바이오(베이스) 플라스틱과 일반 플라스틱의 이미지
요즘 포장산업계에서 친환경 소재로 가장 많이 언급되고 있으며, 새로운 자리매김을 시도하고 있는 재료는 단연 바이오 플라스틱 일 것이다.
합성수지를 사용하는 친환경 포장재질(바이오 플라스틱)의 종류를 다음과 같이 세 가지로 나누어 볼 수 있다.
▲ 옥수수 전분이 들어간 바이오 플라스틱
첫 번째는
합성수지에 식물성 천연고분자재료(20~25%)를 섞은 후, 압출 또는 사출방식으로 생산한 제품(바이오 베이스 플라스틱, Bio base plastic)들로 생분해 기간을 5년 이내로 보는 재질이 있다.
두 번째는
100% 합성수지이지만 일정조건에서 생분해 되거나, (식물성)천연물을 70% 이상 첨가하여 생분해를 6개월 이내로 유도한 제품(Bio-plastic)이 있다.
세 번째는
일반 플라스틱에 산화가속 첨가제를 사용한 산화 생분해성 플라스틱(Oxo-Biodegradation Plastic)등이 있다.
첫 번째와 두 번째 제품은 시장에서 조금씩 제품화가 되고 있으며, 세 번째 제품은 아직 국내에서 소개되지 않은 것으로 알고 있다.
이 재질들은 기본적으로 사용 후 제품을 생분해, 매립 또는 소각을 염두에 두고 개발된 제품들로 기존 순수 플라스틱 대비 가격 경쟁력과 물성의 저하로 생각보다 시장진입에 어려움을 겪고 있다.
또한, 이러한 바이오 플라스틱 소재들은 재활용 업계에서 아직은 이용에 난색을 표하고 있다. 플라스틱에 불순불(필러, 바이오 메스)을 섞은 제품들은 재활용 시, 순수한 재질과 섞여서 제품의 물성을 떨어뜨리는 문제가 있지만 아직은 해결하지 못하고 있는 실정이다.
플라스틱…재사용 또는 간단한 재가공 통해 CO2 억제
이에 반해 한정된 자원의 효율적 이용이 가능하도록 개발된 제품(단일 재질 플라스틱)들은 사용 후 폐기보다는 재이용 또는 재활용하는 자원의 선순환에 목적을 가지고 있다.
순수한 기본재료(수지, resin)를 만드는 과정에서 많은 이산화탄소가 생산되는 것이 사실이다. 이렇게 생산된 재료를 1회만 사용하고 또다시 대량의 이산화탄소를 발생시키는 소각 또는 생분해로 매립하기 보다는 재사용 또는 간단한 재가공을 통해 새로운 제품을 생산한다면 CO2 발생을 줄이는데 지대한 영향을 미칠 것이다.
그런 의미에서 플라스틱에 대한 이미지를 제고해 볼 필요성이 요구된다.
기존에 가지고 있던 플라스틱에 대한 가장 부정적인 요소는 난분해성 특징으로 집약된다.
전 세계 해양에서 발견된 거대한 플라스틱 쓰레기들로 만들어진 섬들에 관련된 뉴스는 이젠 식상할 정도가 되었다.
이 쓰레기 섬들의 가장 큰 문제점은 분해되어 없어지지 않고 도리어 추가 유입되는 쓰레기에 의해 크기가 성장하고 있기 때문에 환경 보호론 자들의 가장 큰 문제의 예로 사용 되고 있으며 석유 유래 소재 사용에 제한을 요구하는 이유가 되고 있다.
플라스틱…인류가 만든 필요악의 재료에 지나지 않을까?
플라스틱이라는 소재가 다른 천연 소재와 차별되는 점은 재료의 안정성에 있다.
우리가 알고 있는 대부분의 유기물(有機物)은 무기물과 다르게 일반적인 자연환경(물, 산소, 온도 등의 결합이나 변화)에서 산화나 미생물에 의한 분해가 어렵지 않게 일어나지만, 분자 구조 성분상 철저하게 유기화합물(탄소)인 플라스틱은 동족들과는 다르게 자연환경 조건에서 너무나도 안정하게 분자구조를 유지함으로 이방인 취급을 받게 되었다.
지속가능성 소재
자원의 재사용(또는 활용)의 활동은 환경에 미치는 영향을 최소화하며 넓은 의미에서 친환경이지만 좁은 의미에서는 사회 안정 유지와 자원사용의 지속가능성에 초점을 맞추고 있다.
▲ 열성형 포장지
▲ 진공수축 백
국내에 기능성(가스 차단성, 수축성, 열성형성 등) 공압출 필름이 식품포장으로 제품화된 시기는 20년이 넘어가고 있으며, 현대 신선식품포장에 없어서는 안 되는 필름이 되었다.
공압출 필름은 단일 재료의 필름(단층, monolayer film)으로는 구연하기 힘든 포장식품의 유통기간을 획기적으로 늘려 육가공과 식품유통 산업계 구조변화에 큰 역할을 담당하게 되었다. 이 필름의 장점은 다양한 특징을 가진 여러 가지 재질을 다층으로 한 번에 얇게 뽑아내어 수지의 사용량을 줄이는 데 있다.
동일한 기능을 수행하기 위한 단일 재질 또는 합지(2-3겹) 필름보다 두께는 낮아지고, 더 질길 뿐만 아니라 산소투과량을 낮춰 유통/판매과정에서 발생하는 변질 된 식품폐기량을 줄이고, 신선한 식품을 소비자들에게 공급할 수 있도록 많은 역할을 오랫동안 감당하여 왔다.
합지 뿐만 아니라 공압출 필름의 공통적 단점은 한 필름에 화학적 성질이 다른 다양한 재질이 다층구조로 제작되었기 때문에 사용 후 재질 별 분리가 어려워 매립이나 소각 처리됨으로 이산화탄소 발생에 많은 기여를 한 것도 사실이다.
그래서 시장에서는 꾸준한 친환경 소재의 요구가 있어왔다.
하지만, 현재의 공압출 필름을 대체할 만한 획기적이며 좋은 기능을 갖추고 저렴한 가격의 소재를 찾아보기 어렵다.
꾸준한 연구개발이 앞에서 살펴본 바와 같이 이어지고는 있으며 시장에 소개되고 있기는 하지만, 가격과 기능 사이에서 시소게임(seesaw game)을 하고 있는 것이 현실이다.
요즘 유럽에서는 포장지 재질의 단순화 트랜드가 산업 및 연구계의 이슈가 되고 있다.
이는 예전에 사용하던 단일 재질(mono material)을 추구하면서도 기존에 가지고 있던 기능성 필름의 장점을 충분히 가지고 가는 필름의 개발을 의미하고 있다.
즉, 기능성과 재활용의 두 마리 토끼를 한꺼번에 잡고자 하는 쉽지 않는 게임이기도 하며, 지속가능성 본래의 의미를 충분히 살리고 있는 트랜드라 볼 수 있다.
고분자의 특성
앞에서 잠시 언급했지만, 공압출 필름의 재질(층간)분리가 필요한 이유를 잠시 짚어 보고자 한다.
고분자 물질은 화학적 성질(구조)이 서로 다른 재료끼리는 잘 섞이지 않는다.
열을 가한 용융상태에서 마구 섞어 보아도 대부분의 고분자 재질들은 물과 기름처럼 서로 상이 분리되어 버린다.
한번 만들어진 플라스틱은 같은 재질을 제외하고는 다른 재질과 화학적으로도 물리적으로도 분자단위까지 섞기란 쉽지 않다.
그러면, 공압출 필름은 어떻게 그 얇은 필름에 5-9개의 다른 재질이 층을 이뤄 마치 단일 재질처럼 딱 달라붙어 있을까?
▲ 공압출 필름의 단층면 전자현미경 사진(SEM)
다양한 층들을 볼 수 있다.
여기에서 잠시 고분자재료에 대해 살펴보자.
고분자는 영어로 폴리머 (Polymer, 다중체) 이며 모노머 (monomer, 단량체)들이 아주 길게 반복되어 화학반응으로 연결된 ‘실’과 같은 아주 기다란 선형의 분자모양을 가지고 있다.
선형 고분자 물질들의 열에 대한 반응은 온도에 따라 녹는점-고무점-어는점으로 3가지 상을 가지고 있다.
고분자는 녹는 온도와 어는 온도로 바뀌는 두 가지 물질상을 갖는 대부분의 일반적인 물질과는 다른 독특한 성질을 이용해 현대 문명에서 우리생활에 없어서는 안 될 밀접한 재질로 발돋움하게 되었다.
▲ 온도에 따른 고분자 물질의 물리적 변화를 나타내는 그래프. 낮은 온도에서는 유리처럼 단단한 상태(Glassy state), 중간온도에서는 고무처럼 누르면 모양이 변했다가 힘이 없어지면 원래대로 돌아오는 상태(Rubbery state), 높은 온도에서는 액체처럼 흐르는 상태(Liquid state)로 나누어지며, 모든 고분자 물질은 화학적 구조와 분자량 등에 따라 각 온도구간은 다양하게 바뀔 수 있다.
고분자 물질(열가소성)은 열에 의해 녹았다가 고무상을 거쳐 냉각이 될 때까지 걸리는 시간의 길고 짧음에 따라 분자 내 결정 생성 양(degree of crystallization)이 바뀌게 되어, 냉각 후 상태에서 밀도가 다를 수 있게 된다.
즉, 동일한 물질이지만 냉각속도에 따라 밀도가 바뀌는 특이한 성질을 가지고 있다.
그래서 이러한 성질을 관리(?)하기 위해 실과 같이 기다란 분자의 모양에 변형을 가해 중간에 짧거나 기다란 가지들을 붙여 열(온도)에 따라 변하는 분자의 운동에 제약을 가해 물리적으로 일정한 성질을 가지는 다양한 고분자 재료를 산업계에서 만들어 내었다.
화학적 구성은 동일하지만 녹는점이나 탄성 등과 같은 물리적 성질이 다른 물질이 만들어 진 것이다.
▲ 고분자 결정과 비결정 고분자의 모습
플라스틱 수지를 만드는 중합(polymerization) 과정은 하나하나의 모노머(단량체)들이 화학적으로 결합을 하면서 선형으로 성장하게 된다.
여기에서 화학적 성질이 다른 모노머를 시간차를 달리하면서 중합반응에 공급하게 되면 하나의 분자 내에 위치에 따라 성질이 다른 구역이 만들어 지는데 이런 분자를 Co-polymer (코폴리머, 공중합체)라고 부른다.
이렇게 만들기는 쉽지 않지만 한 분자 내에 두 가지 성질을 가진 플라스틱은 아주 유용하게 사용된다.
즉, 용융상태에서 두 재질 모두에게 섞일 수 있는 특성 때문에 성질이 다른 두 필름의 사이에서 두 층을 연결해 주는 접착제 층(tie layer) 역할을 하여 서로 단단히 고정하게 한다.
이러한 공중합체 재질은 공압출 필름이 만들어지고 정착하는데 커다란 공헌을 하였지만, 환경적인 측면에서 볼 때는 각각의 재질 별로 분리하기 어려운 이유가 되는 아이러니가 되고 말았다.
새로운 트렌드
기존의 공압출 필름과 비교하면 기능면에서 차이가 있어 부각되지 못했던 부류가 있으니 바로 단일 재료(mono material) 필름이다.
6-70년대 초기의 단층(monolayer) 필름의 단점을 벗어나기 위하여 개발된 필름이 8-90년대의 공압출 필름이었고, 친환경 소재를 찾기 위한 과도기적 제품이 바이오 플라스틱이었다면 이제 지속 가능한 환경을 위해 재활용(사용)이 가능한 필름이 단일 재료 필름이라 할 수 있다. 이 필름은 비록 화학적 기본구성(단량체 단위, 기본 블록)은 동일할지라도 다양한 분자 디자인을 통한 서로 다른 성질을 가진 층들을 가진 필름을 개발함으로써 공압출이 가졌던 특성을 최대한 유지하면서 재활용이 용이하게 되었다.
▲ PE(폴리에틸렌)의 다양한 분자 모양의 예
대표적이며 우리에게 친근한 물질인 Polyethylene(PE, 폴리에틸렌)을 예로 들어보자.
물리적, 구조적 성질에 따라 구할 수 있는 PE의 종류는 10가지나 된다.
1. Ultra-high-molecular-weight polyethylene(UHMWPE)
2. Ultra-low-molecular-weight polyethylene(ULMWPE or PE-WAX)
3. High-molecular-weight polyethylene(HMWPE)
4. High-density polyethylene(HDPE)
5. High-density cross-linked polyethylene(HDXLPE)
6. Cross-linked polyethylene(PEX or XLPE)
7. Medium-density polyethylene(MDPE)
8. Linear low-density polyethylene(LLDPE)
9. Low-density polyethylene(LDPE)
10. Very-low-density polyethylene(VLDPE)
이처럼 다양한 PE를 활용한다면 나름 괜찮은 단일 재질의 다층 필름을 만들어 볼 수 있지 않을까?
실드에어㈜에서는 환경에 최소한의 영향을 미치는 지속 가능한 제품을 연구개발하고 있으며, 그 제품 중의 하나로 PET 단일재질의 식품포장용 수축 리드 필름 「Sealappeal®PSF」을 발표했다.
이 제품과 짝을 이루는 PET 트레이는 기존의 트레이와 다르게 실링을 위한 PE 필름을 PET 위에 합지 할 필요가 없어 트레이 가격을 낮출 수 있다.
Sealappeal®PSF 제품의 장점
1. 친환경 재질의 사용으로 기존 식품용 트레이(복합재질)포장재에서 고려치 못했던 재활용이 가능하게 되었다.
2. 적절한 수축율의 조정으로 얇은 트레이를 사용하여도 트레이가 휠 가능성 줄어 가격절감에 도움이 된다.
3. 가장 큰 특징으로 필름의 투명도가 아주 높아 포장내부의 제품이 기존의 트레이 필름에 비교하여 월등하게 맑고 깨끗하게 보여 소비자의 눈길을 잡아끄는 마케팅의 역할을 톡톡히 해낸다는 것이다.
4. 기존의 공압출 필름에서 가능했던 유효기간을 위한 MAP이 가능하다.
▲ PET 필름(Sealappeal®PSF(Pet Shrinkable Films))으로 포장한 트레이 제품.
리드필름과 트레이 모두 순수 PET로만 구성되어 있다.
포장 필름에 대한 지식이 있는 분들께서는 알고 있겠지만 필름에는 제품을 보호하기 위한 단단한 외면과 씰링을 위한 내면이 구분되어 있는데 단일 재질로 만들어진 이 제품을 씰링하게 되면 필름이 뜨거운 씰링 몰드에 붙을 것 같다는 의문이 들 수도 있다.
이에 대한 답은 앞에서 언급한 것처럼 화학적인 재질은 동일하나 물리적 성질(녹는 점, 강도 등)이 다른 재질을 내외 면에 사용함으로 기술적인 문제를 해결하게 되었다.
요즘 포장뿐만 아니라 모든 산업분야와 생활에서 ‘친환경’을 언급한다.
물론, 조그만 분야에서 친환경을 찾아내는 것도 좋지만 한 발 물러나서 넓은 관점에서 한정된 자원과 에너지를 효율적으로 사용하고 더 이상 버리는 쓰레기를 만들지 않음으로 우리 자손들이 꾸준히 자원을 사용할 수 있는 구체적인 대안을 제시하는 것이 현재를 살아가는 우리의 할 일이라 생각한다.
국내 연포장 산업계에서도 기술수준이 많이 올랐지만 공압출(기능성) 필름 분야에서는 수입제품이 아직은 대세이다.
업계나 대학에서 세계적인 트렌드를 따라 혹은 앞서가는 지속가능성을 가지는 필름 개발에 좀 더 관심을 가진다면 국내 시장뿐 아니라 세계시장에서도 충분히 통할 수 있는 제품을 개발/생산하리라 믿으며 글을 마치고자 한다.
제품에 대한 궁금한 사항은
(R&D 안충근 Richard.ahn@sealedair.com)
|
