기술과 솔루션
식품 포장용 고분자 필름 기술개발 동향
작성자 : 편집부
2021-08-16 |
조회 : 3364
Ⅰ. 서론
1.1 기술 개요
현대 사회에 접어들면서 1인 가구가 증가함에 따라 간편하게 식사를 해결할 수 있는 식품에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 2016년부터 성장이 가속화되고 있다.
소비자들은 간편 식품 중에서도 즉석 섭취가 가능하고 조리가 간편한 가정 간편식(HMR) 레토르트 식품을 선호한다. 이러한 수요에 따라 관련 기업에서는 즉석식품 포장 기술개발에 박차를 가하고 있다.
즉석식품 포장재로 사용하기 위해 재료가 갖춰야 할 특성으로는 파손 및 변형에 견딜 수 있는 기계적 물성과 전자레인지에 조리하기에 적합한 열적 안정성, 내용물의 변성이나 부패를 방지하여 신선도를 유지하기 위한 기체, 수분, 자외선 차단성 등이 있다. 1
식품 포장재의 조건을 만족시키는 재료 중 가장 상용화된 재료는 고분자 필름이다. 하지만 사용 가능한 고분자 단일 필름 중 위 특성을 모두 만족하는 필름이 존재하지 않기 때문에 여러 가지 방법을 통해 개질된 형태의 필름을 사용한다.
따라서 본 고에서는 식품 포장용 필름으로 사용하기 위해 갖춰야 할 특성을 설명하고 그러한 성질을 부여하기 위한 기술 동향을 제시하였다.
1.2 포장용 고분자 필름
식품을 포장하기 위한 소재로는 종이, 유리, 금속 등 여러 가지 물질이 사용되고 있다. 이 중 현재 가장 대중적으로 이용되고 있는 것은 플라스틱 즉 고분자 필름으로 제작된 포장재이다.
고분자 필름은 타 재료에 비해 가공이 우수하며 값이 저렴하다는 장점을 가지고 있고, 여러 가지 종류로 인해 용도별로 선택할 수 있는 폭이 넓기 때문에 산업용 재료부터 일회용 소모품에 이르기까지 없어서는 안 될 만큼 많이 사용되고 있다.
현재 널리 이용되고 있는 고분자 필름은 폴리에틸렌 (PE), 폴리스타이렌 (PS), 폴리염화비닐 (PVC), 폴리프로필렌 (PP), 에틸 비닐알코올 중합체 (EVOH) 등이 있다.
1.2.1 고분자 배리어 필름
현재 상용화되고 있는 여러 가지 고분자 필름 중 식품 포장재로 사용할 수 있는 필름은 매우 제한적이다.
그 이유는 식품 포장재로 사용하기 위해서는 기체 차단성, 수분 차단성 등 외부에서 유입되는 물질들을 차단할 수 있는 특성을 갖춰야 하기 때문이다.
냉장을 필요로 하는 식품의 유통기한을 쉽게 연장시킬 수 있는 필름, 이러한 필름을 배리어 필름이라고 부른다. 고분자 필름의 배리어 특성은 분자구조, 배열 그리고 내부에 혼합된 입자들 등에 기인한다.
배리어 필름은 식품 포장용뿐만 아니라 항균, 에틸렌 흡착제 및 흡수와 같은 역할로 인해 많은 분야에 사용되고 있으며, 가장 대표적으로 디스플레이 분야에 사용되고 있다. 따라서 고분자 필름에 원하는 특성을 부여하기 위한 처리 방법이 각 분야에서 지속적으로 개발되고 있다.
배리어 필름에는 다양한 재료가 사용될 수 있으며 이 재료들은 필름에 고유한 특성을 부여하며, 이를 통해 사용 목적에 맞는 식품 포장재를 만들 수 있다. 현재 시중에 널리 사용되고 있는 배리어 필름 소재는 [표 1]에 나타냈다.
1.2.2 고분자 필름의 단점
플라스틱은 현대 사회에서 인간에게 많은 편의성을 제공하며 내구성, 가공성, 경제성이 뛰어나 기업 차원부터 개인적인 차원까지 널리 이용되고 있다.
그러나 플라스틱 대부분은 자연에서 쉽게 분해되지 않고 반영구적으로 존재하기 때문에 플라스틱 쓰레기 처리를 위해서는 소각 또는 매립을 해야 하며, 이로 인해 대기, 토양, 하천이나 바다 등에 심각한 오염을 야기하고 있다.
특히 국내 플라스틱 쓰레기 하루 발생량은 2017년 기준 43만 톤으로 세계에서 가장 많은 수준을 기록했으며, 플라스틱 사용량은 해마다 증가하는 추세를 보인다. 2 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 기업에서는 재활용이나 생분해가 가능한 플라스틱을 제조하는 기술을 개발하고 있다. 3
II. 식품 포장용 필름
2.1 식품 포장의 목적
식품 포장용 필름으로 사용하기 위한 요구 조건과 그에 따른 개질 방법을 이해하기 위해서는 목적을 정확히 파악해야 한다.
내용물의 종류에 따라 추구하는 특성과 포장 목적이 다르지만, 식품 포장의 가장 핵심적인 목적은 내용물 즉 식품의 부패나 변질을 방지하여 품질을 보존하는 것이다.
식품은 우리가 섭취하여 인체 내에서 여러 작용을 통해 직접적인 영향을 미치므로 기체나 습기 등 여러 가지 요인에 의해 변질하는 것을 막아야 한다.
또한 부가적인 목적으로는 식품 생산 과정에서 합리적인 인력 절약, 생산비용 절감 그리고 소비자의 구매를 유도하기 위한 디자인을 통해 상품의 가치를 향상시키는 것이 있다.
2.2 요구 특성
식품 포장용 필름으로 사용하기 위해서는 기본적으로 국가적 차원에서 정한 규정에 부합되는 재료를 사용하여야 한다. 대한민국은 이러한 규격을 식품의약품안전처에서 규정하고 있으며, 고분자 필름 관련 내용은 [표 2]에 나타냈다.
1) 수분 차단성
내용물의 변성을 방지하기 위해서 식품 포장재는 수분을 차단할 수 있는 능력을 갖춰야 한다. 특히 건조식품의 경우 자체 수분함량이 적고 외부에서 유입된 습기를 흡수하여 변형, 변질이 일어날 가능성이 있기 때문에 특히 주의하여야 한다. 수분 차단성 역시 수분 투과도(WVTR)을 이용하여 측정한다.
2) 기체 차단성
수분 차단성과 동일하게 내용물이 부패되는 것을 방지하기 위해서는 외부의 산소, 이산화탄소와 같은 기체가 포장 내부로 들어가면 안 된다. 산소는 분자 간 결합에 의해 비가역적으로 흡착되므로 특히 유의하여야 한다.
기체 투과도는 고분자의 일차구조나 이차구조에 의존한다.
고분자 구조는 결정 영역과 무정형 영역으로 구분되는데 기체 투과는 주로 무정형 부분에서 일어난다. 무정형 부분에는 수분이나 기체분자의 크기보다 큰 자유 체적이 많이 존재하며 이로 인해 필름 외부에서 내부로의 침투가 발생한다.
기체 차단성은 습도에 의해서도 영향을 받는데, PVA 및 EVOH와 같이 –OH기를 포함하는 고분자는 건조 상태에서는 양호한 기체 차단성을 보이지만, 습도가 높은 조건에서는 차단 성능이 저하되는 경향을 보인다. 4, 5
많은 기체 중 대표적으로 산소 차단 성능은 산소 투과도(OTR)를 이용하여 측정한다. 기체 차단성이 좋은 고분자 필름으로는 PVA, EVOH, 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 등을 사용한다.
3) UV 차단성
자외선이 내부로 조사되면 내용물이 변질될 수 있다. 따라서 필름은 충분한 자외선 차단 성능을 가져야 하며, 외부에서 내부의 내용물이 보일 수 있도록 가시광선에 대한 투과성이 좋아야 한다.
4) 내열성
식품용 포장재로 사용하기 위해서 필름은 멸균과정을 거쳐야 한다. 멸균과정 중 대부분은 100℃ 이상의 고온에서 진행되기 때문에 이 온도를 견딜 수 있는 내열성이 필요하다.
또한 즉석식품의 가장 큰 장점은 간편한 조리가 가능하다는 것이다. 끓는 물 또는 전자레인지를 통한 간편한 조리가 가능해야 하기 때문에 포장 용기는 물론, 필름 또한 내열성을 가지고 있어야 한다. 내열성은 DSC, TGA, DMA를 이용하여 측정할 수 있으며 대표적 예로는 PET, PP 등이 있다.
5) 생체 안정성
식품 포장용 필름은 우리가 섭취하는 식품과 접촉되어 있기 때문에 식품에 물리적, 화학적인 영향을 끼칠 수 있고, 극단적일 경우에는 실수로 섭취하는 일도 발생할 수 있다.
일반적으로 합성고분자의 경우 분자량이 크기 때문에, 인체 내에서 소화, 흡수가 되지 않으므로 비교적 안전하다고 생각할 수 있으나, 합성고분자의 형성 과정에서 발생된 미 반응 물질이나, 촉매 등으로 인해 인체 내에서 문제를 일으킬 수 있다.
따라서 필름은 사용조건이 모사된 환경에서 용출시험을 통하여 독성물질의 용출량을 측정하여 안전성이 보장되는지 여부를 확인하여야 한다. 6
6) 기계적 특성
식품 포장용 용기, 필름은 운송이나 보관 중 외부 충격에 견딜 만한 기계적 특성을 지녀야 한다. 특히 필름은 두께가 얇아 파손되기 쉽고, 조그마한 균열이 생길 경우 그 틈으로 산소나 수분이 유입되어 내용물이 변성될 수 있기 때문에 기계적 특성을 충분히 갖추고 있는지 확인하는 것이 굉장히 중요하다. 필름의 기계적 특성은 인장강도, 충격강도 등을 이용하여 평가한다.
7) 간편성
가정 간편식은 바쁜 현대인, 1인 가정인구 등과 같이 조리 시간의 단축과 과정의 간편화가 필요한 사람들의 수요가 많다. 때문에 포장재는 유통이나 사용과정에서의 간편성을 충족시켜야 한다. 간편성에는 포장의 소형화, 경량화, 이동성, 편리성 등이 포함된다.
특히 포장용 고분자 필름은 대부분 포장 용기에 열로 접착하는 방식을 사용하기 때문에 유통 시에는 내용물이 부패되거나 새어 나오지 않도록 확실히 밀봉이 되어야 하는 반면에 사용자가 내용물을 꺼내거나 섭취할 때는 쉽게 제거할 수 있어야 한다.
이러한 필름을 이지필 필름이라고 한다. 이지필 필름에 사용되는 대표적인 고분자로는 PP, PET 등이 있으며, 각 재료마다 열 접착온도가 달라 접착 시에 유의하여야 한다.
8) 친환경성
환경문제가 사회적으로 중요하게 인식됨에 따라 친환경성 소재를 이용한 포장재 개발이 필수 불가결해졌다. 특히 플라스틱 쓰레기를 매립, 소각하는 과정에서 유발된 환경오염이 전 세계적으로 이슈화되면서 소비자의 인식 또한 크게 변화하고 있다.
2017년 진행된 한 연구에 따르면, 플라스틱 폐기물 발생량 중 포장재의 비율이 54%에 육박하는 것을 보여준다. 비 섬유 플라스틱 폐기물의 비율은 [그림 1]에 나타냈다.
따라서 국내·외로 많은 기업이 재사용, 재활용이 가능한 식품 포장 용기, 필름의 개발에 힘쓰고 있다. 8
Ⅲ. 식품 포장용 필름 기술 동향
식품 포장용 필름은 내용물의 변질을 방지하고 빛과 향을 차단하는 등 상기 제시된 바와 같이 여러 가지 역할을 해야 한다. 따라서 각각의 특성을 가지고 있는 필름을 적층하여 라미네이트 필름을 만들어 사용하거나 성능이 우수한 고분자를 필름에 블렌딩 하여 사용한다.
3.1 라미네이트 필름
라미네이트 필름을 제작하는 방법에는 크게 드라이 라미네이션, 압출 라미네이션, 공압출 라미네이션 등이 있으며, 필름의 요구 특성에 맞춰 각 방법이 사용된다.
고분자 필름을 차단층으로 사용하기 위하여 여러 가지 처리를 하는데, 기체 차단용 필름으로 사용하기 위한 처리 방법은 PET, PP, 나일론과 같은 필름 위에 기체 차단성이 우수한 재료를 용액상으로 제조하여 균일하게 도포해 코팅하는 방법이 대표적이다. 4
또한, 수분 차단성을 부여하는 기술의 대표적인 예로 EVOH는 고분자 수지중에서도 우수한 기체 차단 성능을 보여준다.
에틸렌의 함량에 따라 상이한 기체 투과도를 보이며 함량이 50mol %를 초과할 경우 높은 산소 투과도로 인해 차단성 수지로 사용할 수 없다. 이렇게 기체 차단에 대해서는 충분한 차단성을 보이지만, 수분 차단성은 조건에 미치지 못한다. 따라서 우수한 수분 차단성을 보여주는 폴리올레핀 계열의 고분자와 복합필름을 제작하여 사용한다. 9
라미네이트 필름 기술개발의 필수적인 요소로 코팅 면을 접합할 수 있게 하는 접착성 필름과 접착제가 있다. 일반적으로 사용되는 접착성 필름은 PE, LLDPE, EVA, PVA 등이 있으며, 상기 제시된 제작 방법에 따라 각각의 특성을 가진 접합 필름이 사용된다.
접합 필름을 효율적으로 사용하기 위해서는 여러 가지 표면처리가 필요하다. 효율성을 높이기 위한 고분자 기질 표면처리 방법으로는 코로나방전, 가스의 전기적 이온화에 의한 플라즈마 처리, 표면과 코팅 면 사이의 공유 결합에 의해 형성되는 UV 경화성 프라이머 처리, 아크릴 우레탄 PVOH 등으로 사전 코팅 및 증착을 통한 표면처리 등이 있다. 10, 11
접착성 필름에 사용되는 접착제는 생체친화성을 가져야 하며 단순한 접착뿐만 아니라 라미네이팅된 각각의 필름이 성공적으로 성능을 발현할 수 있도록 돕는 역할을 해야 한다.
접착제는 기질의 종류나 요구 특성에 따라 여러 종류가 존재한다. 대표적인 수용성 접착제의 예로는 비닐아세테이트, 아크릴, 폴리우레탄 등이 있다. 12
라미네이트 필름의 기본 구조는 외부부터 순서대로 바깥층, 차단층, 보호층, 식품 접촉 층으로 구성되는 것이 가장 일반적이다. 일반적인 식품 포장용 라미네이트 필름의 구조는 [그림 2]에 나타냈다.
3.2 블렌딩
먼저 고분자 블렌딩은 성능이 우수한 물질을 고분자 기질과 혼합하여 기질의 차단성을 향상시키는 방법이다. 예를 들어 우수한 산소 차단 성능을 보여주는 EVOH를 PP나 폴리아마이드와 혼합하여 수분 차단성 또한 우수한 필름을 제작하려고 한 연구가 있다. 13, 14
하지만 고분자 물질을 혼합할 시 재활용이 어렵기 때문에 환경적인 문제가 제기될 수도 있다는 단점을 가지고 있다. 따라서 우수한 차단 성능을 가지고 있는 천연고분자를 기질과 블렌딩 하여 사용하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 대표적으로 폴리카프로락톤(PCL), 셀룰로오스, 리모넨 같은 다양한 천연고분자와의 블렌딩이 시도되고 있다. 15
3.3 바이오 플라스틱
플라스틱으로 인해 발생하는 환경문제로 인해 세계적 차원에서 많은 규제가 생기고 개발자, 소비자의 인식도 점차 변화하고 있다. 이에 따라 바이오 플라스틱 소재에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
바이오 플라스틱이란, 재생 가능한 재료로 만들어진 플라스틱을 뜻한다. 자연에서 잘 분해되지 않는 기존 플라스틱의 단점을 대체하기 위해 옥수수, 사탕수수, 콩 등을 이용하여 플라스틱을 제작하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
바이오 플라스틱은 기존 플라스틱과 비슷한 성질을 띠지만, 일정 시간이 지나면 완전히 분해되어 물과 이산화탄소로 되는 특성을 가진다. 15
현재 개발된 바이오 플라스틱의 대표적인 예로는 폴리락산(PLA), 폴리글리코산(PGA), PCL, 폴리뷰틸렌테레프탈레이트(PBT) 등이 있다.
하지만 이러한 바이오 플라스틱은 기존에 사용되던 플라스틱보다 약한 물성, 내구성을 보이기 때문에 기존 플라스틱에 20%~40%의 바이오 플라스틱을 혼합하여 사용하고 그 비율을 점차 높여가는 중이다. 16
Ⅳ. 시장현황 및 전망
가정 간편식 시장의 규모는 꾸준히 성장하였으며, 특히 2017년 이후 급증하는 추세를 보였다. 또한 전문가들은 이러한 상승세가 계속되어 2022년에는 시장규모가 5조 원에 육박할 것이라고 예상하고 있다. 국내 가정 간편식 시장의 규모와 비중은 [그림 3]에 나타내었다.
가정 간편식 유통에 있어 고기능성을 가진 필름(배리어 필름)은 필수적인 요소이고, 기능성 고분자 필름은 식품 포장뿐만 아니라 반도체, 공업용/자동차, 에너지, 건축 등 다양한 분야에 응용되기 때문에 그 수요가 꾸준히 증가하고 있다.
시장조사 전문기관의 조사 자료에 따르면, 기능성 필름 시장의 규모는 2020년 기준으로 약 32조 원에 도달할 것으로 예상된다. 17, 18 그에 따라 국내외로 다양한 기업에서 식품 포장재 개발에 관심을 두고 개발, 투자를 아끼지 않고 있다. 대표적인 기업으로는 국내: 동원시스템즈(주), (주)남경, (주)동서, (주)뉴팩 코퍼레이션, ㈜비앤피케미칼, 해외기업으로는 Dupont, International Paper company, Toyobo, WestRock, DNP, Toray Film, Reiko 등이 있다.
식품 포장재 중에서도 자연적으로 분해가 가능한 바이오 플라스틱 관련 연구가 가장 활발하게 진행되고 있다.
바이오 플라스틱의 적용 분야는 다양하지만, 2017년 기준 글로벌 바이오 플라스틱 생산량 중 포장재로 사용되는 비율이 58%를 차지하는 것으로 보아 바이오 플라스틱 연구와 시장이 패키징 기술의 연구나 시장규모와 비례한다고 해도 과언이 아닐 것이다. 바이오 플라스틱 생산량 중 응용제품 분야별 비율을 [그림 4]에 나타내었다.
바이오 플라스틱의 연구는 국내 기준 1980년부터 플라스틱으로 인한 여러 가지 환경문제를 해결하기 위해 시작되었으며, 1990년대 중반 이후 환경문제로 인한 규제가 강화되면서 현대까지 점차 수요가 증가하는 경향을 보인다.
현재 국내 플라스틱 사용량에 비해 작은 산업 규모로 인해 사업을 보류하거나 중단하는 등 어려움을 겪고 있다.
기존의 연구는 대기업, 대학, 공공기관 등을 중심으로 연구개발을 하였으나, 규모가 축소되어 최근에는 기술력을 갖춘 중소기업을 위주로 연구가 진행되어가고 있다. 하지만, 현재 국내기업들은 외국 기업과 비교해 상대적으로 기술력이 우위에 있으며, 신소재 개발보다는 실제 제품에 적용할 수 있는 기술을 연구하고 있어, 기존 플라스틱을 대체할 수 있는 제품들이 출시되고 있다.
해외시장 동향으로 세계적으로 상용화되어 많이 사용되고 있는 바이오 플라스틱은 전분계 수지 폴리젖산(PLA), 폴리하이드록시알카노에이트(PHAs) 등이 대부분을 차지하고 있다.
바이오 플라스틱의 시장은 환경에 대한 규제가 강력한 유럽, 미국, 일본을 중심으로 형성되어 있으며, 세계적으로 규모가 빠르게 커지고 있다.
유럽은 바이오 포장재 소비시장의 31%를 차지하고 있는 가장 큰 시장이다. 연구 및 개발 작업의 선구자 위치에 있지만, 바이오 플라스틱의 생산 능력은 10% 미만에 머물고 있는 실정이다. 현재 계획 중인 대량생산 시설은 태국, 인도, 중국 등에서 이루어지고 있다. 2017년 기준 전 세계 지역별 바이오 플라스틱의 생산량은 [그림 5]에 나타내었다.
바이오 플라스틱의 시장 성장률은 매년 20~100%를 기록하고 있다. 생산량 또한 빠르게 증가하고 있어 2016년 420만 톤에서 2021년 610만 톤으로 증가할 것이라 예측하고 있다.
특히 생분해성 플라스틱 시장의 성장률에 비해 바이오 플라스틱의 시장 성장률은 훨씬 더 빠를 것이라 예측하고 있다.
현재, 바이오 플라스틱 생산량의 대부분은 bio-based PE 및 bio-based PET가 차지하고 있다. Progressive Markets의 보고서에 따르면, 세계 바이오 플라스틱 시장은 2017년부터 2025년까지 연평균 19.2% 성장할 것으로 전망하고 있다.
이 성장의 주된 요인으로는 소비자들의 환경에 대한 인식 변화, 산업계와 생산자들의 생분해성 재료에 대한 관심, 포장 분야에서 바이오 플라스틱의 적용 등이 있다.
바이오 플라스틱은 옥수수, 셀룰로오스, 사탕수수 등 재생이 가능한 원료를 이용하여 만들어진다. 구하기가 매우 쉽고 많은 분야에 사용할 수 있다는 장점으로 인해 세계적으로 시장이 성장하는 요인이 된다. 여러 가지 정부의 정책이나 산업체에서의 제조기술력 향상 또한 이 시장이 성장하는 데에 큰 요인이라고 볼 수 있다.
바이오 플라스틱의 종류별 생산량은 [그림 6]에 나타낸 바와 같이 바이오 물질 바탕의 플라스틱이 57.1%를 차지하고, 생분해성 플라스틱이 42.9%를 차지한다.
이 중 바이오 베이스 플라스틱의 생산량은 PET가 가장 많고, 다음으로는 PA가 많다. 생분해성 플라스틱 생산량은 전분을 블렌딩한 제품이 가장 많다.
Ⅴ. 결론
전술한 바와 같이 즉석식품 시장의 규모는 꾸준히 성장하고 있으며, 즉석식품이 고급화되고 편의성이 증대됨에 따라 앞으로도 수요는 증가세를 보일 것이라고 예상된다. 그에 따라 즉석식품 포장에 대한 기술개발이 필수적으로 요구된다.
현재 사용되고 있는 합성 고분자 필름은 여러 가지 개선해야 할 점을 가지고 있다. 특히 친환경성은 가장 활발히 연구되고 있는 분야이다.
일본경제신문에 따르면, 세계적으로 2000년에 930억 엔 정도였던 생분해성 플라스틱 시장이 2020년에는 1조 3,828억 엔으로 성장할 것으로 예측하기도 하였다. 8, 19
이처럼 생분해성 플라스틱은 플라스틱의 대체재로서 주목을 받고 있으며, 분해 기간 조절, 표준화 및 규격 기준 제정 작업, 내열성, 내충격성 등의 문제점을 보완한다면 앞으로 빠르게 확대될 것으로 예상된다.
이러한 필름을 대체하기 위한 생분해성, 재사용 가능한 식품 포장재를 개발해야 하며, 또한 알루미늄이나 유리와 같은 차단성이 우수한 물질을 대체할 수 있는 소재를 연구하는 것이 중요하다.
Ⅵ. 감사의 글
“본 연구는 한국식품산업클러스터의 중기기술지원사업(최신 트랜드)의 지원을 받아 수행되었음.”
Ⅶ. 참고문헌
