플라스틱 대체재로서의 바이오 플라스틱

[사무국]

화학‧화공‧섬유 분과 임승순

 플라스틱은 음식물 포장부터 최첨단의 휴대전화를 비롯한 전기·전자제품, 내연기관과 전기 자동차 그리고 각종 산업자재 부품까지 우리 일상생활 곳곳에서 사용되고 있다. 플라스틱은 가볍고, 강하며 부식성이 없고 내구성이 우수할 뿐 아니라 어떠한 형태라도 값싸게 가공하기 쉬운 장점이 있다. 그러나 화석 원료로부터 대량 생산되고 대량소비로 이어져 플라스틱이 생산되기 시작한 1950년대부터 2015년까지 폐기된 플라스틱양은 무려 약 65억 톤으로, 이중 약 600만 톤만이 재활용되고 있다. 나머지 중 800만 톤은 소각, 그리고 4,900만 톤은 매립되거나 자연환경에 방치되는데, 분해되지 않아, 수로, 농경지, 강 그리고 바다에 축적되어 토양과 해양 환경오염이 전 세계적으로 큰 쟁점이 되고 있다.

 이와 더불어 생산, 사용과 폐기 시 방출되는 잠재적 독성, 지구 온난화에 지대한 영향을 주는 온실가스 배출(전 세계 온실가스 배출량의 약 45%) 등도 논쟁거리가 되고 있다. 즉, 폐플라스틱에 의한 환경오염뿐 아니라 심각한 문제가 되는 온실가스 배출에 의한 지구 온난화도 고려해야 하는 시점에 와 있다. 

 단순히 폐플라스틱에 의한 환경오염으로 플라스틱 제품 사용을 줄이거나 일부 품목은 사용 금지로 플라스틱이 아닌 다른 대체재로 전환해야 한다는 주장도 강하게 대두되고 있다. 하지만 이러한 주장도 대체 소재의 환경적 영향을 간과하는 경향이 있다. 최근 J.M.Cullen 등은 플라스틱 대체 소재 대부분은 온난화 가스 방출에 좋지 않음을 보고하고 있다. 즉, 포장, 건축, 자동차, 섬유, 내구소비재 등 5대 핵심 분야에서 플라스틱이 사용되고 있는 16개 분야(전 세계 플라스틱 사용량의 약 97%)의 Green House Gas (온실가스: GHG) 배출 영향을 연구·조사·분석 결과, 16개 분야 중 15개 분야에서 <표 1>과 같이 플라스틱 제품의 GHG 배출량이 플라스틱 제품 수명주기 전반에 걸쳐 10~90% 수준으로 다른 대체재 제품보다 적음을 보였다.

 또, 현재 산업구조에서 적절한 플라스틱 대체재를 사용할 수 없는 분야도 있는데, 그것은 식품 포장 분야이다. 이는 식품 포장에서 부패 방지와 신선도 유지가 필수적이기 때문이다. 

 다른 예로 국내에서는 플라스틱 폐기물 문제 대용으로 종이봉투, 용기를 친환경 소재로 간주하여 일회용 포장재 규제 대상에서 제외하고 있으나, 종이는 이산화탄소를 흡수하는 소중한 나무를 벌목해야 하고 제조 과정 중 과량의 폐수 배출, 다양한 약품처리로 더 많은 온실가스를 배출하는 것을 고려하지 않고 있다. 

 그럼에도 전 세계 플라스틱 수요는 2020년 약 460만 톤에서 2060년에는 1,321만 톤으로 3배 정도 증가할 것으로 예측된다. 

 지난 20여 년간 EU는 바이오경제 전략을 운용하여 많은 성과를 얻고 있는데 2025년 3월 EU Bioeconomy Strategy 보고에서 [바이오 기반 소재의 경쟁환경 조성]을 담아 포장 및 접촉 민감 분야를 포함하여 타당한 모든 분야에 의무적으로 바이오 기반 함량 목표를 도입하여 제품 원료로서 바이오매스 사용을 확대하고 있다. 화석 원료가 아닌 재생 가능한 원료인 바이오매스로부터 생산되는 바이오 기반 소재 플라스틱이 하나의 대체재라 여기고 있다.

 바이오 플라스틱은 생물공학 기반 기술을 바탕으로 생산되는 생분해성(Biodegradable) 또는 바이오 기반 플라스틱으로 나뉜다. 세계적으로 산업화 이전보다 지구온난화를 1.5℃ 이내로 유지하는 것이 국제적 협약인데, 플라스틱의 기후 영향에 대처하려는 조치로 세계 각국이 2023년 이후 일회용 플라스틱을 제한하고 있다. 예로서 바이오매스 함량이 50%만 되어도 석유 기반 플라스틱 대비 CO2 80% 감소 효과가 있음이 2017년 Science Advance에  보고하고 있다.

 우리나라는 석유화학산업과 마찬가지로 재생할 수 있는 바이오매스 자원 역시 수입해야만 하는 산업구조를 갖게 되겠지만, 기본 원료인 옥수수, 목재, 식물유를 근간으로 하는 다양한 기본 화학제품을 제조할 수 있는 bio refinery 산업으로의 전환도 필요하다. 

<그림 1> Bio refinery value chain

 세계적으로는 글로벌 바이오 플라스틱 시장은 이미 선진 제국기업들이 독점하고 있어, 국내 기업들이 바이오 플라스틱 소재-제품 기술개발에 정부의 R&D 투자 및 산업육성 정책지원이 절대적으로 필요하다. 기존 플라스틱의 개발 목표는 더 강하고 내구성이 요구되는 내구성 소비재와 강도가 요구되지 않는 비 내구성 소비재로 되어있다. 바이오 플라스틱은 기존 플라스틱의 제 물성과 비교하면 여러 가지 성질이 뒤져있어, 현재의 용도에 사용할 수 없는 것이 많다. 이는 연구개발 여하에 따라 기존 외국 기업을 따라잡을 수 있는 여지가 있다고 생각한다.

 바이오 플라스틱의 종류를 분해 특성과 같이 나타내면 <표2>와 같은데, EU 플라스틱협회에서는 세계 생산능력이 2021년 약 241만 톤에서 2026년 759만 톤으로 약 250% 성장할 것으로 전망한다.

 특히 생분해성 플라스틱은 분리수거가 잘 되면 물질 재활용도 가능하고 다른 플라스틱과 혼합 재활용하는 데 문제가 없다고 알려져 있다. 생분해성 플라스틱은 적절한 조건에서 물과 이산화탄소 분해되어 자연계로 순환되어 물질 순환이 가능한 소재로 순환 경제적 측면에서도 유용하다.

<표 2> 플라스틱의 비교

 그러므로 현시점에서는 기존 화석 기반 플라스틱과 그 대체재로서의 바이오 플라스틱(생분해성 포함)을 상호 보완을 하여 사용하여야 한다. 

 지구환경에 부하를 온실가스 배출량을 최소화하도록 하여, 물성 및 가공성 개선, 신규 생분해성 고분자의 연구개발, 그리고 분해 및 퇴비화 기준 등도 연구한다. 2025년 7월 유럽화학산업의 행동계획에서 탈탄소화 및 순환 경제 전환을 지원하여 지속 가능한 바이오 기반 소재의 대량생산 기술개발과 혁신 및 부가가치 확립에 중점을 두고 있다. 

 끝으로 미래에도 플라스틱은 인간의 일상생활이나 산업적인 측면에서 필수 불가결한 재료로 플라스틱이 쓰이지 않는 시대는 도래하지 않을 것이라 단언한다. 단지 기존 플라스틱의 대체재와의 경합에서 바이오 플라스틱이 지속적으로 성장하기 위해서는 이산화탄소 저감에 의한 온실가스 배출량 감축 및 에너지 절감을 목표로 하는 탄소중립 사회를 구현해야 한다. 이를 위하여 모든 플라스틱 제품의 전 주기 평가제도를 확장하여 국제적 기준을 능가하는 독자적인 표준화가 필요하다. 또한 플라스틱 폐기물 처리에 대한 연구개발을 지속적으로 실행하여, 재활용이 쉬운 플라스틱 제품설계, 각종 플라스틱의 열분해 메커니즘과 재활용 방법도 개발해야 한다.

필자소개
일본 동경공업대학(현 동경과학대학) 유기나노공학박사
한양대학교 교수, 명예교수, 공과대학장, 산업대학원장, 
한국공과대학장 협의회 초대회장
한국공학한림원 원로회원
한국과학기술한림원 종신회원