좋은 결과를 기대할 수 있을 것이다.

3) 시장창출 효과

바이오 플라스틱의 시장 창출 효과는 매우 우수하다고 생각된다. 먼저 기존의 석유기반으로 제조할 수 없거나 경제성이 있는 프로세스가 없어 제조가 불가능한 바이오 플라스틱(예, PLA)의 경우는 새로운 시장 창출 효과가 매우 크다고 볼 수 있다. 이 외에 기존 석유기반 고분자를 대체하는 바이오 플라스틱의 경우도 시장 수요가 더욱 증대할 가능성이 매우 높기 때문에 시장창출 효과가 높다고 볼 수 있다.

2. 해외 동향

2.1 연구개발 현황

현재 고분자를 비롯한 화학소재 산업의 메가트렌드 결정요인은 ‘가격’과 ‘환경보호’이다. ‘가격’과 ‘환경보호’라는 차원에서 바이오 플라스틱 시장수요에 대해 살펴보도록 하겠다.

1) 가격적 측면

다음의 그림은 연대별 원유가와 고분자 가격을 비교한 자료이다. 고분자의 가격은 원유가를 반영하면서도 시간에 따라 전반적으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 현재는 원유가가 그림에 나타난 값보다 훨씬 높은 수준이며, 따라서 고분자를 제조하여 판매할 때 발생하는 이익이 대폭 줄었음을 추정할 수 있다.

▲ 세계 생분해성 고분자 위주의 바이오 플라스틱 수요 추이, 자료 : Ceresana Research 2009.

이러한 원유가 대비 고분자 재료의 가격들의 경향들을 이용하여 향 후 원유가에 따른 석유화학 유래 고분자가의 경향을 추론해보면 다음과 같다.

유가가 배럴당 50달러 이하일 때 까지는 고분자 가격이 시간에 따라 다소 감소하지만 이 이상일 경우에는 날이 갈수록 고분자 가격도 원유가와 함께 증가한다. 유가에 따른 이러한 고분자가의 상승과 CO2 발생 문제 때문에 현재 전 세계적으로 개발하여 사용하는 것이 식물자원에서 제조된 바이오 플라스틱이라고 불리는 바이오 기반 플라스틱이다. 대표적인 예는 폴리락타이드(PLA)이다. PLA는 식물자원을 발효시켜 제조된 젖산을 중합하여 제조된 고분자이다. 개발 초기에는 바이오 플라스틱이 제조 기술의 미흡함 때문에 가격이 높고 물성이 좋지 않아 외면되어 왔으나, 최근에는 기술의 발달과 함께 제조비용이 감소하고 품질이 우수하여져 시장에서의 요구가 급증하고 있다.

다음 그림은 바이오-기반 고분자와 석유 기반 고분자의 원유가에 따른 가격추이를 나타내고 있다. 바이오 플라스틱인 바이오기반 고분자의 시장 가격이 석유기반 고분자와 비교하여 가격경쟁력이 있으므로 가격적인 면에서도 바이오기반 고분자가 수요산업의 메가트렌드가 될 충분한 잠재력이 있다.

2) 환경적 측면

CO2 저감을 통한 ‘환경보호’ 측면에서 바이오기반 고분자의 생산을 살펴보면 다음과 같다.

현재 에너지원뿐만 아니라 화학소재도 석유기반 제품을 주로 사용함으로써 CO2의 발생량이 날이 갈수록 증가하고 있다. CO2 증가로 인한 지구 온난화 현상은 가까운 미래에 지구에 큰 재앙을 초래할 것이라는 것은 전 세계인이 이해하고 있는 바이다. 화학소재 시장에서도 이러한 우려가 충분히 반영되어 석유화학 제품을 바이오 기반 제품으로 대체하고자 하는 노력을 하고 있다. 다음 그림은 생분해성 고분자의 세계적 생산 추이를 나타내고 있다. 생분해성 고분자의 생산량은 급격히 증가하고 있는데, 이들 생분해성 고분자의 대부분이 식물자원 기반 고분자 소재이다. 이러한 추세는 계속 될 것이며 식물자원 기반 생분해성 고분자의 생산 및 활용이 고분자 소재 시장의 큰 부분이 될 것이다.

▲ 그린 플라스틱(Green Plastics) 피라미드.

다음 그림은 환경과 인체에 유해한 정도를 검토하여서 작성된 Greenpeace plastic pyramid이며, 이는 어떤 고분자 소재가 가장 환경친화적인가를 잘 나타내고 있다. 다음 그림은 Bio-based 고분자가 가장 안전하고 환경친화적인 반면, PVC가 가장 그렇지 못함을 잘 나타내고 있다. 현재 자동차 산업에서 가장 많이 활용되고 있는 고분자 소재 중의 하나가 PVC이며, 이를 바이오 기반 고분자로 대체하려는 것이 일본 토요타를 비롯한 자동차 제조 회사들의 움직임이다. 토요타에서는 이미 PLA를 이용한 많은 제품들을 개발 생산하고 있다.

3) 산업별 연구개발 현황

가. 자동차 산업

해외 6대 자동차 업체(Dalmier-Chrysler, Ford, GM, Honda, Nissan, Toyota)의 자동차 제조에 사용되는 다양한 고분자 소재에 대한 현재 및 향후 전략은 “Sustainable Plastic(지속성장형 플라스틱)"을 사용하는 것이며 이를 실현하기 위한 구체적 전략은 다음과 같다.

● 2009년까지 전 세계에 팔리는 자동차에 PVC를 사용하지 않는다.
● 2010년까지 사용되는 모든 플라스틱의 95%가 재생가능이거나 재활용 가능해야만 한다.
● 2015년까지 전 세계적으로 재생가능, 재활용, 재생가능 자원으로부터 제조된 플라스틱의 사용이 전체 50%를 넘어야 한다.
● 2020년까지 사용하는 모든 플라스틱은 무독성이고, 재생가능 해야 하고, 재생가능 자원으로부터 제조된 플라스틱이어야 한다.

다음의 표는 이들 6대 자동차 메이커들의 Vision-Statement를 나타내고 있다.

▲ 해외 6대 자동차 업체의 Vision-Statement, 자료 : A Report Card on the Six Leading Automakers, February 2005 .

▲ 일본의 바이오 플라스틱 생산량 실적(2000년~2005년), 자료 : Biodegradable Polymers, A Global Strategic Business Report, Sept. 2006, Published by Global Industry Analysts, Inc..

나. 포장재 산업

바이오 기반 생분해성 고분자는 음식포장을 비롯한 포장재 산업에 광범위하게 사용되고 있어 포장재 산업의 메가트렌드가 되고 있다. 최근의 개발 및 생산의 예를 들면 다음과 같다. 미국의 Innoware Inc.는 최근 새로운 식품 포장용 생분해성 포장재인 InnoWare's Eco를 옥수수로부터 제조하여, 시판하기 시작하였으며, Cereplast Inc.는 유사한 특성의 포장재인 Cereplast를 제조하여 시판하고 있다. 영국의 Innovia Films는 NatureFlex 라는 셀루로즈 기반 생분해성 필름을 제조하여 시판하고 있으며, 이는 목재 펄프로부터 제조된 것으로 알려져 있다.

미국 Iowa 대학에서 분석한 자료에 의하면 이 제품은 90% 이상의 구성 성분이 바이오-기반 물질인 것으로 밝혀졌다. 이 제품은 랩에서부터 매우 폭넓은 범위의 포장재로 활용될 수 있으며, 석유기반 포장재보다 뛰어난 특징을 지닌 것으로 알려져 석유기반 포장재를 완전히 대체할 수 있는 제품으로 사료된다.

다. 전자제품 산업

일본을 중심으로 전자산업에서 환경친화적인 물질을 이용하여 전자제품을 제조하려는 움직임이 일어나고 있다. 일본의 소니․NEC 등은 가까운 미래에 많은 제품을 바이오기반 고분자 소재로 제조, 생산할 것으로 예상된다. NEC의 바이오기반 소재 개발 현황을 예로 보면 다음과 같다. NEC의 경우, 옥수수로부터 제조된 PLA 기반 바이오 플라스틱을 개발하고 있으며, 높은 Bio-content와 안정성을 나타내고 있다. NEC는 Unitika Ltd와 협력 연구를 통하여 보다 우수한 PLA 조성물을 개발하여, 높은 내열성과 내구성이 지닌 제품을 생산하였다. 또한 NEC는 천연섬유인 Kenaf를 PLA와 혼합하여 이러한 제품을 생산하였다. 앞으로 전자산업의 모든 플라스틱을 바이오-기반 플라스틱으로 대체할 것으로 계획하고 있다. NEC는 이 고분자를 노트북 컴퓨터 제조에 활용하고 있으며, 높은 방열효과와 높은 기계적 강도를 나타내고 있어 석유기반 고분자를 충분히 대체가능할 것으로 판단하고 있다.

4) 국가별 연구개발 현황

가. 미국

다음 그림은 현재 미국 바이오 플라스틱 제조 및 관련업체들의 시장 점유율을 나타내고 있으며, 많은 회사들이 바이오 플라스틱을 생산 시판하고 있음을 알 수 있다. 그 중에서 가장 큰 시장 점유율을 차지하는 회사는 세계 최대의 PLA 생산업체인 Natureworks사로 시장 점유율은 약 28%에 달한다. 그 다음으로 Cereplast사가 약 18%, DuPont사가 약 17% 등을 차지하고 있다. PHA를 주로 생산하는 Metabolix사는 2008년 이후에 약진할 것으로 보인다.

미국의 정책의 변화를 살펴보면 다음과 같다.

미국은 BIO와 AEC 등 상원의 농업법 초안을 발표(biomassmagazine.com, 5/13)하였으며 ‘Agricultural Reform, Food and Jobs Act of 2013’라 부르는 법안은 불필요한 보조금 및 통합 프로그램을 종료시키고, 남용을 엄중히 단속해서 230억달러의 비용을 절감할 계획이다. 미 상원에서 제출한 농업법의 Energy Title 프로그램의 재인가를 위한 농업법 초안에 미국바이오산업협회(BIO)와 농업에너지연합(AEC)은 환영성명서를 발표하였다.

정책 변화 내용으로는 1. 작물보험 강화·지원확대, 2. 도시·농촌 일자리 창출을 위한 바이오기반 제조업 성장지원, 3. 비식품기반 에너지 생산 혁신지원, 4. 신농업 이니셔티브의 상업화 촉진을 위한 연구지원, 5. 재생에너지와 에너지 효율화 프로그램에 의무자금 지원(8억$), 6. 재생가능 화학물질에 의무자금 지원 등을 포함하고 있다. 다만 하원에서는 의무자금 지원을 반대하고 있어서 곧 있을 양원의 합의안 도출 결과에 귀추가 주목되고 있다.

미국의 많은 기업들이 바이오 플라스틱을 개발하여 판매하고 있으며, 각 회사마다 다양한 특성들을 지니고 있다. 각 기업마다의 동향은 아래와 같다:

● Absorbable Polymers International
Absorbable Polymers International(API)는 생분해성 고분자 주 생산 및 공급원 중의 하나인 회사이며, caprolactone, glycolide, 그리고 lactide를 이용한 다양한 종류의 의료용 생분해성 고분자를 제조 공급하고 있다. 본 회사는 현재 FDA의 기준에 의해서 바이오 폴리머를 생산하고 있다.

● American Excelsior Company
American Excelsior Company(AEC)는 포장용과 쿠션(cushioning) 소재, 그리고 침식조절용액 제조에서 세계적 선두그룹이며, foam, loose fill starch 포장 용액, 목질계 섬유 제품, 증발냉각패드 등 다양한 종류의 제품을 생산하고 있다. 미국 전역에 17개의 공장을 가지고 있으며, 다양한 산업에 재료를 공급하고 있다.

● BIOgroupUSA, Inc.
BIOgroupUSA, Inc.(BioBag)은 Mater-Bi 재료로부터 생분해성 가방과 필름을 생산하는 세계적 선두 회사이며, 이회사의 제품은 ASTM D6400 표준과 California SB 1749를 따라 생산되고 있다.

● CEREPLAST, Inc.
CEREPLAST, Inc.는 석유기반 고분자를 대체할 수 있는 바이오기반 생분해성 고분자를 생산하는 회사이며, 이들은 재생가능 자원인 감자나 옥수수 등으로부터 바이오기반 고분자를 생산하고 있다. 이 회사의 제품은 압출코팅, 사출성형, blow molding 등의 응용에 사용되고 있다.

● Cortec Corporation
Cortec Corporation은 코팅지, 특수화합물, 생분해성 고분자 분야의 전 세계적 주 생산 및 공급업체 중 하나이며, 연간 400 종류 이상의 제품을 생산하고 있다. 이 회사는 ISO-14001 인증서를 지니고 있다.

● Dupont
Dupont는 생분해성 고분자 미국 시장의 주 생산 공급원 중 하나이며, DuPontTM, DuPont Oval 이란 상품명으로 시판하고 있다. 70개국 이상에서 현재 생산 활동을 하고 있으며, 매우 다양한 분야에서 시장을 형성하고 있다.

● Eastman Chemical Company
Eastman Chemical Company(Eastman)는 생분해성 고분자의 세계적인 생산업체이며, 포장용 polyester 주 공급원이기도 하다. 농업용 화합물과 정밀 화학제품 생산에 있어 세계 10대 기업에 포함되며, 기초화합물, 특수화합물, 플라스틱, cellulode acetate 섬유, 등에서 세계 시장을 장악하고 있다.

● EarthShell Corporation
EarthShell Corporation(EarthShell)은 EarthShell Packaging이라는 복합재료 제품을 생산하는 환경포장기술을 지닌 회사이며, plates, hinged-lid container, 컵, 샌드위치 포장지, 밥그릇 등이 주 생산품이다. 이 회사는 제품 디자인과, 생산공정 등에 관련한 100개 이상의 특허를 보유하고 있다.

● ECM BioFilms Inc.
ECM BioFilms Inc.는 생분해성 플라스틱 제조에 필요한 첨가제를 생산하는 바이오 기술의 세계적 회사이며, 이회사의 MasterBatch PelletTM은 세계 시장에서 가장 일반적으로 널리 사용되는 생분해성 용액이다.

● FP International
FP International(FP)은 포장재 전문회사이며, air-cushion, packaging-made-on-site polyethylene foam, Kraft paper cushioning 등의 제품을 생산하고 있으며, 미국 내 6개의 생산 공장을 보유하고 있다. 네덜란드, 프랑스, 독일, 영국에 지사를 보유하고 있는 글로벌 회사이다.

● KTM Industries, Inc.
KTM Industries, Inc.는 바이오 플라스틱 기술의 선두주자이며, 생분해성 플라스틱과 무독성 고분자를 산업에 공급하는 역할을 하고 있다.

● Metabolix Inc.
Metabolix Inc.는 바이오기반 천연 고분자인 PHA의 세계적 생산 기업이며, 복잡한 바이오 기술들을 이용하여 재생가능 자원으로부터 제품을 생산하는 일들을 하고 있다.

● National Starch and Chemical Company
National Starch and Chemical Company(NSCC)는 합성, 천연 고분자 생산회사이며, 특수 고분자, 특수 전분, 전자 재료 등을 생산하고 있다. 150개 이상의 제품을 생산하고 있으며, 35개국 이상의 나라에 판매를 하고 있다.

● NatureWorks LLC
전 Cargill-Dow LLC인 NatureWorks LLC는 PLA의 세계 최대 공급처이며, 재생가능 자원으로부터 생산된 다양한 종류의 상용 고분자를 공급하고 있다. NatureWorksⓇ PLA와 IngeoⓇ란 상품명으로 제품들을 생산하고 있으며 PLA 제조회사는 세계 최대이다.

● Planet Polymer Technology, Inc.
Planet Polymer Technology, Inc.는 의료분야와 농업분야에 필요한 환경친화적인 생분해성 고분자를 생산 공급하는 회사이며, 수용성 고분자를 또한 생산한다. 본 회사는 회사 Toro와 함께 포장재를 생산 판매하고 있으며, 생분해성 필름 제조용 Polyvinyl alcohol 수지를 생산하고 있다.

나. 일본

일본의 2000년부터 2005년 및 2006년부터 2013년까지 용도별 바이오 플라스틱 생산량을 보면, 2000년 1억 1,221만 파운드의 생산이 2013년에는 5억 1,365만 파운드로 거의 5배의 성장이 예측되고 있다.

▲ 일본의 바이오 플라스틱 생산량 전망(2006년~2013년), 자료 : Biodegradable Polymers, A Global Strategic Business Report, (2006).

2000년부터 2013년까지 용도별 시장 점유율 동향 및 추이를 보면, 현재 가장 강세인 포장재(68.5%)가 2013년에도 가장 강세를 나타내어 약 50% 이상이 될 것으로 보이나, Compost Bag의 시장 점유율 또한 꾸준히 성장해 23% 정도에서 2013년에는 34% 정도에 달할 것으로 보인다.

▲ 바이오 플라스틱 기술 - 해외 선도 기관 .

한편 다음 그림은 일본의 2008년 제품별 시장 점유율을 나타나고 있다. 이를 볼 때도 아직 바이오 플라스틱 제품은 아직 미미한 상태임을 알 수 있다.

일본은 많은 기업들이 바이오 플라스틱을 개발하여 판매하고 있으며, 각 회사마다 다양한 특성들을 지니고 있다. 각 기업마다의 동향은 아래와 같다:

● Daicel Chemical Industries, LTD
Daicel은 액정 고분자, PBT, polyacetal(POM), polyphenylene sulfide(PPS) 등과 같은 엔지니어링 고분자를 주로 공급하는 회사이며, 환경친화적인 제품으로는 digital image printing media, 도로건설 관련 소재, 생분해성 고분자를 생산 판매하고 있다.

● Mitsubishi Plastics, Inc.
Mitsubishi는 일본의 바이오 플라스틱 주 생산 회사이며, 주 생산품목으로는 PET병, 산업용 플라스틱 plate, starch film, IC memory card, 파이프, FRP water tank 등이 있다. 이 회사의 주 관심사는 다기능, 고품질, 부가가치형 제품을 생산하는 것이며, heat-shrinkable tube와 bi-axially oriented 필름, 그리고 laminated metal sheet의 주 시장 점유를 지니고 있다.

● Mitsui Chemicals, Inc.
Mitsui Chemicals는 세계적 화학제품 회사이며, 다양한 종류의 화학제품을 생산하고, 건축재, 의료용품, 화장품, 자동차 부품 등을 생산하고 있다.

● Showa High Polymer Co., Ltd.
Showa High Polymer Co., Ltd.는 페놀수지, 에멀전, 불포화 고분자의 세계적 생산업체이며, 주 생산 제품에 생분해성 합성 고분자인 Bionell이 있다.

● Toyobo Co., Ltd.
Toyobo Co., Ltd.는 합성 및 천연 섬유 생산의 굴지 일본 기업이며, 폴리우레탄, 플라스틱 필름, spandex yarn, 수지, 의료용 제품, 정제용 장치, 생화학 제품 등을 생산하고 있다.

다. EU

다음 그림은 현재 유럽의 바이오 플라스틱 생산 및 관련 업체들과 그들의 시장 점유율을 잘 나타내고 있으며, 상당히 많은 업체들이 있음을 알 수 있다. 이를 보면, Purac사가 선두를 고수하고 있으며 시장 점유율이 약 20%에 달한다. Novament SPa·Avebe·Hycail·Arkema·Naturin GmbH·BIOP 등이 각각 약 10% 씩의 시장 점유율을 차지하고 있다.

유럽의 바이오 유래 폴리머 생산 동향은 다음과 같다.

유럽에 있는 PLA와 PHA 생산 설비들은 비교적 소규모이며, 몇몇 파일럿 설비들이 가동되고는 있지만 생산 실적은 없는 반면, 바이오 기반 PUR과 PA 생산은 점진적으로 증가하고 있고, PBAT 생산에 주도적이다. 유럽의 바이오 유래 폴리머 생산이 이와 같이 일부 폴리머로 제한되어 있고, 바이오 유래 폴리머 생산에 취약한 것은 바이오 연료에 정책이 집중되어 있고, 바이오매스를 산업 원료로 이용하는 것에는 우호적이지 못한 정치적 구조 때문이다. 그러나 시장 주도 화학기업들의 노력으로 2014년까지 유럽 최초 산업 규모 PLA공장 가동, 2015년까지 PET 생산설비 도입, 최신 바이오기반 PBT의 개발과 상업화, PA, PUR, 열경화성 수지 생산을 위한 고부가가치 정밀 화학물질 분야 발전과 같은 새로운 개발 및 투자가 기대되고 있다. PBAT 생산은 아직 화석원료 기반이지만 2020년까지 바이오기반 점유율이 50%까지 증가할 것으로 예상되고 있고, 또한 PBT의 생산에서 바이오기반 1,4-부탄디올의 최근 발전은 폴리머 생산에서 바이오기반 공정의 상업적 가능성을 입증하였으며, 2020년까지 바이오기반 공정을 통한 생산 개시가 계획되어 있다.

유럽의 바이오기반 산업 기업·공공 파트너십 발표 pr.euractiv.com, 7/10를 보면 다음과 같다.

유럽집행위는 38억유로 규모의 바이오기반 산업 기업·공공 파트너십(Public Private Partnerships; PPP)을 발표하였으며, 10억유로는 EU에서, 28억유로는 바이오 유래 기업 컨소시엄(BIC, 48개 기업)이 투자하는 것으로 되어 있다.

BRIDGE(Biobased and Renewable Industries for Development and Growth in Europe)로 알려져 있는 바이오기반 산업 PPP는 식품·사료·섬유·화학·연료를 지역의 바이오매스나 폐기물로부터 생산하고자 하며 그 목적은 첫째, 유럽의 바이오 유래 연구 및 기술 향상, 둘째, 미활용 농림부산물의 개발, 셋째, 생분해성 및 바이오 유래 제품으로 석유유래 화합물 대체, 넷째, 신산업 창출 및 기존산업 활성화와 일자리 창출, 그리고 다섯 번째는 농민의 수입 증가 및 다양화에 있다.

중점사항으로는 1.공급원료-지속가능한 바이오매스 공급 및 신규 밸류체인 형성, 2. 바이오리파이너리-대규모 데모/주력 바이오리파이너리의 연구개발 및 규모 확대를 통한 가공효율성 최적화, 3.시장, 제품, 정책 - 바이오 유래 제품을 위한 시장 개발과 최적의 정치제도 마련 등이 있다.

또 유럽의 경우는 바이오함량·생분해성 검사법 연구 및 바이오제품 인증 준비(plasteurope, 5/2)를 하고 있다. FP7의 지식기반 바이오 유래 제품의 표준화준비과제(KBBPPS; Knowledge-based, Bio-based Products' Pre-standardization)는 2년 10개월(2012.9∼2015.7)동안 진행되며, 네덜란드표준(연)의 주도로 와게닝겐대학(네), 독일노바연구소 컨소시엄 이외에 유럽표준위원회, 유럽바이오협회, 유럽바이오 플라스틱협회, 미국미시간주립대, 영국 BetaAnalytic 등이 참여하고 있다. 바이오 유래 제품의 표준 제정을 위해 바이오매스함량, 바이오카본함량, 생분해성, 기능성에 대한 검사법을 조사하고, 결과를 유럽표준 및 국제표준에 반영하는 것이 목표이다.

지난 4월 9일 개최된 자문워크숍에서 EU정책 입안, 북미와의 공유, 연구자 및 산업계 간의 협력, 국제적으로 일치되는 표준을 위한 전망을 논의했으며 워크숍에 참석한 미국, 태국 등의 전문가를 포함해서 모든 이들이 연구되는 검사법 개발에 참여하기로 했으며, 그 결과를 ASTM과 국제표준에 반영하는데 공감하였다고 한다. 연구과제는 C14탄소 동위원소 분석법 도입을 포함하고 있데, 이는 미농무부 BioPreferred 프로그램과 유럽에서 바이오 유래제품 인증에 사용하고 있는 방법으로 이 방법이 향후 국제표준으로 선정될 가능성이 높다.

유럽에서는 이미 매우 많은 기업들이 바이오 플라스틱을 개발하여 판매하고 있으며, 각 회사마다 다양한 특성들을 지니고 있다. 각 기업의 동향은 아래와 같다:

● Bayer AG
Bayer AG는 세계적 화학회사이며 의약품을 비롯하여 다양한 종류의 건강관련 제품과 농업제품 고분자 제품을 생산 판매하고 있다.

● BASF AG
BASF AG는 엔지니어링플라스틱, 폴리스티렌, 폴리우레탄의 세계적 생산 회사이며, Ecoflexⓡ라는 생분해성 고분자를 생산 판매하고 있으며, 이는 본 회사의 주력 상품 중 하나이다. 이 회사는 160개국 이상에 상품을 공급하고 있으며, Aintershall AG라는 자회사를 통하여 천연가스와 원유 생산까지 관여하고 있다.

● Biotec GmbH
Biotec은 고품질의 생분해성 고분자와 열가소성 고분자의 주 개발 및 제조업체이다. 환경친화적인 공정으로 천연물질을 이용하여 제품을 생산하고 있으며, 전분계 고분자를 전 세계적으로 공급하고 있다.

● Novament s.p.A
Novament s.p.A는 유럽시장의 생분해성 고분자 주 생산 및 판매 회사이며, 환경오염을 해결하기 위한 여러 제품들을 개발 생산하고 있다. 생분해성 고분자인 Mater-Bi는 이 회사의 주력상품이며, 회사의 주된 연구과제는 화학, 환경, 농업 등을 포함한 삶의 질 향상을 위한 생명력 있는 화학에 관한 것이다. 이 회사는 환경오염 및 부담을 줄이기 위해서 재생가능 자원을 사용하여 제품을 생산하고자 노력하고 있다.

● Rodenburg Biopolymers
Rodenburg Biopolymers는 세계 시장에서 생분해성 고분자의 주 생산회사 중 하나이며, 환경친화적 공정을 이용하여 식품생산 공정의 쓰레기를 이용하여 생분해성 고분자를 제조하고 있다. 이 회사의 주력 상품 중의 하나인 생분해성 고분자 Solanylⓡ은 사출성형에 유용하다.

● Solvay S.A
Solvay S.A는 peroxygen의 세계적 생산업체이며, 다양한 종류의 특수 고분자를 생산 판매하고 있다. 이 회사의 주력은 플라스틱, 의약, 그리고 화학약품들이다. 현재 50개국 이상에서 80개 이상의 공장을 가동하고 있다.

2.2 선도 기관

▲ 국내 업체별 생산품목 및 생산기술.

3. 국내 동향

3.1 연구개발 현황

국내 기업들의 바이오 플라스틱 관련 제품 생산 및 생산 기술의 현황은 다음의 표와 같다.

▲ 국내 기업의 바이오 플라스틱 기술개발 동향.

기존의 전분계 고분자와 알리파틱 폴리에스터를 중심으로 한 생분해성 고분자의 생산을 위한 연구개발을 꾸준히 지속하는 한편 새롭게 PLA를 중심으로 신규 바이오 플라스틱을 연구개발 생산하고자 하는 기업들이 늘어나고 있는 것이 사실이다. 도레이 새한, 에콜그린, 제일모직, 그린케미칼 등에서 PLA관련 연구를 이미 시작 했거나 준비 중에 있는 것으로 나타나고 있으며, 국내 기업들도 바이오 플라스틱 사업을 하여야만 한다는 데는 대부분 뜻을 같이하고 있는 상황이다. 고분자 소재의 세계적 메가트렌드가 바이오 플라스틱을 개발하여 기존의 석유기반 고분자를 대체하는 것이므로, 국내 기업들도 이를 충분히 인식하고 그 방향으로 사업을 전개하고자하는 의지는 있으나 아직 현실적인 여러 가지 상황에 의해서 대대적인 투자 시점을 저울질 하고 있는 상황이다.

바이오 플라스틱의 국내 기업들의 기술개발은 주로 최종제품 생산을 위한 Blending 기술과 Compounding 기술에 집중 되어 있음을 알 수 있으며, 다음의 표에 나타난 국내 기업들의 사업 아이템들을 통하여서도 잘 알 수 있는 부분이다. 최근 정부 프로젝트로 바이오 플라스틱 생산을 위한 연구가 진행되고 있으며, 대표적인 것으로 Stereocomplex PLA 제조와 나일론 4제조 기술 개발을 들 수 있다. 현재 국내에서 바이오 플라스틱수지 제조기술을 개발하는 기업으로는 LG 화학, GS칼텍스, 제일모직 등을 들 수 있다.

▲ 바이오 플라스틱 기술 - 국내 선도 기관.

3.2 선도 기관

국내에도 다양한 기관에서 바이오 플라스틱 제조와 관련된 연구를 진행하고 있으며 대표적 기관으로는 다음의 표에 나타난 바와 같다. 하지만 아직 국내에서는 이렇다 할만한 상용화된 제품이 개발되지는 못한 상태이다.

4. 미래의 연구방향 및 제언

4.1 미래의 연구방향

1) 비식용 바이오매스 기반 발효당 제조기술 상용화

바이오 플라스틱 제조기술의 미래는 제조기술의 가격 경쟁력의 확보에 달려 있으며, 이를 토대로 볼 때 저렴한 가격의 발효당 확보가 매우 시급하고 중요한 부분이다. 현재 많은 선진 기업 및 연구기관에서 본 연구에 매진하고 있다.

2) 단량체를 가격 경쟁력있게 생산 할 수 있는 발효 기술

바이오 플라스틱의 제조 단가는 단량체 가격에 매우 의존적이므로 단량체를 경제성 있게 제조할 수 있는 기술의 개발이 매우 필요하다. 현재 선진 기업들이 생산하고 있는 화합물들을 보면 모두 여기에 초점이 맞추어져있다고 볼 수 있다.

3) 고부가가치화 할 수 있는 바이오 플라스틱 제조

바이오 플라스틱을 제조하는데 필요한 요소 기술 및 공정 등을 종합해 볼 때 Commodity 고분자 제조로써는 기존 석유기반 고분자에 비하여 가격 경쟁력을 지니기가 쉽지 않다. 이러한 점을 감안한다면 저렴한 가격의 저급한 바이오 플라스틱을 제조하는 기술은 경쟁력이 없을 것으로 생각되므로 이를 탈피하여야 한다. 따라서 최종 제품의 가격이 높아도 문제가 되지 않는 고부가가치형 바이오 플라스틱을 제조할 수 있는 기술의 개발이 반드시 필요하다.

4.2 정책적 제언

바이오 플라스틱 산업의 육성은 제품이 시장에서 경쟁력을 지닐 때 가능하며, 정부는 이를 적극적으로 지원할 수 있는 정책을 만들 필요가 있다. 바이오 플라스틱 제품이 시장에서 경쟁력을 지닐 수 있게 하는 데 필요할 것으로 생각되는 정부차원의 정책 및 제도는 다음과 같다.

1) 바이오 플라스틱 산업 육성을 위한 국가 제도와 조직 정비

바이오 플라스틱 산업을 육성하기 위해서는 다음과 같은 국가 차원의 제도와 조직이 구축되어야 할 것으로 생각된다.

① 국가 통합관리 제도 및 전략 마련
② 시장 경쟁력 확보를 위한 제품 인증제도 및 표준화
③ 제품의 상업화 촉진을 위한 융자보증제도

2) 인프라 구축

바이오 플라스틱 산업은 아직 그 초기 단계에 있으므로 제품을 개발하고 상용화하는데 필요한 인프라의 구축이 매우 필요하다. 선진국에서는 이미 오래전에 구축된 인프라도 아직 국내에는 없는 실정이며 다음과 같은 인프라가 필요할 것으로 생각된다.

① 기술 고부가가치를 위한 실증평가 전담기관 구축
② 상업화를 위한 R&D 집약 시범 사업단지 조성
③ 바이오매스 확보를 위한 지역 바이오매스 Focal center 구성

3) 기술 및 인력 확보

바이오 플라스틱 산업의 육성을 위해서는 무엇보다 기술과 우수한 인력의 확보가 무엇보다 중요한 부분이므로 아래 사항들이 매우 필요할 것으로 생각된다.

① 산업화 경쟁력 향상을 위한 R&D 프로그램 구축
② 기술/제품별 특허분석을 통한 투자효율 증대
③ 산업 바이오 융합형 인력양성 프로그램

4) 시장 구축

바이오 플라스틱은 아직 시장에서 생소한 제품이므로 이들을 정착화하는데 필요한 제반 제도적 장치가 필요할 것으로 생각되며 여기에 필요한 것은 다음과 같다.

① 초기시장 창출을 위한 의무사용, 우선구매제도 등 도입
② 집적화 및 수직 계열화를 위한 시범 사업단지 지정
③ 해외거점 확보를 위한 자원 및 인적 네트워크 구성