하이 배리어(high barrier)는 최근 패키징 소재에 요구되는 중요한 특성이 되고 있다. 대상 제품에 따라 특성은 조금씩 달라지겠지만 물, 습도, 산소, 탄산가스, 질소, 자외선, 빛, 미생물, 열 등은 제품의 품질에 영향을 줄 수 있는 요소들로 이에 대한 차단이 요구된다.

이러한 요구에 따라 차단성을 갖춘 배리어 포장재의 수요가 많아지고 있으며, 요구되는 배리어성 또한 더욱 높아지고 있다. 이러한 하이 배리어의 요구에 맞춰 세계적인 패키징 기업들의 개발이 진행되어 오고 있다. 또한 앞으로도 이러한 하이 배리어의 요구는 더욱 커질 것으로 전망되고 있어 이 시장의 경쟁도 더욱 치열해질 것으로 보인다.

이러한 가운데 국내 기업들도 새로운 기술 개발을 가속화 하고 있다. 그 중 오래전부터 첨단 나노 기술을 이용한 독창적인 하이 배리어 기술의 개발을 진행해온 LG화학의 활동이 돋보인다.

특히, LG화학에서 개발한 ‘HYPERIERⓇ’ 재료는 단일층을 통해서도 하이 배리어 특성을 얻을 수 있다는 점에서 기존의 하이 배리어 재료와 차별화를 보이고 있다.

LG화학의 고차단성 소재인 ‘HYPERIERⓇ’는 미래 소재 산업의 혁신으로 기대되는 나노기술을 이용하고 있다. 나노기술을 통해 하이 배리어 특성뿐만 아니라 단일소재를 이용한 적용, 다양한 소재에 블렌딩 하여 사용할 수 있다는 점 등 경제적인 측면에서도 효과가 기대되고 있다.

무엇보다 시장의 변화에 따라 고기능성 용기시장과 자동차용 연료 탱크 등 하이 배리어 특성을 요하는 시장에서의 ‘HYPERIERⓇ’에 대해 높은 가능성이 예상된다. 특히, 지구 환경변화에 따른 각국의 환경규제 강화는 새로운 소재의 개발을 찾게 하고 있으며, ‘HYPERIERⓇ’는 이러한 요구에 대응할 수 있는 특성을 갖추고 있다.

차단성을 갖춘 배리어 포장재의 수요가 많아지고 있다.

환경 변화에 따른 차단성 소재의 필요성

지구환경문제가 범세계적 관심사로 등장하면서 선진국을 중심으로 환경규제의 강화가 지속되고 있다. 지구온난화, 오존층 파괴, 산성비 등 대기오염의 악화와 지구환경파괴에 대한 우려에서 비롯된 것으로 배기가스 규제, 연비규제, 프레온가스 규제 등 환경규제는 더욱 확대되는 추세이다.

특히 화석연료를 이용하는 자동차에서 배출되는 물질은 대도시의 스모그 현상, 지구온난화, 오존층 파괴, 산성비 등을 유발하는 주원인의 하나로 밝혀지면서 선진 각국의 중점 환경규제 대상이 되고 있다.

지구온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소의 전체 발생량 중 석유연료이용 장비/설비의 이용으로 발생하는 부분이 20%를 차지하고 있어 화석연료의 이용으로 인한 환경문제의 심각성이 크다는 점을 보여주고 있다.

세계적으로 자동차 및 이륜차 보유대수와 운행차량이 계속 늘어나면서 이러한 환경문제에 대한 대책의 마련이 각국 정부 및 포장업계의 현안으로 떠오르고 있다.

이와 관련 선진국의 환경규제 대책들은 석유연료저장용기가 해당국가의 환경기준치를 충족시키지 못할 경우 과징금마저 부과하도록 규정하고 있어, 관련기술 수준이 낮은 개도국 메이커들에게는 적어도 수출장벽으로 작용할 것으로 보인다.

석유연료 저장용기 뿐만 아니라 농약용기의 경우에도 용기의 차단성능이 충분하지 못할 경우 내용물의 손실 및 판넬링의 문제가 발생하게 된다. 이에 따라 포장 업계에서도 제품의 보관 수명뿐만 아니라 내용물의 배출을 최대한 억제할 수 있는 새로운 포장재료의 필요성에 의해 차단성이 우수한 포장재료에 대한 관심이 고조되고 있다.

기존 차단성 소재 적용의 난제 및 대응책

고차단성 플라스틱 포장재료는 단일필름 및 단층구조의 블로우 용기로는 포장용으로 사용되기 어려우며 공압출이나 코팅, 라미네이션과 같은 가공에 의해 다층필름 및 다층 블로우 용기로 만들어지게 된다.

차단 성능에 따른 내용물 및 외관변화

그동안 고차단성 플라스틱 포장재료로 인기를 얻었던 재료는 EVOH, MXD6 등이 있다. 하지만 이들 재료는 원료수지를 전량 수입에 의존해 다층필름으로 가공하며 또한 다른 재료와의 접착을 위해 별도의 접착수지를 사용해야 했다.

이 접착수지도 수입에 의존하고 있다. 다층압출기기의 투자비 부담 또한 무시할 수 없는 부분이다.

또한, EVOH나 MXD6 등의 차단수지는 수분에 취약한 특성을 갖고 있어 주로 용기의 내부나 중간층에 위치하며 폴리올레핀과 접착력이 취약해 별도로 고가의 접착성 수지(adhesive)가 폴리올레핀 층과 차단수지(EVOH 또는 MXD6)사이에 위치하여야 한다.

따라서 필연적으로 4겹 또는 5겹 구조를 가지게 되어 4대 이상의 압출기로 공압출을 해야 한다. 이로 인해 발생되는 고비용의 가공비와 고가의 차단성 수지 및 접착제를 수입하여 사용해야 하는 문제가 고질적으로 발생한다.

LG화학의 ‘HYPERIERⓇ’는 이러한 플라스틱 성형업체들의 고민을 해결할 수 있다. ‘HYPERIERⓇ’는 일반 단층 블로우 성형기기를 통해 용기의 성형이 가능하여 별도의 설비 투자 없이 쉽게 고차단성 용기를 생산할 수 있도록 해준다.

‘HYPERIERⓇ’의 차단성 원리

‘HYPERIERⓇ’는 나노(10-9m) 크기의의 성분이 미세하게 분산되어 있는 나노복합소재를 폴리올레핀과 블랜드하여 사용한다. ‘HYPERIERⓇ’는 1대의 압출기를 사용하는 단층 블로우 성형과정을 통해 폴리올레핀 연속상 안에서 나노복합소재가 유통특성에 의해 수십 또는 수백층의 차단막을 형성하게 된다.

이 차단막들은 휘발성 내용물이 용기 밖으로 투과되는 속도를 지연시켜주는 역할을 해주어 기존의 고 차단성 다층용기가 갖고 있던 하이 배리어 특성 이상의 기능을 갖게 된다.

LG화학에서는 현재 ‘HYPERIERⓇ’에 대한 국·내외 특허와 미국 FDA의 식품접촉 등에 관한 승인 등을 획득하고 다양한 용도 분야로의 적용과 상용화를 진행하고 있다.

특히, 각종 연료탱크를 비롯해, 농약?방역 용기, 잉크·액상비료용기, 드럼?IBC 등으로의 제품 적용이 이루어지고 있다.

농약, 방역 용기

농약용기는 주로 500ml부터 25L까지 다양한 크기의 용기가 사용되고 있으며 국내는 500ml 용량의 형태가 주로 적용되고 있다. 해외의 경우 호주, 브라질, 미국, 뉴질랜드 등 주요 대규모 농업생산 국가는 5L부터 200L까지 중대형 농약용기를 선호한다.

500ml의 경우 주로 EVOH multi-layer를 사용하고 있으며 5L 이상의 중대형 용기는 불소(F2) 코팅 방법을 사용하고 있다.

그러나 불소 코팅 방법의 경우는 내용물에 의한 코팅막의 침식 문제와 라벨링이 어려운 단점이 있으며, 공장 내부에 불소 코팅 시설이 없는 업체는 불소 코팅 설비가 갖추어 있는 업체로 성형용기를 운송하여 불소 코팅처리를 한 후 재반입을 하여야 하는 운송비 부담을 안게 된다.

또한, 불소 코팅 설비의 생산물량 한계 때문에 차단성 용기의 수요물량을 제때 입고시키기 어려운 수급 부담도 갖고 있다. 또한 오존층 파괴등 환경에 영향을 미치는 것으로 알려져 있어 미국 유럽등 선진국 등에서 사용을 제한하고 있다.

LG화학의 ‘HYPERIERⓇ’는 이러한 고객의 어려움을 쉽게 해결할 수 있게 기존의 설비를 가지고 차단성능을 가지는 용기를 생산할 수 있는 장점이 있다.

‘HYPERIERⓇ’는 500ml 분야에서는 EVOH 다층용기와 동등이상의 차단성능을 보여주며, 5리터 이상의 농약용기에서도 불소 코팅보다 탁월한 차단성능을 발휘한다. 또한 UN규격의 저온낙하 요구물성(-18℃, 1.6m 낙하)에도 만족하고 있다.

잉크, 액상비료용기

잉크 및 액상비료 용기도 유통 중 판넬링의 문제발생을 억제하기 위해 최근 차단성 용기를 일부 적용하고 있다. ‘HYPERIER?’는 잉크용기(1L)의 경우 0.63g(xylene, 54℃, 28days), 액상비료 용기(300ml)는 0.48g(xylene, 54℃,,28days)의 누적 용매 배출량을 보여 안정적 차단성능을 보유하고 있다.

Drum, IBC(Intermediate Bulk Container) 분야

국내 쪽에는 차단용도로 드럼이 많이 사용되고 있지 않으나 미주 및 오세아니아 지역에서는 각종 oil 및 농약 저장용도로 많이 사용되고 있다. IBC 분야도 최근에 독성 위험물질 저장용으로 차단성이 요구되고 있다.

‘HYPERIERⓇ’ 소재의 드럼 및 IBC 용도로의 적용시 무게를 큰 폭으로 줄일 수 있다. 또한, 차단특성 이외의 물성 확보를 통해 현재 ‘HYPERIERⓇ’를 통한 IBC 적용이 해외에서 이루어지고 있으며 국내에서도 개발을 진행되고 있다.

석유연료용기(ATV/ SORE fuel tank, PFC) 분야

ATV/SORE 및 PFC(Portable Fuel Container)는 주로 석유연료를 사용하는 장비 및 용기로써 필연적으로 대기 중으로 Hydro carbon을 배출한다. 따라서, 각 저장용기에 대해서 CARB(California Air Resource Board) 및 EPA(Enviromental Protection Agency)의 차단성 규제를 받고 있다.

향후 5년간 점진적으로 이들 분야에서의 차단성에 대한 규격이 강화가 될 것으로 예상되고 있으며 현재 주로 사용하고 있던 F2 coating 제조방법이 신규 당면 규제에 만족하기가 어려운 상황이다.

IBC, 드럼 및 석유연료용기에 HYPERIERⓇ는 최적의 물성을 갖도록 해준다.

이에 따라, 관련 포장업체들은 ‘HYPERIERⓇ’ 및 EVOH multi-layer 도입을 추진하고 있다. ‘HYPERIERⓇ’는 2006년부터 북미시장을 타깃으로 고객 성형 테스트를 실시하였으며, 대부분의 용도에서 북미 CARB 규격에 만족하는 차단성능을 확보한 상태이며 2007년 연말에 CARB 및 EPA에 사용승인 material로 등재될 예정이다.

하이 배리어 특성 요구 지속 전망

국제적인 환경규제의 강화는 패키징 산업도 그 예외일 수가 없다. 패키징 산업은 패키징 재료의 제조, 이용, 폐기처리의 각 단계에서 배출내용물에 의한 대기오염, 폐기물 등의 환경문제를 지니게 된다.

기존의 플라스틱 차단성 소재는 수분에 약해 여러 겹을 겹쳐 사용해야 하거나, 불량률도 높아 제품의 원가가 높아지는 등의 단점을 갖고 있다. 또한 다양한 재료를 적용하는 다층구조로 인하여 폐기 이후의 재활용에도 쉽지 않다.

나노기술을 이용한 LG화학의 ‘HYPERIERⓇ’는 단층 중공성형을 통해 가스투과 억제력 및 내화학적 차단성이 요구되는 분야에 적용할 수 있는 신개념의 기능성 플라스틱 소재로 재활용에도 쉽게 대응할 수 있다.

또한 기존 여러 압출기를 사용하여 다층 성형하던 용기를 단층으로 성형이 가능하도록 하여 용이한 가공성 및 가공비를 획기적으로 절감할 수 있는 소재로 차단성이 필요한 여러 분야 및 기존 성형 방법으로는 적용이 불가능하였던 대형 블로우 용기 분야 및 새로운 분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
(문의 : 02-3773-3715)

홍순우 기자/ kip@packnet.co.kr

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