인체에 무해, 폐기시 미생물에 의해 100% 생분해
과학 기술이 진보함에 따라 천연 고분자물질의 대용품으로 합성플라스틱이 개발됐다.
현재도 합성플라스틱이 갖는 독특한 물성, 안정된 공급, 싼 가격 그리고 제조 및 가공 용이성 등의 장점으로 인해 천연소재의 한계와 제약으로부터 벗어나 플라스틱을 중심으로 다양한 고분자물질이 개발되고 있다.
그러나 대부분 현재 상품화되어 있는 플라스틱은 사용 후 자연환경에 버려질 경우 분해되지 않고 반영구적으로 남아 있어 환경오염문제를 야기하게 된다.
따라서 사용시의 편리성 및 내구성만을 비약적으로 향상시킨 합성플라스틱을 대체할 수 있고, 사용 후 붕괴 또는 분해되어 자연의 순환사이클로 흡수됨으로써 환경오염의 문제를 배제할 수 있는 "생분해성 플라스틱"이라는 새로운 기능을 가진 고분자물질의 사회적인 요구가 높아지고 있다.
<분해성 플라스틱의 종류>
생분해성과 생붕괴성, 광분해성 플라스틱 세종류
일반적으로 미생물이나 빛에 의해 썩거나 분해되는 고분자를 "생분해성 고분자" 또는 협의로 "생분해성 플라스틱"이라고 한다.
현재 국제적으로도 용어정의나 분해도 평가방법 등이 통일되지 않는 가운데 각 개별국가에서는 독자적으로 분해성 플라스틱에 대한 연구개발과 산업화가 추진되고 있다.
미국 등에서는 PE에 전분을 혼합시킨 생붕괴성 플라스틱도 생분해성 고분자에 포함시키고 있으며, 또한 광분해성 플라스틱도 생분해성 고분자로 분류하는 경우도 있다.
가. 생분해성 플라스틱
천연고분자, 미생물생산 고분자, 바이오케미칼 고분자
현재 생분해성 고분자의 재료를 형성하고 있는 것은 천연화합물을 원료로 한 생분해성 고분자 와 미생물이 생산하는 바이오폴리머, 미생물이 생산하는 바이오케미칼을 합성원료로 한 고분자 등이 있다.
1. 천연고분자
천연고분자를 원료로 한 생분해성 고분자는 셀룰로우즈, 팩틴 및 저장 탄수화물인 전분 등 식물에서 유래하는 것과 새우, 게 등의 껍질을 포함한 키틴질을 기초로 한 동물 유래의 것들이 있다.
이러한 천연고분자를 이용한 생분해성 플라스틱제조의 한 예는, 미세한 셀룰로우즈 섬유, 키틴을 가수분해하여 얻은 키토산의 초산수용액과 제 3성분을 일정비율로 혼합해 얻어낸다.
인장강도는 제조조건에 따라 다소 차이가 있지만, 약 1,000kg/cm2이고, 습윤상태에서도 충분한 강도를 갖는다.
그러나 천연고분자를 이용하여 제조된 생분해성 플라스틱은 분해성은 뛰어나나 품질이 균일하지 않은 단점이 있다.
2. 미생물생산 고분자
미생물생산 고분자는 미생물이 만들어내는 생고분자(바이오폴리머)를 활용하여 플라스틱과 같은 기능을 갖는 물질을 만드는 것이다.
3. 바이오케미칼(Biochemical) 고분자
바이오케미칼 고분자란 발효기술에 의해 저가격으로 제조된 아미노산, 당, 폴리에스터 등의 원료를 고분자합성기술로 만들어진 미생물에 의하여 분해되는 고분자물질을 말한다.
이 고분자는 미생물생산고분자가 갖고 있는 기술적 어려운 점을 보완할 수 있어 기능의 조절이 용이하고 풍부한 변화를 부여할 수 있어 이상적인 생분해성 고분자로 평가되고 있다.
많은 종류가 개발되었으며 이들 대부분은 가격이 상당히 고가이기 때문에 의료용 재료 등 고부가가치 제품에 한하여 이용되고 있다.
그러나 옥수수전분을 발효하여 젖산을 생산하고 이를 중합하여 생산하는 PLA는 대량생산이 가능하므로 향후 PE를 대체하는 범용플라스틱으로까지 발전될 것으로 예상된다.
나. 생붕괴성 플라스틱
일반적으로 생붕괴성 플라스틱은 전분과 같은 자연적으로 분해되는 고분자물질을 폴리에틸렌( polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 및 폴리스티렌(polystyrene) 등과 같은 플라스틱에 섞어서 만들어지는 것이다.
분해가속제로 각종 첨가제를 넣어 분해를 촉진시켜 주는 것으로 알려졌다.
이와 같은 방법으로 만들어지는 생붕괴성 플라스틱은 현재 미국과 이탈리아에서 활발히 연구 개발되고 있다.
산업적 활용도 다른 분해성 플라스틱에 비하여 신속히 진행되고 있으며 국내에서도 대학연구기관과 민간기업이 협동체계를 이루어 연구 중에 있다.
이와 같이 전분을 충전한 생붕괴성 플라스틱은 완전한 분해성을 갖는 것은 아니지만 미국, 캐나다 등지의 대학연구기관이나 민간기업에서는 사회적 필요와 정부 및 지방자치단체의 법적 규제에 대한 대응책으로 활발히 연구되고 있다.
연구개발과 산업화를 통해 쓰레기주머니나 쇼핑백 이외의 각종 일회용 제품에도 그 실용화를 확산시키고자 하고 있다.
그러나 정확한 분해시기의 제어방법과 2차 잔유물의 유무에 대한 논란이 지속되고 있어 향후 이 분야에 대한 분해도 평가방법이나 용어정의가 국제적으로 통일되어야 한다.
현재의 생산가격을 더 낮출 수 있어야만 그 용도 개발은 물론 실용화를 앞당길 수 있을 것이다.
다. 광분해성 플라스틱
태양광선의 자외선 에너지 이용, 중금속 등의 첨가로 인한 2차 오염의 우려
광분해성 플라스틱은 기본적으로 태양광선의 자외선 에너지를 이용, 고분자 고리를 끊어 수지의 물리적 성질을 저하시키고 궁극적으로 분자량이 낮게 되어 분해되는 플라스틱을 의미한다.
광분해성 플라스틱은 단순히 광분해 활성제만을 이용함으로써 이루어지는 것이 아니고, 자외선 안정제와 광분해 활성제의 두가지 성질을 조화있게 활용, 원래의 물리적 성질을 유지하면서 원하는 일정기간내에 분해가 가능하도록 만든 분해성 플라스틱의 일종이다.
광분해성 플라스틱의 분해에 이용되는 빛에너지는 보통 290～315nm사이의 자외선이다.
모든 플라스틱은 각기 고유속도로 서서히 광분해되는데, 그 화학구조에 따라 자외선을 잘 흡수하는 것과 그렇지 못한 것이 있다.
대체로 290nm 범위의 자외선 에너지는 플라스틱을 이루고 있는 탄소수소결합을 끊는데 충분하다.
순수 플라스틱 자체는 극소량의 불순물에 의해 광분해 반응은 시작되며, 반응이 진행됨에 따라 빛을 흡수하거나 또는 광분해 반응에 직접 참여하는 화학구조물이 생성, 반응이 가속화된다.
이런 광분해의 정도는 플라스틱 자체의 화학구조와 직접관계가 있는 것으로 알려졌다. 아울러 광분해의 가장 중요한 반응구조는 산화반응에 의한 분해인데, 이는 과산화물의 분해로부터 시작되는 것이다.
이와 같은 기본 반응구조를 이용하여 여러 형태의 광분해성 플라스틱이 연구 개발되고 있으며 이미 실용화되고 있는 플라스틱의 광분해 기술도 있다.
<분해성 플라스틱의 전망>
생붕괴성 플라스틱, 광분해성 플라스틱 완전분해 한계
생분해성 플라스틱의 사용 의무화 입법 추진 필요
지속적인 기술개발과 대량생산필요 가격 경쟁력 제고가 관건
분해성 플라스틱은 지구 환경보존이라는 사회적 요구로 등장했으나, 그 종류 및 기능이 제한되어 있어 기존의 플라스틱을 완전히 대체할 수 있는 단계는 아니다.
즉, 폐플라스틱에 의한 환경오염문제를 완전히 해결할 수 있는 수준은 아니다.
지난 80년대 초 기존의 플라스틱에 전분 등을 첨가한 생붕괴성 플라스틱이나 광분해 촉진제를 첨가한 광분해성 플라스틱이 기존의 플라스틱 대체품으로 등장하여 각광을 받은 적이 있다.
하지만 사용후 토양 등 자연 상태에 폐기처분되어도 생붕괴성 플라스틱은 분해되지 않고 미세하게 붕괴만 되므로 완전 분해의 한계점을 드러냈다.
광분해성 플라스틱은 광분해 촉진제의 성분인 중금속 등의 첨가로 인한 2차 오염의 우려와 매립시 광선차단으로 분해되지 않는 경우도 있기 때문에 선진국에서는 그 사용을 제한하는 추세에 있다.
이에 따라 폐플라스틱에 의한 환경오염을 근원적으로 해결하기 위해 미국을 비롯한 구미 선진국에서는 점차 생분해성 플라스틱의 사용을 의무화하는 입법이 추진되고 있다.
이와 같은 추세에 발맞추어 국내에서도 학계, 연구기관 그리고 관심기업에서 연구개발 및 산업화를 서두르고 있지만, 아직 충분한 준비가 되어 있지 않고, 또한 산업화의 전망이 뚜렷하지 않아 관망하고 있는 형편이다.
한편 완전 생분해성 플라스틱의 하나로 물성이 폴리에틸렌과 거의 유사하고 대량생산이 가능한 PLA(Poly Lactic Acid)가 환경친화적이어서 다른 생분해성 플라스틱보다 많은 관심을 받고 있다. PLA는 옥수수의 전분에서 추출한 원료로 만든 친환경 수지다.
뜨거운 음식을 담거나, 아기가 입으로 물거나 빨아도 환경호르몬은 물론, 중금속 등 유해 물질이 검출되지 않아 안전하다다.
사용 중에는 일반 플라스틱과 동등한 특징을 가지지만 폐기시 미생물에 의해 100% 생분해되는 재질이다.
그러나 생분해성 플라스틱의 가격이 대체로 기존 플라스틱의 가격에 비해 1.6～4배로 고가이므로 현시점에서는 가격 경쟁력이 약하나 지속적인 기술개발을 통한 대량생산이 조만간에 가능하여 질 것으로 예상된다.
생분해성 플라스틱 시장이 충분히 활성화되기 위해서는 기존의 플라스틱과 유사한 물성 및 가격경쟁력, 이들 생분해성 재료의 사용을 적극 권장하는 법적 제도의 마련, 환경에 대한 국민적, 사회적 관심과 여론의 형성 등이 필요하다.
분해성 플라스틱에 대한 연구개발과 산업화는 물론 그 실용화가 점차적으로 확산되고 있는 세계적인 추세와 국민대중의 환경문제에 대한 점증하는 관심을 감안할 때 생분해성 플라스틱의 이용량은 곧 증가할 것으로 보인다. [에너지단열경제]박장수 기자
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