바이오 플라스틱의 자동차 적용 기술동향

바이오 플라스틱의

자동차 적용 기술동향

석유계 화학소재는 유가 상승에 따라 원료비가 매년 오르고 있으며 폐기시 다량의 이산화탄소를 배출하여 지구 온난화의 주범으로 지목 받고 있다. 최근 바이오 플라스틱이 석유계 플라스틱의 대안으로 건설, 자동차, 의학, 전기/전자 등 산업 전반에 걸쳐 많은 관심을 받고 있다. 이에 본지는 바이오 플라스틱에 대해 알아보았다.

 ■ 바이오 플라스틱(Bio Plastics)이란?

바이오매스(Biomass)와 같은 재생 가능한 식물자원을 이용하여 제조되거나 박테리아나 곰팡이와 같은 미생물에 의해 물과 이산화탄소로 완전히 분해(생분해성 고분자)되는 플라스틱을 말한다. 가공이나 폐기시 이산화탄소의 발생량을 35% 이상 줄일 수 있어 환경 친화적이다. 바이오매스 고분자는 옥수수, 콩, 사탕수수, 목재류와 같은 식물 자원으로부터 화학적 또는 생물학적 방법을 통해 제조되는 소재로서 생분해성보다 이산화탄소 저감 및 폐기물에 의한 환경오염 방지에 더 효과적이다.

바이오매스 기반 플라스틱의 경우 분해기간(유통기간)이 길고, 경량화, 강도 등의 물성이 요구되는 제품에 주로 사용되는데 비해, 생분해성 고분자는 분해기간이 짧고, 물성이 크게 문제되지 않는 경우에 적용되고 있다.

네덜란드 위트레흐트 대학에서 발표한 보고 자료에 의하면, 비록 현재 바이오 소재 사업 자체는 소규모이지만 향후 10년이 지나면 사용량이 급증할 것으로 예측되고 있으며 석유추출 소재의 최대 90%까지 대체할 수 있을 것으로 전망된다. 유럽의 바이오 플라스틱 관련 연합회인 European-Bioplastics에서 집계한 통계에 따르면 바이오 플라스틱의 생산량은 2000년대 이후 꾸준한 증가세를 보이고 있다. 이러한 추세에 발맞추어 세계 유수의 화학회사들이 바이오산업에 진출하고 있다. 바이오 화학 산업의 선두 주자인 Dupont은 옥수수에서 유도된 PDO 생산을 2009년에 시작하여 Sorona라는 섬유소재를 판매하고 있다. 대표적인 생분해성 플라스틱 제조회사인 미국의 Natureworks는 옥수수기반 폴리락산(PolyLactic Acid, PLA)을 생산하고 있으며, 미국 시장의 약 28%를 점유하고 있다. 영국의 석유회사인 BP는 ‘Beyond Petroleum’을 표방하면서 탈석유를 위한 연구개발을 꾸준히 추진하고 있다. 그 결과 휘발유 대체 바이오 연료인 에탄올을 섬유소 바이오매스로부터 얻는데 성공하였고 공장건설에 착수하였다. 하지만 식물 자원 기반 합성 고분자는 아직 기술적으로 미흡해 생분해성 고분자인 PLA만이 상업화되어 대량 생산 단계에 진입한 상태이다. 바이오 플라스틱 시장을 확장시키기 위해서는 생산비를 석유계 플라스틱 수준으로 낮춰야 하고, 외부환경에 대한 저항성과 내구성 등 기본 물성도 제품에서 요구되는 적정수준 이상으로 높여야 한다. 이 때문에 현재 사용되는 바이오 플라스틱 대부분은 기존의 플라스틱과 배합된 형태로 쓰이고 있는 실정이다. PLA 외에 상업화 단계에 진입 중에 있는 고분자로는 PHB, PHA, PTT 등 대부분 생분해성 폴리에스터들이다.

 

■ 국내외 바이오 플라스틱 현황

미국, 일본, 유럽 등 선진국에는 정부의 정책적 지원과 환경오염에 대한 규제를 강화하여 바이오 플라스틱의 상업화를 앞당기고 있다. 미국은 각 주별로 바이오매스와 관련된 상품 개발을 정책적으로 장려하여 2002년 5%에서 2030년에는 20%까지 생산을 늘릴 계획을 가지고 있다. 유럽연합의 경우에는 자동차 부품소재의 85%(무게 대비)이상을 재활용이 가능한 물질로 대체하기 위해 2006년 1월에 법을 제정하여 규제를 강화하고 있다. 일본은 바이오 플라스틱제품 개발에 대한 연구가 가장 빠르게 진행되고 있는 국가로서 우선 소니, 파나소닉, 도시바 등과 같은 대기업을 중심으로 자사 제품의 포장재를 바이오 플라스틱으로 바꾸도록 장려하고 있다. 이와 같이 재생자원과 환경문제가 전 세계적으로 큰 관심사로 떠오르고 있고, 생명공학, 나노공학, 녹색화학, 재료공학 등 관련 학문도 빠르게 발전하고 있기 때문에 바이오 플라스틱이 석유계 플라스틱을 빠르게 대체할 것으로 전망된다.

국내의 바이오기반 고분자 소재에 대한 기술은 아직 초보단계에 머물러 있다. 비록 삼성전자의 리클레임 폰, SKC의 친환경 생분해 필름, LG 하우시스의 천연 바닥재 등 바이오기반 화학제품이 출시되고 있으나 이들의 주원료인 PLA는 전량 수입하여 사용하고 있고 국내 기업들은 수입한 물질을 이용해 컴파운드 및 가공에 치중하고 있는 실정이다. 하지만 PLA를 독자적으로 개발하기 위하여 원료 물질인 Lactic Acid 제조에 대한 연구가 대한제당, CJ, KAIST 등 몇몇 기업과 연구기관에서 부분적으로 진행되고 있으며, 이 밖에도 외국회사와의 전략적 제휴를 통하여 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

 

■ 바이오 플라스틱의 자동차 적용

바이오 플라스틱이 가장 활발하게 연구되는 분야는 자동차업계이다. 미국과 일본의 자동차 제조회사들은 이미 해외 수입 석유에 대한 의존성을 줄이고 환경 규제에 대비하여 부품소재의 바이오 플라스틱 전환에 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 하이브리드 자동차나 전기 자동차와 같은 친환경 자동차의 등장으로 여기에 사용되는 내?외장재 역시 석유화학 대체 제품을 사용하는 사례가 점차 늘어나고 있다.

비록 최근에서야 생물소재(Biomaterial)를 이용한 다양한 자동차 제품들이 나오고 있지만 그 아이디어는 이미 1900년대 초반에 나왔다. 1930년대에 헨리 포드는 식물로부터 얻어진 플라스틱을 이용하여 대시보드(Dashboard), 외장패널(Body Panel) 등을 제작하였고 1941년에는 콩 섬유강화 플라스틱으로 만든 자동차모형을 선보였다. 그 이외에도 식물기반 Leather Upholstery나 압축목재섬유로 만들어진 판넬(Paneling)은 오랫동안 사용되어 왔다. 2차 세계대전의 여파와 성능과 경제성 면에서 우수한 석유계 플라스틱 시장이 빠르게 성장하면서 한동안 잊었을 뿐이다. 현재 자동차 산업에서의 바이오 소재는 일반적으로 널리 알려진 바이오에탄올, 바이오디젤 등과 같은 대체연료 분야 외에도 헤드라이너, 트렁크 라이너, 시트 백, 패키지 트레이, 플로어 카펫, 시트 패딩, 에어 필터 등의 자동차 내?외장부품의 소재로 다양하게 사용되고 있다. 특히 바이오 소재 중 아마(Flax), 황마(Jute), 대마(Hemp), 양마(Kenaf) 등과 같은 식물의 줄기에서 얻어지는 섬유 및 바나나(Abaca), 용설란(Sisal), 헤네켄(Henequen) 등과 같은 식물의 잎에서 얻어지는 섬유로 폴리프로필렌 등과 같은 열가소성수지와 혼합하여 섬유강화플라스틱의 형태로 자동차 내?외장 부품에 오랫동안 적용되고 있다.

바이오 플라스틱 생분해물질을 이용한 자동차 부품의 개발 초기에는 적용에 많은 어려움이 있었으나, 관련 기술이 점점 발전하면서 자동차 표준물성을 만족시킬 수 있는 바이오 기반 소재를 개발하여 부품제조에 적용할 수 있게 되었다. DSM사는 2009년 구성 성분 중 약 70%를 피마자유(Castor Oil)로부터 얻어진 생물소재 고성능 엔지니어링 플라스틱 EcoPaXXTM을 출시하였다. 이 물질은 흡습성이 낮고 내약품성이 우수하며 가수분해 저항성 또한 뛰어나 자동차 제품에 응용하기에 적합한 것으로 알려져 있다. 식물로부터 얻어진 폴리라틱 플라스틱은 자동차의 내?외장 소재로 가장 많은 관심을 받고 있다.

하지만 PLA가 자동차 내장재로 적용되기 위해서는 우수한 내열성을 가져야 하고, 가장 중요한 요구물성인 충격저항도 현재 가장 널리 쓰이고 있는 폴리프로필렌(Polypropylene)과 비슷하거나 더 높은 수준으로 향상되어야 한다.

 
출처 : 화학소재정보은행