한국바이오협회 산업정책본부 정책분석팀 박봉현 과장  

CJ제일제당

1. 개요1

국제에너지기구에 따르면, 2035년까지 전 세계 에너지의 약 10%가 생물자원으로부터 공급될 것으로 예상된다. 

생분해성 플라스틱은 크게 천연 유래와 합성 유래의 두 가지 원천에서 생산된다. 이 중 천연 생분해성 물질은 단백질과 다당류와 같은 생체고분자로부터 얻어지며, 이러한 물질은 동물, 식물, 미생물과 같은 생물체에 의해 형성된다. 반면, 합성 유래 생분해성 플라스틱은 바이오 정제 공정의 발전에 의존하는데, 이를 통해 젖산, 숙신산, 에탄올과 같은 재생 가능한 화학 물질을 생분해성 플라스틱으로 전환할 수 있게 되었다. 

현재 폴리락트산(PLA), 폴리하이드록시알카노에이트(PHA), 폴리글리콜산(PGA), 폴리하이드록시부티레이트(PHB), 폴리하이드록시발레레이트(PHV) 및 그 유도체 등과 같은 생분해성 소재는 포장재, 생의학 소재, 농업용 필름, 3D 프린팅 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 

지속 가능한 발전에 대한 대중의 인식이 높아짐에 따라 생분해성 소재의 생산 수요와 시장 내 제품 유형의 다양화는 전례 없는 수준으로 증가하고 있다. 재생 가능한 자원으로부터 유래한 젖산의 중합을 통해 생산되는 PLA와 미생물에 의해 직접 생합성되는 PHA는 지속 가능한 플라스틱 생산을 위한 두 가지 상이하면서도 상호보완적인 경로를 제시한다. 본 브리프에서는 생분해성 플라스틱의 개념과 시장 동향을 개괄하고, 대표 소재인 PLA와 PHA를 중심으로 특성, 응용분야 등을 살펴보고자 한다. 

2. 생분해성 플라스틱2-3 

‘바이오 플라스틱’이라는 용어에 대해서는 여전히 많은 오해가 존재한다. 바이오매스로부터 생산된 모든 제품은 당연히 생분해될 것이라고 잘못 인식되는 경우가 있다. 그러나 바이오 기반 원료를 사용했다고 해서 최종 제품이 반드시 생분해성을 갖는 것은 아니다. 따라서 바이오 기반 플라스틱이 항상 재활용 가능한 것은 아니며, 재활용 가능한 플라스틱이 항상 바이오 기반인 것도 아니라는 점을 명확히 할 필요가 있다. 

 

생분해성 플라스틱과 바이오 기반 플라스틱은 종종 혼동되지만, 이 둘은 근본 개념에서 차이가 있다. 생분해성 플라스틱은 분해 가능성을 중심 개념으로 생산되는 반면, 바이오 기반 플라스틱은 원유 대신 바이오매스를 원료로 사용한다는 점이 핵심이다. 

 

바이오 기반이라는 용어는 오로지 해당 물질의 제조 과정을 의미할 뿐이며 제품의 사용 수명이 끝난 이후에 어떻게 되는지를 의미하지는 않는다. 한편, ‘생분해성’이라는 용어는 환경 내 미생물에 의해 수행되는 화학적 과정(생물학적 분해)을 통해 해당 물질이 이산화탄소, 바이오매스, 물과 같은 자연 성분으로 전환될 수 있음을 의미한다. 다만, 생분해성 플라스틱의 경우 적절한 분해가 이루어지기 위해서는 비교적 엄격하고 특정한 환경 조건이 요구되는 경우가 많다. 

 

생분해성 플라스틱은 일반적으로 수중의 미생물과 같은 생물체의 활동에 의해 쉽게 분해되는 플라스틱을 의미한다. 이러한 플라스틱은 분해되지 않는 기존 플라스틱을 대체함으로써, 점차 감소하는 매립지 용량과 플라스틱 오염으로 인한 부담을 완화하는 데 기여할 수 있다. 또한 생분해성 플라스틱의 사용은 사용 과정에서 온실가스 배출을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 

 

다양한 종류의 생분해성 바이오 고분자는 여러 포장 용도로 활용되고 있다. 그 기원에 따라 천연 생분해성 고분자는 다음의 세 가지 그룹으로 분류된다. 1) 전분 및 리그노 셀룰로오스 제품과 같은 바이오매스 기반 고분자 2) PHA와 같이 미생물로부터 추출하여 얻는 고분자 3) PLA와 같이 재생 가능한 원료로부터 합성되는 고분자로 나눌 수 있다. 

 

현재 가장 주목받고 있는 바이오 기반이자 친환경 플라스틱 자원은 PLA와 PHA이며, PLA와 PHA의 생산을 위한 출발 원료는 매년 재생 가능한 식물성 자원으로부터 추출된다. 이들 바이오 기반 플라스틱은 생분해성이므로 이산화탄소로 환원된 뒤 다시 식물의 광합성을 통해 순환될 수 있다. 

따라서 PLA와 PHA의 개발은 탄소중립 및 무공해 공정으로 간주될 수 있다. PLA와 PHA를 포함한 바이오 기반·생분해성 플라스틱은 일반적으로 친환경적이며 재생 가능하고 화석연료 의존도를 낮추는 소재로 평가되고 있다. 

 

 

3. 생분해성 플라스틱 시장4 

 

글로벌 생분해성 플라스틱 시장 규모는 2025년 53억 6천만 달러로 평가되었으며, 2025년부터 2034년까지 연평균 성장률 15.28%로 성장하여 2034년에는 약 194억 1천만 달러에 이를 것으로 예상된다. 이 시장의 성장 동인은 플라스틱 폐기물 감소와 감축을 위한 정책적 노력이다. 

 

생분해성 고분자는 기존 플라스틱보다 의도된 분해 속도가 더 빠르다. 미생물의 작용을 통해 물, 이산화탄소, 바이오매스와 같은 자연 물질로 분해되므로 매립지와 자연 생태계에 장기적으로 축적되는 폐기물을 크게 줄일 수 있다. 또한 일반 플라스틱과 비교했을 때 생분해성 고분자의 생산 및 분해 과정은 일반적으로 온실가스 배출이 더 적다. 이는 제조 시 필요한 에너지가 상대적으로 적은 경우가 많고, 혐기성 매립 환경에서 기존 플라스틱이 분해되며 발생하는 강력한 온실가스인 메탄의 생성을 방지할 수 있기 때문이다. 

 

유럽연합(EU)은 2030년까지 일회용 플라스틱을 금지함으로써 플라스틱 폐기물 감축에 중요한 조치를 취하고 있다. 신선한 과일 및 채소 포장재, 패스트푸드점의 소스 용기, 호텔의 소형 세면용품, 얇은 비닐 쇼핑백 등 일상적인 포장 제품의 지속가능성을 높이기 위한 조치이다. 

 

1) PLA 

 

PLA는 주로 젖산을 중합하여 합성되며 상업적으로 생산되는 젖산의 90% 이상은 옥수수, 밀, 카사바와 같은 재생 가능한 전분 자원에서 유래한다. 이러한 자원은 효소 가수분해를 거쳐 포도당을 생성하고, 이후 젖산균에 의해 발효되어 젖산이 생성된다. 젖산의 중합은 활성 하이드록실기와 카복실기를 통해 진행되며, 이로써 장쇄 고분자가 형성된다. 젖산 단량체는 l-젖산과 d-젖산의 두 가지 광학 이성질체로 존재하는데, 서로 다른 젖산 이성질체는 상호 전환될 수 있으나, 이 과정에는 분자 내 화학 결합의 절단과 재형성이 수반된다. 

 

고분자량 PLA의 성능 특성은 그 입체화학 구조와 분자량에 의해 크게 영향을 받는다. 특히 PLA 거대분자 사슬의 화학 구조는 결정화 속도, 결정화도, 기계적 물성, 그리고 가공 온도를 결정한다. PLA 생산에 일반적으로 사용되는 중합 방법으로는 (a) 직접 축합중합, (b) 공비 탈수법, (c) 개환중합(ROP), (d) 효소 중합이 있다. 이러한 경로들은 각각 고유한 장점과 한계를 가지며, 이는 최종 합성된 PLA의 물성에 영향을 미친다. 따라서 특정 응용 분야에 적합한 재료 특성을 얻기 위해서는 중합 방법의 신중한 선택이 필수적이다. 

 

PLA는 화학적 및 미생물학적 과정을 포함하는 다단계 메커니즘을 통해 생분해된다. 이러한 메커니즘의 이해는 다양한 응용 분야에서 PLA 기반 소재의 생분해성을 관리하는 데 중요하다. 효소나 영양분의 첨가는 토양에서 PLA 분해를 가속화할 수 있다. 토양 내 세균 활성 역시 PLA 분해를 촉진한다. 따라서 매립지에서 PLA 분해를 촉진하기 위해 효소, 세균 및 기타 영양분의 조합이 활용되고 있다. 토양과 달리 해수 환경에서는 PLA가 주로 가수분해를 통해 분해되고, 낮은 온도와 PLA를 분해할 수 있는 미생물 종류의 제한으로 인해 분해 속도가 현저히 느리다. 

 

고온 공정 조건에서는 열분해 역시 PLA의 중요한 분해 경로이다. PLA의 열분해 온도 범위는 약 320°C에서 420°C 사이이다. 이 조건에서 열적 분해가 발생하여 프로필렌글리콜 에스터, 환형 올리고머 및 선형 올리고머가 생성된다. 이러한 열분해 메커니즘은 PLA가 고온 공정을 거치는 산업 환경에서 특히 중요하다. 

 

PLA는 우수한 가스 차단성, 탄성, 생체적합성 등 뛰어난 물성을 나타내어 다양한 응용 분야에 적합하다. 또한 PLA는 열가소성을 지니고 있어 가열 시 가역적 변형이 가능하며, 자외선에 대한 저항성을 제공하여 효과적인 UV 차단 소재로 활용될 수 있다. 소수성 특성 또한 PLA의 장점으로, 수분 흡수에 대한 저항성이 우수하다. 

 

더불어 PLA는 적절한 강성을 제공하여 다양한 용도에서 구조적 안정성을 확보할 수 있다. PLA의 분해 특성, 세포독성, 인장강도 및 탄성계수는 생의학 기기 설계 시 중요한 물성이다. 생의학적 응용에서 고려해야 할 또 다른 중요한 특성은 재결정화 속도이다. PLA는 일부 유기용매에는 잘 용해되지만, 물이나 알코올과 같은 극성 용매에는 용해되지 않는 특성을 보인다.

 

수십 년간의 발전을 거쳐 PLA의 산업적 생산 기술은 점점 성숙해졌다. 우수한 물성 덕분에 PLA는 의류용 섬유, 장식 재료, 의료·보건 소재, 부직포, 농업용 필름, 포장재 등으로 제조되고 있으며, 생의학, 포장, 농업, 운송, 섬유 및 3D/4D 프린팅 산업에서 널리 활용되고 있다.

 

● 생의학 분야 

PLA는 생체적합성, 생분해성, 낮은 독성으로 인해 생의학 분야에서 널리 사용되어 왔다. PLA를 체내에 이식한 후에는 초기에 충분한 강도가 요구될 뿐만 아니라, 분해 과정 동안 조직 세포의 성장 속도에 맞추어 분해 속도가 조절되어 적절한 기계적 강도를 유지해야 한다. 따라서 다양한 의료 적용 요구에 맞추어 PLA의 기계적 특성, 미세구조, 분해 특성을 맞춤 설계할 필요가 있고, 현재 PLA는 기능화된 스캐폴드, 약물 방출 시스템, 전자 피부, 수술용 봉합사 및 붕대 등 의료 분야에서 활용될 수 있다. 의약 분야에서 PLA의 응용에 대한 연구개발은 국내외에서 활발히 진행되고 있으며, 새로운 소재가 지속적으로 개발·적용되고 있다. 

● 농업 및 포장 

포장 분야는 플라스틱 시장의 43%를 차지하는(’23년 기준) 가장 큰 응용시장이다. PLA는 경제적이고 실용적이며 생분해 가능한 바이오 플라스틱으로, 작물 보호와 생장 촉진을 위한 농업용 필름 제조, 채소 품질 유지 및 수명연장을 위한 나노섬유 필름 제조, 그리고 병과 연질필름 등의 포장재 제조 등에 활용될 수 있다. 한편, PLA 플라스틱은 폴리프로필렌과 유사한 기계적 물성, 폴리에스터와 유사한 차단성, 그리고 폴리스티렌과 유사한 광택, 투명성 및 가공성을 갖는다. 따라서, 추가적인 산업 투자 없이도 기존 석유화학 플라스틱 공장을 활용하여 PLA 섬유를 생산할 수 있다. 

● 섬유 

제조된 PLA 섬유는 우수한 방사성을 지니고 있어, 섬유 제품은 구김 저항성, 세탁 내구성, 수분 투과성, 자외선 저항성, 항균 및 항 진드기 특성 등의 장점이 있다. 순면 니트 직물과 비교했을 때 PLA 니트 직물은 더 우수한 열 전도성, 수분 투과성, 접촉 냉감 특성을 보인다. 또한 폴리에스터와 비교하면 PLA 섬유는 연소열이 낮고, 연소 시 발생하는 연기가 적으며, 탄성 및 컬링 내구성이 우수하고 촉감과 부드러움이 더 뛰어나다. 이와 같은 우수한 특성에 기반하여 PLA 섬유는 의류, 어망, 부직포 등 섬유 제조 분야에서 널리 활용되고 있다. 또한 전기방사 기술을 통해 나노섬유 기반 상처 드레싱이나 약물 전달체와 같은 첨단 응용도 구현되고 있다. 

● 3D 및 4D 프린팅 분야 

PLA는 유동성과 성형성이 우수하여 모델과 프로토타입 제작에 매우 적합하다. 따라서 3D 프린터에서 복잡한 기하학적 형상을 출력할 수 있으며, 염색과 도장을 통해 시각적 매력을 높일 수 있다. 3D 프린팅의 고유한 장점은 내부 구조를 갖는 인공 소재를 높은 유연성과 정밀도로, 그리고 낮은 시간과 비용으로 제조할 수 있다는 점으로, 이를 통해 다양한 분야의 맞춤형 요구를 충족할 수 있다. 운송, 항공우주 공학, 산업 장비 제작, 소비자·전자 제품 제조, 생의학/의료 분야 등에 적용된다. 

 

2) PHA5 

PHA는 생분해성과 천연자원으로부터 생산될 수 있는 능력으로 주목받는 바이오 폴리머 계열이다. 지방족 폴리에스터에 속하는 PHA는 생체재료로서의 잠재력 때문에 학계와 산업계 모두에서 큰 관심을 받고 있다. 특히 고유한 생분해성, 천연 유래 특성, 기능적 다양성, 생체적합성, 그리고 우수한 기계적·열적 특성의 조합으로 인해 석유 기반 플라스틱을 대체할 유망 소재로 평가된다. 

 

PHA 고분자는 구조와 분자 크기에 따라 단쇄 길이(SCL-PHA), 중쇄 길이(MCL-PHA), 장쇄 길이(LCL-PHA)의 세 그룹으로 분류된다. 사슬 길이 관점에서 SCL-PHA가 가장 많이 합성되고 연구된 유형이다. 사슬 길이의 차이는 적절한 균주 선택을 통해 구현된다. 각 미생물은 서로 다른 단량체를 생산할 수 있으며, 이러한 차이는 주로 PHA 합성효소의 기질 특이성에서 기인한다. 

 

PHA 바이오 플라스틱의 물리 화학적 및 열적 특성은 생산 미생물, 배양 조건, 탄소원, 그리고 대사 경로를 재설계하기 위한 공학적 접근 등 다양한 요인에 의해 좌우된다. PHA의 특성은 딱딱하고 잘 부서지는 열가소성 플라스틱부터 고무처럼 말랑한 탄성체까지 다양하게 나타날 수 있다. 

 

SCL-PHA는 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)에 거의 필적하는 물성을 보여 특정 응용에서 유리하다. 그러나 SCL-PHA는 높은 결정성 구조로 인해 쉽게 파손되는 경향이 있어, 물성 향상을 위해 다른 단량체를 도입하거나 블렌드를 형성하려는 연구가 활발히 진행되어 왔다. MCL-PHA는 고무와 같은 탄성 특성을 지닌 소재로, 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있다. 

 

상업적 활용 가능성에도 불구하고, 많은 PHA 기반 소재는 여전히 연구자들이 해결해야 할 과제를 안고 있다. 예를 들어, 가장 많이 연구되고 특성이 규명된 PHA 고분자 중 하나인 poly(3- hydroxybutyrate)(PHB)는 높은 소수성을 가지며, 낮은 열변형 온도와 부족한 가스 차단 특성을 나타낸다. 또한 PHB는 높은 결정화도로 인해 기계적 물성이 취약하여, 포장재, 심장판막과 혈관용 소재 등 바이오 의료·제약 분야, 제어 방출 약물 전달시스템 등 다양한 응용에 부적합할 수 있다. 

 

더불어 PHA의 생산 비용은 다른 바이오 기반 플라스틱보다 높아, 물리적 특성의 한계와 함께 적용 확대를 제한하는 요인이 되고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 PHA의 물리·화학적 특성을 향상시키는 다양한 전략이 개발되어 왔다. 주요 접근법으로는 물리적, 화학적 또는 생물학적 변형을 통해 바이오 고분자의 성질을 조정하여 다양한 분야로의 적용 범위를 넓히는 것이다. 

 

물리적 변형 측면에서, PHA를 천연 원료나 합성 생분해성 고분자와 블렌딩하는 방법은 문헌에서 매우 활발히 연구되고 있는 기술이다. 고분자 공학에서 블렌딩은 특정 고분자 매트릭스를 다른 물질과 혼합함으로써 물성이 향상된 새로운 고분자 소재를 얻을 수 있게 하는 효과적인 접근법이다. 

 

이 방법의 가장 큰 장점 중 하나는 원래 고분자의 특성을 조절하여 목표 응용에 적합하도록 맞춤화할 수 있다는 점이다. 이를 위해 연구자들은 저비용·고부가가치 원료와 다양한 바이오 기반 고분자를 첨가제로 활용하여 PHA의 물성을 개선하는 연구를 진행해 왔다. 대표적인 예로는 셀룰로오스, 전분, 리그닌과 같은 천연 고분자와의 블렌딩이 있다. 

 

화학적 변형은 PHA 구조에 추가적인 화학기를 도입하여 PHA의 특성을 향상시키는 또 다른 유망한 방법이다. PHA는 다양한 화학기의 도입을 통해 개질될 수 있으며, 이를 통해 기능성이 향상된 화학 개질 PHA가 개발될 수 있다. 

 

가장 일반적인 화학적 변형 방법에는 카복실화, 할로겐화, 하이드록실화, 에폭시화 등이 포함된다. 카복실화는 고분자의 친수성을 향상시키는데 효과적인 것으로 알려져 있고 할로겐화는 고분자의 특성, 기능성 및 응용성을 향상시키는 주목할 만한 방법이다. 또한, 하이드록실화는 고분자 사슬의 분자량을 감소시키며 에폭시화는 열 안정성을 향상시킬 수 있는 변형 방법으로 활용될 특성에 맞게 전략적으로 사용되고 있다.

 

PHA 소재는 우수한 생분해성과 생체적합성으로 인해 의료 산업에서 광범위하게 사용되고 있다. PHA 입자는 독성이 없으며 발열성, 알레르기 유발성, 발암성, 염증 유발성, 기형 유발성 특성이 없는 것으로 보고되었다. PHA 비드(bead)는 단백질 정제, 진단 및 이미징, 조직공학 등 의료 및 산업 분야에서 유용하게 활용되고 있다. 

 

의료 분야에서 PHA는 나노입자 기반 전달체 및 API 캡슐화를 포함한 약물전달시스템의 유용한 소재로 활용된다. 특정 항원을 탑재한 PHA 비드 기반 입자를 제조하여 다양한 생물학적 병원체에 대한 백신 제형으로 활용하기 위한 연구가 수행되어 왔다. 또한 PHA는 재생의학 목적의 조직공학 스캐폴드 제작에도 활용되고 있으며 농업 분야에서는 농약의 방출 속도를 조절하기 위한 캡슐화 소재일 뿐만 아니라 종자 보호제로도 이용된다. 포장 및 식품 서비스 산업에서는 PHA의 생분해성과 투과 특성 때문에 석유 기반 플라스틱의 매력적인 대안으로 활용되고 있다.