보고서

바이오 플라스틱 보고서 본론 2 (바이오 플라스틱의 활용)

1.생분해성 플라스틱

대표적인 생분해 플라스틱인 PLA는 전분을 발효시켜 젖산(lactic acid)을 만들고, 그 젖산을 중합하여 제조하고 있다. 천연 고분자를 원료로 하는 cellulose, hemicellulose, pectin, 및 lignin 류와 저장 탄수화물인 전분 등 식물에서 유래하는 것으로 PLA, TPS 등과 새우, 게 등의 껍질을 포함한 키틴질을 기초로 한 동물 유래의 것들이 있으며, 미생물 생산 고분자에는 PHA (poly hydroxyalkanoate), PHB (poly-β-hydroxybutyrate), PHV (poly-β-hydrolyvalerate), 이들의 공중합체인 PHB/PHV 등의 poly-alkanoates가 있다. 또한 단량체를 화학 합성하여 얻는 생분해 플라스틱에는 지방족,폴리에스터, PCL, PGA (poly glycolic acid) 등이 있으며, 이는 미생물 생산 고분자보다 생산이 비교적 수월하고 기존 플라스틱과 물성 및 응용분야가 유사하므로 개발시 시장진입의 용이성을 가지고 있어 상업화 가능성이 다른 생분해 플라스틱보다 높은 편이다. 바이오 매스 유래 단량체 중합형 플라스틱은 석유계 플라스틱과 생산공정이 유사하여 기존 플라스틱 생산기술을 활용할 수 있으므로 많은 석유화학기업 및 바이오 관련 기업에서 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

사용되는 원료

1>셀룰로오스

포도당이 한 줄로 이어진 사슬인 셀룰로오스는 지구상에 존재하는 생물이 만들어내는 가장 흔한 화학 물질이다. 셀룰로오스의 성질을 결정하는 정확한 배열 즉, 사슬 길이나 연결도는 셀룰로오스를 추출한 원자재와 관련되어 있다. 셀룰로오스를 포함한 재료는 톱밥과 같은 산업 부산물에서 얻을 수 있다.

           나노 셀룰로오스

           균질기를 사용해 나무의 주성분인 셀룰로오스를 나노 수준으로 분해한 고분자 물질이다. 셀룰로오스를 나노기술을 적용하여 더 우수한 장점들이 나타나도록 하여 더 다양한 분야에 응용될 수 있다. 나노 셀룰로오스의 일종인 CNF는 화학적 처리, 생물학적 처리와 달리 기계적처리를 주로 이용하여 제조된 물질이다. 이를 통해 다양한 입자 크기와 형태를 배합하여 다른 회사 또는 연구기관은 구현하기 어려운 형태의 물성을 구현할 수 있다. 또한, CNF 제조 시 화학적 처리 및 생물학적 처리와 달리 최종 공정이 기계적 공정이기 때문에 인체에 유해한 화학성문으로 인한 우려없이 화장품 연료에 바로 적용이 가능한 장점이 있다.

2> 키틴(키토산)

자연환경에서 셀룰로스에 이어 두번째로 많이 존재하는 중합체이다. N-아세틸글루코사민이 연속적으로 결합된 형태로 이루어져 있다. 또한 가재, 게, 새우 등의 갑각류의 껍데기, 풍뎅이, 매미, 메뚜기 등의 곤충의 외골격, 오징어 등 연체동물의 골격, 곰팡이, 효모, 버섯 등 진균류의 세포벽의 주성분이기도 하다. 키틴은 다양한 생명체에서 합성되기 때문에 생중합체로 여겨지기도 하고, 물에 녹지 않는 화학적 성질을 가지고 있으며 탈아세틸화라는 화학과정을 통해서 다양한 목적으로 응용 가능한 물에 녹는 키토산(Chitosan)이라는 물질로 변형된다.

세포를 보호한다.

3> 전분

글루코스(포도당)로부터 구성되는 다당류로 식물체에 의하여 합성되고 세포중에 전분입자로서 존재하고 있다. 전분입자는 식물의 종류에 따라 다른 크기, 모양을 하고 있다. 이를 채취하기 위해서는 원료식물체를 분쇄하여 냉수에 담그면, 전분입자는 아래로 침전하게 된다. 매우 풍부하여 최근 열가소성 플라스틱의 대체 물질로 사용하기 위해 가공시의 열분해 및 유동성 문제를 해결하기 위한 열가소성의 부여, 범용 플라스틱의 상용성 개량 및 수산기 치환기술이 개발됨에 따라 전분유도체를 주성분으로 하는 열가소성 물질이 소개되었다.

적용분야

(1)친환경 종이배터리

나노셀룰로오스라 불리는 이 종이 배터리는 지름 15cm 크기로 접어도 망가지지 않을 정도로 유연성이 뛰어나고 일부를 잘라내도 기능을 유지한다. 주재료는 나무의 약 40%를 구성하는 셀룰로오스이며, 머리카락 5만 분의 1 두께인 셀룰로오스 가다 가닥을 결함 없이 균일하게 코팅하는 기술을 사용하였다. 고압의 물을 쏘아 셀룰로오스의 지름을 20나노미터까지 얇게 만든 후에 전기가 통하는 고분자 화합물로 만드는 실험을 수없이 반복한 결과, 주변에 얇은 코팅 막이 생기면서 전기가 잘 흐르는 소재가 만들어지는 과정을 거쳐 만들어 질 수 있었다.

(2)화장품

물에 녹인 나노셀룰로오스는 압력을 가하면 끈적임 없이 촉촉하지만, 마르면 고형에 가까운 점성을 띤다. 이를 응용하면 메이크업 고정용 스프레이나 뿌리는 마스크팩 제조에 활용할 수 있다. 또한, 다른 성분과 섞여 균일하게 분산하는 특성이 있어 뭉침 없는 파운데이션, 자외선 차단제 개발에도 쓰이고 있다. 피부에 닿으면 높은 포수력이 나타나는 특성을 이용하여 화장품의 유효 성분을 더 지속시킨다.

(3)IT 기기 및 자동차 전장 부품

LG전자는 대나무에서 추출한 나노 셀룰로오스로 스마트폰 커버유리 대체하는 연구를 진행 중이다. 대나무 기반 나노 셀룰로오스는 일반 목재 펄프에서 추출한 나노 셀룰로오스보다 유연성 및 투과율 장점이 뛰어나 이 점을 활용한다.

LG화학과 향후 나노 셀룰로오스를 활용한 리튬이온전지 분리막 개발도 진행할 계획이다. 기계적 특성이 뛰어나면서 가벼워 자동차 경량화 소재 개발에도 중요한 역할을 할 수 있다. 탄소섬유 등과 경쟁하면서 철, 알루미늄 등 기존 차량용 금속 소재를 대체할 것으로 기대된다.

(4)필터

스웨덴 과학자가 독일의 바이러스 전문가와 함께 물에서 바이러스를 제거할 수 있는 나노셀룰로오스 섬유필터를 개발하였다. 나노셀룰로오스 파이버(CNF) 필터페이퍼는 프랑스의 프렌치파이인 밀푀유(mille-feuille:1천장의 나뭇잎)와 유사한 형태를 갖고 있어 미세한 크기의 바이러스를 효과적으로 제거해준다. 이 새로운 구조의 나노셀룰로오스 시트는 물리화학적인 내성을 갖는 바이러스를 걸러줄 수 있는 세공구조의 프렌치 파이 형태를 하고 있어 장시간동안 효율적으로 바이러스를 제거할 수 있다.

2. 산화 생분해 플라스틱

현재 그 물성, 원가, 분해 기간 조절 등의 장점이 부각되어 연구 개발 및 제품화가 활발한 실정이다. 특히 수분이 부족하여 미생물 분해가 어려운 사막기후인 중동, 생분해가 너무 빨라 유통 중 조기 생분해가 우려되는 아열대 지역인 동남아 지역을 중심으로 산업화가 많이 되고, 유럽, 미국 등으로 산업화가 빠르게 확산되고 있다. 산화생분해 플라스틱 제품은 생활용품, 산업용품, 농업용품, 건축토목, 일회용품 분야 등 광범 위하게 적용을 할 수 있는 장점 때문에, 대한민국 국가산업 발전 및 산업 활성화에 큰 역할을 기대 할 수 있다. 최근 주목을 받고 있는 산화생분해 제품은 PE, PP 등 범용 플라스틱을 분해할 수 있는 바이 오매스, 생분해 촉진제, 산화제 등을 포함하여 제조한 제품이 사용되고 있다.

3. 바이오 베이스 플라스틱

바이오매스를 25% 이상 함유한 바이오 베이스 플라스틱은 석유계 플라스틱에 비해 내충격성, 내열성, 성형성 등 물성이 뒤져, 과거에는 식품용기나 포장재 등 몇몇 제품에만 제한적으로 사용되고 있었으나, 연구가 거듭되어 점차로 물성이 개량됨에 따라 자동차, 건축 내장재, 포장재, 식품용기, 생활용품, 사무기기 등에 사용되고 있는 기존의 석유계 플라스틱을 빠른 속도로 대체해 나가고 있다. 특히 단기간 내에 분해가 되지 않아야 하는 산업용 패키징 분야, 미생물 효소 등이 살 아 있어 유통 중 식품 포장재의 내구성에 영향을 미칠 가능성 이 있는 발효식품 분야, 제품의 내구성이 약화되지 않아야 되는 산업용품 분야, 건축 내장재, 필름 등 강도가 강해야 되는 분야 및 농원예 분야를 중심으로 적용이 확대되고 있는 실정이다. 특히 기존에는 전분 가소화 기술만이 있었으나, 현재는 식물체 셀룰로오스를 가소화 시킴으로써 물성을 보완하고, 식물체 사용량을 대폭 증가시키는 기술이 개발되어 제품에 적용되는 단계까지 기술이 발전하고 있어 더욱 산업화가 가속될 것으로 전망되고 있다. 석유화학 유래 원료가 아닌 사탕수수, 옥수수 등 식물체 바이오매스를 일부 또는 전부를 적용하고 있다. 이 제품들의 특징은 분해기간이 정해져 있지 않아 난분해 플라스틱으로 분류된다.

  • 바이오 베이스 페트병(Plant Bottle)

일본 Plant Bottle은 2009년 5월 첫 판매가 된 미네랄워터의 경우, 정작 내용물보다는 이를 담은 페트병이 더욱 화제가 되었으며 페트병 제조사는 환경기능을 강화하여 친환경 제품임을 표방한 해당제품은 기존 PET원료에 사탕수수에서 추출한 바이오 에탄올을 5~30% 첨가 사용하여 페트병을 만들었다고 발표하였다. 제조사의 설명에 따르면 식물 유래 페트병을 사용했을 경우 연간 석유 사용량을 2045kl 감소시킬 수 있기 때문에 환경에 도움이 된다고 하였다. 코카콜라는 2009년 Bio PET음료수병인 플랜트 보틀을 선보인 바가 있는데, 사탕수수에서 추출한 바이오매스 유래 원료인 MEG(mono-ethylene glycol)가 30%, PTA(purified terephthalic acid) 70%로 혼합된 바이오 베이스 플라스틱병이다. 코카콜라에 따르면 플랜트보틀 출시로 16만 배럴의 석유를 덜 사용한 것과 같은 효과를 냈으며, 6만 3025톤의 이산화탄소 배출을 감소시켜 자동차 1만 2천여대가 운행하지 않은 것과 같은 효과를 보였다고 한다.

  • 식품용기

각종 일회용품, 다회용품, 식품용기, 주방용품 등 다양한 포장재에 적용하고 있다.

  • 산업용 포장재

일본 한 회사에서 쌀을 원료로 한 CD 및 DVD 케이스는 비식용쌀 10% 이상과 플라스틱 레진을 원료로 하여 제작하였다. 플라스틱이 소각될 때 이는 탄소 중립 관점에서 기존 플라스틱 대비 10% 적은 이산화탄소를 배출하였다. 탄소 중립은 쌀이 재배될 때 벼가 이산화탄소를 흡수하기 때문에 쌀이 소각될 때 발생하는 이산화탄소는 대기중 이산화탄소 총량 관점에서 증가하거나 감소하지 않음을 의미한다.

  • 자동차 분야

2009년 12월 시장에 선보인 신형하이브리드카의 경우, 자동차 차체 12곳에 식물 소재 플라스틱을 사용했다. 식물에서 추출한 포리에스테롤을 기존 재료에 혼합해 새롭게 만든 친환경 플라스틱을 차체 천장이나 기둥 등의 내장에 주로 사용하였으며, 사용된 양은 실제 자동차 내장면적의 60%를 점유할 정도로 해당 신차는 옵션포함 최고가격이 426만엔의 고가임에도 불구하고, 당초 판매 목표였던 월간 3,000대를 큰 폭으로 뛰어넘어, 한달동안 약 1만 4천대가 팔릴 정도로 큰 성공을 거두었다.

(4)문구, 파일 분야
바이오매스 등 플라스틱 대체소재를 20~50% 첨가, 사용한다.