2020년부터 2021년까지 글로벌 최대 이슈는 바로 ‘지속가능성’입니다. 여러 기업이 글로벌 친환경 트렌드로 온실가스의 배출을 최대한 줄이고 남은 온실가스를 흡수하거나 제거하여 실질적인 탄소배출량을 줄이겠다는 목표를 가지고 있습니다. 탄소 중립과 더불어 우리의 자원을 최대한 활용하여 쓰레기는 줄이며 재활용할 수 있는 자원을 만드는 ‘지속가능한 순환 경제’ 역시 전 세계가 주목하고 있는 일입니다. 작년 코로나19 바이러스가 등장과 1인 가구 증가 및 인구 고령화로 인해 소비 패턴에 변화도 생겼습니다. 마스크와 같은 위생용품과 택배, 배달용 포장재의 소비가 증가하면서 생활폐기물과 플라스틱 폐기물 또한 급격히 증가했습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 각종 포장재, 전자제품, 섬유, 농업, 수산업 등 산업 대부분에서 기존에 사용하던 비분해성 소재를 생분해성 소재로 대체하는 연구를 진행하고 있습니다. 오늘은 생분해성 고분자 소재 중 하나인 PLA(Poly Lactic Acid)에 대해 소개하겠습니다.
생분해성 고분자는 사용 후 일정 조건에서 분해되면서 화학적, 물리적 특성이 변하는 고분자로 분해되면 물, 이산화탄소, 질소 및 바이오매스(biomass)로 완전히 전환됩니다. 이 전환은 빛, 열, 습도와 같은 환경적 요인과 곰팡이, 박테리아 등과 같은 미생물의 작용에 의해 발생합니다. 생분해성 고분자는 주로 에스테르(ester) 및 아마이드(amide), 에테르(ether) 구조를 가지고 있으며 석유 기반의 원료뿐만 아니라 바이오매스 기반의 원료로 중합할 수 있습니다. 그 중 대표적으로 바이오매스 기반의 생분해성 고분자가 바로 PLA(Poly Lactic Acid) 입니다.
PLA는 옥수수에서 추출한 글루코스(포도당)를 발효 및 정제해 가공한 젖산(Lactic Acid)을 원료로 만드는 대표적인 플라스틱입니다. 바이오 원료로 생산되기 때문에 일정 조건에서 미생물에 의한 작용으로 수개월 내 물과 이산화탄소 등으로 자연 분해되는 친환경 생분해성 소재입니다.
하지만 일반적인 비분해성 고분자와는 달리 생분해성 고분자는 상대적으로 비싼 제조 비용과 사용 전 분해로 인한 물성 저하 등의 약점이 있습니다. 따라서 비분해성 고분자를 완전히 대체하기 위해서는 다양한 방법으로 기본 물성 및 내구성 향상을 위한 연구가 필요합니다. PLA는 이러한 문제를 해결할 수 있는 생분해성 고분자 중 하나로 PHA, PCL, PBAT에 비해 저렴한 가격 및 높은 인장강도와 우수한 투명성 등의 장점을 가지고 있습니다.
가장 널리 쓰이는 생분해 소재인 PLA는 순수 바이오 기반의 소재로 단단하고 내화학성이 높습니다. 탄소 중립적 관점에서 PLA는 생산의 전 과정(Life-cycle assessment) 중 원료부터 생산까지의 과정에서 온실가스 배출량이 비분해성 고분자에 비해 매우 낮습니다. 강성이 높지만 잘 부러지기 쉬운 물성으로 유연성이 높은 PBAT 등 다른 폴리머와 컴파운딩하여 다양한 제품에 쓰입니다.
PLA는 옥수수, 사탕수수에서 추출한 포도당을 발효해 만든 젖산을 원료로 삼습니다. 젖산을 고리 모양의 락티드(Lactide)로 변환시킨 뒤 고분자 중합과정으로 PLA를 제조하는데요. 용융온도(melting temperature, Tm) 및 결정화도, 결정화 속도와 같은 PLA의 기본 특성은 분자량과 락티드의 입체 화학적 구조 조성 등에 의해 결정됩니다. 즉, 원료의 배합이나 중합 과정에 따라 다양한 PLA를 생산할 수 있습니다.
일반적으로 PLA의 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)는 60℃, 용융온도는 180℃이며 일반적인 비분해성 고분자와 유사한 기계적 물성을 가지고 있습니다. 하지만 PLA의 사슬을 짧은 반복 단위 길이로 인해 반경질(semi-rigid) 특성의 주 사슬과 느린 사슬 이동성을 가지고 있어 결정화 속도가 느립니다. 또한 낮은 용융강도와 열 안정성, 높은 취성 및 흡습성으로 PLA는 가공 및 응용하는 데 제한적입니다. 특히 PLA는 수분에 매우 민감하여 15분 내에 최대 함수율인 250ppm까지 흡수할 수 있으며, 수분이 PLA의 가수분해를 촉진시켜 물성을 감소시키므로 용융 블렌딩 전 100ppm까지 건조해야 합니다.
PLA의 주된 활용 분야는 1회용 봉투 및 식기류와 같은 생활소비재와 포장재입니다. 더 많은 분야로 적용하기 위해 PLA의 물성 개선 연구와 다른 고분자와의 블렌딩 및 개질, 첨가제 활용 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 또한 독성이 없어 녹는 수술용 실이나 임시 치아와 같은 의료용 소재로도 사용되며 3D 프린터에 사용되는 재료로도 주목받고 있습니다.
최근 국내의 대표적인 화학기업은 옥수수 원료로 한 바이오 플라스틱 상업화를 위해 글로벌 4대 메이저 곡물 가공 기업과 손잡고 합작공장 설립에 나섰습니다. 양사는 2022년 1분기에 합작법인설립 계약 체결을 목표로 2025년 내, 미국 현지에 연산 7만 5000t규모의 PLA 공장을 건설할 계획이라 전했는데요. 한국 기업이 원재료부터 제품까지 통합 생산이 가능한 PLA공장을 짓는 것은 처음 있는 일이라고 합니다. 환경과 사회를 위한 지속가능한 사업으로 변화하려는 이런 움직임이 앞으로도 자주 목격될 것 같습니다.
여기까지 탄소 중립과 지속가능한 순환 경제를 위해 여러 연구가 진행되고 있는 PLA에 소개해드렸습니다. 첨가제나 타 분해성 고분자들과의 용융 블렌딩을 통해 다양한 물성을 구현할 수 있는 PLA는 생분해 플라스틱에서 아주 중요한 기본 소재입니다. 생분해성 고분자 중 상대적으로 저렴한 PLA를 기반으로 여러 바이오매스 기반의 소재들을 개발해 다양한 산업적 분야에 활용할 수 있기를 기대합니다. 국내외 환경 정책 및 규제와 같이 친환경에 대한 사람들의 인식과 가치관의 변화는 생분해성 소재 분야의 활발한 연구와 이를 상용화하려는 노력의 원동력이 될 것입니다.
콘텐츠 감수: LG화학 석유화학.Sustainability.PLA사업팀 박혜린 책임
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