생분해, 바이오매스 유래 특징
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폴리유산은 다른 범용수지와 마찬가지로 다양한 용도로 사용되고 있다.
성형품으로서 1회용 용기가 많은 한편, 식기세척기에 넣을 수 있도록 내구처방을 한 식기도 있고,
또 섬유로는 의료에 생분해성을 추가해 이용하는 산업용 제품이 다수 있다. 필름으로 만든 경우 인쇄적성도 뛰어나고,
일반적인 잉크를 사용할 수 있다. 하지만 이처럼 널리 사용되고 있음에도 불구하고 PLA 수지의 생산규모는
전 세계 연간 20만 톤으로 증가경향이라고는 하지만, 석유유래 수지에는 많이 미치지 못하고 있다.
글 | Kawase shido 정리 | 월간 PT 편집부
폴리유산이 세상에 소개된 1980년대에는 그 생분해성, 바이오매스 유래라고하는 특징이 센세이션을 불러일으켰고, 그 자체가 기능이다라고 하는 인상을 주었다. 하지만, 내열성, 내구성, 가공성 등은 기존의 범용 플라스틱에 비해 반드시 우수하다고 할 수 없었기 때문에 생분해성, 바이오매스 유래라고 하는 특징만으로 시장에 받아들여지지 못하는 예가 여러 곳에서 보였다. 더욱이 최근 바이오PE, 바이오PET의 등장에 따라 바이오매스 유래라는 우위성도 노출하기 힘들어 졌다.
하지만, 폴리유산에는 고유의 특성이 여러 가지 있다. 최근 이러한 특성을 이유로 채용된 사례가 몇 가지 있다. 이러한 제품에는 폴리유산이 가지는 친환경성 측면이 매력적인 점으로서 유효하게 기능하고 있다. 본지에서는 폴리유산을 이용한 제품을 판매함에 있어 무엇을 강조해야 하는 지에 대해 상품을 예로 들면서 고찰하고자 한다.
바이오 플라스틱과 폴리유산
1970년대 이후 플라스틱 폐기물은 큰 사회문제가 되어왔고, 범용 플라스틱으로 만들어진 비닐봉지, 성형품 등이 불법으로 폐기되는 모습을 국내외에서 수시로 보이고 있다. 이러한 상황에 대한 회답의 하나로서 생분해성 수지가 주목을 받았다. 고온다습한 환경에서 폴리유산은 2주간 정도면 물과 이산화탄소로 분해되지만, PET는 거의 변화를 보이지 않아, 명확한 차이가 있는 것을 알 수 있다.
1970년대 중동의 정세가 불안정해 원유가격이 고등하는 오일쇼크가 일어났었다. 원유가 고갈되기까지 앞으로 40년 정도(R/P비율 : 가채원유율을 소비량으로 뺀 연수)라고 발표되는(BP Statistical Review of World Energy) 등, 석유자원의 고갈이 목소리를 높이고 있다. 여기에 지구온난화가 부각되어 이산화탄소의 배출이 원인이라고 하는 설이 일반적으로 인지되고 있어 식물로 대표되는 재생가능자원, 즉 바이오매스를 원료로 하는 플라스틱이 보다 관심을 받게 되었다. 원유의 가채연수, 지구 온난화에는 다양한 이론도 존재하지만, 플라스틱의 원료를 석유자원에서 바이오매스로 옮겨가는 것이 지구환경 유지에 기여한다는 인식은 동의를 얻고 있다.
바오이매스 유래 수지는 원료식물이 흡수한 이산화탄소량과 최종적으로 수지가 발하는 이산화탄소량이 이론상 동일한데, 이는 카본뉴트럴이라고 말할 수 있다. 제조공정에서 배출된 지구온난화 가스만이 실질적인 증가분이고, 화석자원유래의 수지가 지상에 존재하지 않았었던 지구온난화 가스를 배출하고 있는 것과는 크게 다르다.
이와 같은 배경 속에 폴리유산은 생분해성이면서 바이오매스 유래라는 점에서 큰 기대를 모아 전 세계 각사로부터 다양한 제품이 발매되어 왔다. 하지만 현재에 이르기까지 종래의 범용 플라스틱 지위를 위협하는 존재는 되지 않고 있다. 일본도 같은 상황이고, 폴리유산수지의 미국에서의 수입량 추이(재무성무역통계)대로 과거 몇 년에 걸쳐 명확한 증감경향을 보이고 있지 않다. 즉 일본에서 소비 또는 가공되는 폴리유산의 대부분은 미국의 NatureWorks사에서 수입된 수지이기 때문에 일본에서의 소비동향은 미국에서의 수입량 추이와 거의 같다고 생각된다.
그렇다고 해서 순조롭지 않음에도 불구하고 폴리유산은 실질적으로 시판되고 있는 유일한 범용 바이오플라스틱으로서 일정의 지위를 구축해왔다. 하지만 근래 바이오PE, 바이오PET가 상업적으로 생산되면서 그 우위성을 잃어버리고 있다. 바이오매스 유래의 PE, PET는 원료는 다르지만 만들어진 수지는 석유유래의 것과 완전히 같은 분자구조이다.
따라서 가격우위성만 본다면 용이하게 바이오매스 유래 수지에서 옮겨갈 수 있다는 점에서 폴리유산보다도 보급이 쉽다. European Bioplastics에서 보고 된 세계의 바이오플라스틱 생산성능에 의하면 2011년 시점에서 폴리유산이 18만6,000 톤에 비해 바이오PE, 바이오PET는 합해서 65만 1,000 톤으로 역전되었고, 2016년에는 폴리유산이 29만5,000 톤인데 비해 487만 톤으로 크게 늘어나리라고 예측하고 있다.
폴리유산
폴리유산은 생분해성을 가지는 수지로 현재 일반적으로 유통되고 있는 제품은 식물유래의 녹말을 미생물로 발효시켜 유산으로 변환하고, 이것을 중합하여 만들어진다. 내열성을 지표로 말하면, 범용 플라스틱으로 자리매김하고 있지만, 결정화 속도가 느리기 때문에 형성 사이클이 길고, 굳히기 위한 후가공이 어려우며, 글래스 전이온도가 58℃로 낮아 사용가능한 온도영역이 좁으며, 가격이 약간 비싸고, 취급이 어려운 소재로 알려져 있다.
한편 기존의 수지와는 다른 화학구조를 가지고 있어서 좋다, 나쁘다와는 별개로 유일한 성능을 가지고 있다. 일반적인 범용 플라스틱과 다른 대표적인 특성으로서 투명하다, 딱딱하다, 약하다, 무겁다, 데드홀드성이 있다, 가스 투과성이 높다(가스배리어가 없음), 투습성이 높다(수증기배리어가 낮음), 내수성, 내유성, 내자외선성이 있다, 히트씰성이 좋다, 방염성이 있다(섬유), 연소 칼로리가 낮다(종이와 같은 정도), 깨끗하게 탄다(연소잔차가 없음, 연소시 악취가 나지 않음) 등을 들 수 있다.
다음 페이지 이후에서는 폴리유산을 이용한 제품의 구체적인 예를 들고, 어떠한 특성을 살리고 있는지를 해설하고자 한다. 주로 테라마크에서 만든 제품의 예를 나타낼텐데, 일부 타사의 폴리유산을 이용한 것도 소개하고자 한다. 생분해성 및 바이오매스 유래를 선전 포인트로 하는 예생분해성 및 바이오매스 유래라고 하는 특징은 석유자원 유래의 플라스틱에 비해 참신하기도 하고, 이해하기도 쉽다. 또 친환경적이고, 지속가능하며, 온난화 방지 등 지금 크게 유행하고 있는 말과도 잘 어울린다. 이러한 특징을 선
전 포인트로 폴리유산 제품을 기획하는 것은 자연스런 흐름이다. 여기서 4종의 사용 예를 소개한다.
음식물용 쓰레기봉투(생분해성)
음식물용 쓰레기봉투와 생분해성 수지의 상성이 좋은 것은 직관적으로도 이해된다. 하지만 자치제 규범에서 도입할 경우 처리 가능한 퇴비처리 시설 및 만들어진 비료의 사용방법 등을 포함해 종합적으로 계획할 필요가 있어, 어디서든 바로 도입할 수 있는 것이 아니다.
홋카이도 후라노시는 이러한 과제를 해결하고, 테라마크 쓰레기봉투를 오랫동안 사용하고 있다. 생분해성을 기능으로 이용하고 있는 사례인데, 결과적으로 플라스틱 쓰레기의 감소, 지역 이미지 향상 등의 효과도 얻고 있다.
에코백(바이오매스 유래, 생분해성)
상당히 디자인적으로 우수한 에코백으로 전시회에 내놓아도 인기를 얻고 있다. 또, 서둘러 정리하고 싶을 때에는 꾸깃꾸깃 접을 수 있도록 폴리유산 생지에 플릿츠 가공을 한 아이디어제품이기도 하다. 하지만 폴리유산 섬유로 짠 천은 깨끗하게 접어두게 되면 보관환경에 따라서는 1년 정도 만에 접힌
부분이 찢어져버린다. 이와 같은 특징이 있음에도 불구하고 제품에 일부러 접는 선을 넣는 디자인은 도전적이라고 말할 수 있다. 단지 제조업자는 이 문제점을 잘 이해하고 있어 제품 패키지에는 에코제품인 것을 추가로 상세하게 기입해 취급상의 주의점을 기재하고 있다.
한편, 이 제품을 구입하는 소비자는 다소 불편하더라도 환경에 좋은 일을 하고 싶다고 생각하는 계층일 것이다. 지금까지 클레임이 거의 없는 것은 이러한 것을 반증한다. 양은 많지 않지만 오랫동안 계속해서 팔리고 있어 이처럼 환경의식이 높은 사람들이 일정 수 존재하고 있다고 추측하고 있다.
유아용 식기(바이오매스 유래)
식기세척기에도 전자렌지에도 대응하는 유아용 식기이다. 일반적으로 폴리유산으로 만든 식기는 뜨거운 탕을 넣으면 형상이 유지되지 않거나, 딱딱한 바닥에 떨어뜨리면 간단히 부서져버려 첨가제를 더하는 등의 개질을 시도해 이러한 과제를 해결했다.
하지만 선전 포인트로는 고성능인 것은 뒤에 두고 소재가 가지는 친환경적인 이미지를 상품전체의 컨셉으로 발전시키고 있다. 유니버설 디자인을 집어넣어 사람에게 친근함을 더함과 동시에 다양한 색, 패키지에 자연스런 맛을 강조하는 등, 제조사의 의도가 소비자에게 전달되기 쉬운 제품이다. 더욱이 차별화를 도모하기 위해 식기표면에 인쇄를 넣는 시도도 진행되고 있다.
자동차부품(바이오매스 유래)
프리우스로 대표되는 하이브리드 차는 연비가 좋고 가솔린 사용량이 적어 친환경적이어서 폭발적으로 팔리고 있다. 하지만 팔리고 있는 진짜 이유는 가솔린 사용량이 적고 유지비도 저렴한 차가 환경면도 우수하다는 점 때문이라고 생각하는 편이 더 이해하기 쉽다. 여기서 구매행동면에서 유지비가 뛰어나다는 것은 필수항목이지만, 여기에 환경에도 우수하다고 하는 점을 강력하게 밀어붙이고 있는 것이다.
이러한 생각의 연장선 상에서 자동차 제조사는 각 부재에 바이오매스 유래의 수지를 사용하는 것에도 적극적이다. 다수의 부품에서 폴리유산을 채용한 예를 볼 수 있다. 하지만 성능면의 제약이 있어 이러한 부품으로 종래 사용되고 있던 수지와 폴리유산을 혼합하여 사용하는 것이 일반적이다. 물론 생분해성은 배제되어 있다.
폴리유산 특유의 기능으로 채용된 예
전항에서 소개한 것은 생분해성, 바이오매스 유래인 것을 선전 포인트로 한사례였지만, 아래에서는 폴리유산을 환경소재로서 사용하고 있는 것이 아니라 그 특성(생분해성도 포함)을 기능으로서 살린 7종의 제품을 소개한다. 판매 시에는 폴리유산의 환경성능도 크게 어필하지만, 그 소재를 채용한 진짜이유는 각각 특징이 있다.
티백(외관의 아름다움과 풍미)
당사가 폴리유산 사업을 시작한 초기부터 계속해서 사용되고 있는 용도에 메쉬필터 티백이 있다. 고급녹차 및 유럽용 홍차 매상이 크므로 바이오매스 유래인 것과의 고급 이미지가 어울리고, 생분해성 티백은 유럽에서 일반적인 퇴비에 그대로 버려지므로 선호되는 것이라고 생각되는데, 소비자는 실제로 다른 기능에 끌리고 있었다. 하나는 투명한 폴리유산 섬유가 가지는 실크조의 질감이 고급감을 부여하고 있고, 하나는 상상도 할 수 없었던 이유인데, 차가 아름답게 보인다고 한다. 차잎감정사의 관능 테스트에서도 종이제, 나일론, PET 제 티백과 비교해 차 본래의 풍미를 방해하지 않는다는 결과가 나왔다. 이 사실을 객관적으로 나타낼 수 있다면 폴리유산의 새로운 특성으로서 넓은 응용
범위가 기대된다.
드레인재(가수분해성)
건축물을 세울 때에는 토지를 구성하기 전에 지반의 물을 빼는 작업이 필수이다. 버티컬 드레인이라고 불리는 공법에서는 띠모양의 폭 10cm 정도인 부직포와 플라스틱제 심으로 된 복합품을 지면에 수직으로 꽂아 토압을 이용해서 흙 속의 수분을 땅 위로 배출시킨다. 지반에 따라서는 40m가 넘는 깊이까지 꽂아 넣는다고 한다. 물이 충분히 빠질 때까지 일정기간 그대로 방치한 후에 중기로 조성을 시작하는데, 석유 유래의 수지인 경우 조성 후 굴삭공사시 중기에 얽혀서 문제가 되는 경우가 있다.
한편, 폴리유산 드레인재는 이 기간 가수분해가 진행되어 충분히 연해져서 공사를 진행해도 방해가 되는 일이 없다. 공사에 필요한 기능은 부드러워질 때까지 충분히 발휘하고, 공사후에는 생분해에 의해 완전히 분해되고 여기에 식물 유래이기 때문에 결과적으로 친환경적인 공법으로 어필할 수도 있어, 공공사업에서의 채용이 증가되는 경향에 있다.
벽지(딱딱함)
비교적 최근의 사례인데, 복층구조의 벽지 중간층에 폴리유산 필름이 채용된다. 개발단계에서는 이 부분에 폴리유산을 이용하는 이유가 잘 전달되지 않았는데, 아마도 바이오매스 소재를 사용함에 따라 제품과 기업 이미지 향상을 노리는 것이 아닐까 추측했었다. 하지만 발매 후 확인된 명확한 채용 이유는 폴리유산 필름이 딱딱하다고 하는 특성에서 착안한 것으로 상당히 합리적이었다. 벽지를 찢지 않고 붙이려면 그에 상응하는 기술이 필요한데, 폴리유산 층을 넣은 벽지는 견고하기 때문에 비교적 간단하게 깨끗하게 붙일 수 있어, 시공성 향상에 기여한다는 것이다. 한편 벽지 카탈로그에는 바이오매스 소재를 이용하고 있는 것이 부족하지 않게 어필되어 있다. 개발과 발매, 쌍방으로의
전략이 기능하고 있는 사례로서 흥미롭다.
사탕포장지(데드홀드성)폴리유산 필름은 데드홀드성(비틀림 유지성)을 가지고 있다. 이 특성의 용도로서 알기 쉬운 사례가 사탕 포장지이다. 감싼 뒤에 비틀기만 하면 포장이 가능하므로 제조공정 효율화로 이어진다. 단, 필름가격 상승분을 효율화와 바이오매스 이미지로 흡수할 수 있는지 아닌지는 어려운 판단일 것이다.
쉬링크 포장 라벨(딱딱함)
폴리유산의 특징의 하나로서 일반적인 올레핀계 수지에 비해 딱딱한 점을 들수 있다. 이것은 폴리유산의 대표적인 사용상의 어려움이기도 한데, 필름으로 만든 경우 그 딱딱함은 얇은 두께로 강도를 유지할 수 있고, 따라서 수지 사용량을 줄일 수 있다는 이점이 있다. 즉, 수지단가가 높은 폴리유산을 이용함으로써 전체적인 비용절감으로 이어지는 것이다. 최근 국내외에서 폴리유산의 쉬링크 포장 라벨을 눈앞에 두게 되었다. 각사 공통으로 그 환경성능을 말하는데, 기업 이미지를 높이는 한편 비즈니스면에서도 타협을 하지 않는다.
3D 프린터용 모노필라멘트(뒤집히지 않는다. 냄새가 좋다.)
2013년 3D프린터의 인지도는 일본에서도 급속도로 높아졌다. 그중에서도 열용융 적층법(FDM) 3D 프린터는 일반 가정용으로 보급이 진행되고 있는데, 그조형재료로서 폴리유산 모노필라멘트가 이용되고 있다. 3D 프린팅에서는 금형이 없으므로 냉각시의 변형이 문제가 되는데, 예를 들어 ABS로 평평한 판을 조형하면 뒤집어져 버리는 경우가 많았는데, 폴리유산은 변형이 아주 적은 재료로서 이 분야에서 널리 알려져 있고, 딱딱하기 때문에 후가공의 어려움이 있음에도 불구하고도 주요 재료로서 침투하고 있다.
쉘가스 굴삭부재(가수분해성)
쉘혁명이라고 하는 말은 근래 몇 년 사이 유명해 졌다. 수압파쇄법으로 공암(쉘) 층의 가스 및 오일을 회수하는 기술이 다양한 방법으로 실용화되어 있는데, 그 중에서 쉐룽벨제사가 특허를 가지고 있는 방법으로 폴리유산 단섬유가 이용되고 있다. (사진9) 섬유를 액체에 섞으면 점도가 올라가는 작용과 폴리유산의 분해성이 각각 필수 기능으로서 작용하는 것이다. 여기서 흥미로운 것은 이 공법에 있어서 생분해성이 필요하다는 것이다. 쉘층 속에 가수분해되면서 용액상태가 되어 가스 및 오일이 효율 좋게 회수된다고 해설되고 있으며, 이것 또한 극적으로 합리적인 이유에서 채용된 사례이다. 한편, 실제 채용이유와는 별도로 쉘층에 구멍을 파는 등 환경에 악영향을 걱정하는 사람들에게도 바이오매스 유래이면서 더욱이 생분해성을 가지는 폴리유산은 받아들어지기 쉬운 부재이기 때문에 반대운동을 부드럽게 하는 데 도움이 되고 있다.
폴리유산 제품의 미래
고객은 어떠한 이익을 위해 상품을 선택한다. 생분해성 및 바이오매스 유래라는 요구에 적합하면 좋은데 그렇지 않을 경우 다른 소재의 우위성을 별도 성능으로 찾을 필요가 있다. 폴리유산은 결코 고성능 플라스틱이 아니지만, 기존의 수지와는 다른 몇 가지 독특한 특성을 가지고 있다. 이러한 특성이 고객의 과제해결에 도움이 되도록 용도를 예측해 선전하는 도구로 활용하는 것이 시장에서의 존재가치를 얻는 중요한 전략이 될 것이라 생각한다.
한편, 지구환경을 배려한 상품은 최종소비자가 상품을 선택함에 있어 추가로 작용하는 요소임에 틀림없다. 유감스럽게도 현재 이러한 우선순위가 낮을 뿐이다. 여기서 과제해결에 도움이 되는 소재를 선택한 결과 환경에도 친절한 제품이 만들어졌다고 하면 어떠할까? 이 환경성능은 상당히 유효한 ‘덤’으로서 구매행동의 인센티브가 될 것이다.
<출처 월간PT 10월호>