지속가능한 플라스틱 산업은 크게 사용 후에 물과 이산화탄소로 분해되어 환경에 악영향을 주지 않는 생분해성 플라스틱과 대기 중의 탄소자원으로 광합성된 바이오매스로부터 전환된 원료를 사용하여 탄소 중립을 실현하는 바이오매스기반 플라스틱으로 나누어진다. 그중 산업의 새로운 방향으로 바이오매스 기반 엔지니어링 플라스틱(EP) 및 천연 나노섬유를 이용한 강화 나노복합소재가 각광받고 있다. 이들 소재는 천연자원을 활용한다는 친환경성의 이점 외에도 석유계 플라스틱보다 뛰어난 차별화된 고기능성을 부여하여 고부가가치 플라스틱 시장에서의 경쟁력을 가진다. 대표적 바이오매스 기반 단량체인 isosorbide와 2,5-furandicarboxylic acid로부터 제조되는 폴리에스터, 폴리카보네이트 소재는 석유계 대비 높은 투명성, 기계적 특성, 열안정성, 기체 차단성 등으로 산업화의 선두에 있다. 더 나아가서 연속사용온도 150 ℃ 이상의 슈퍼 EP 소재에도 적용될 수 있는 가능성을 보였다. 나노셀룰로오스, 나노키틴 등의 자연계 나노섬유의 표면 친수성, 다관능기를 활용한 in situ 중합법을 이용하여 기존에 보고된 바 없는 기계적 물성 향상을 최소한의 나노필러 함량으로 이루어내었다. 본 총설에서 다루는 바이오매스 기반 tough-플라스틱은 환경이 요구하는 탄소 중립, 소비자가 요구하는 고기능성, 산업이 요구하는 접근성을 모두 만족함으로써 석유계 플라스틱을 대체해 나갈 것으로 기대한다.

바이오매스는 고갈되어가는 화석연료를 대체할 수 있는 친환경에너지원으로 사용이 가능하고, 공업 화학의 원료 물질을 생산할 수 있는 자원으로 평가된다. 바이오매스의 열적 전환 기술 중 열분해는 산소가 없는 조건에서 바이오매스의 열에 의한 분해를 통해 바이오오일을 생산하는 방법이다. 하지만 열분해를 통해 얻은 바이오오일은 높은 산소 함량으로 인해 O/C비율이 높아 발영량이 낮고, 높은 산도, 높은 점도를 갖고 있어 실제연료로 사용되기 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 수소가 충분한 폐플라스틱을 함께 투입하여 공급 원료를 개선하는 촉매혼합열분해가 연구되어왔다. 본 연구에서는 바이오매스로 백합나무를, 플라스틱으로는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 반응물로 선정하였고, 다양한 촉매를 이용하여 촉매혼합열분해를 수행하였다. ^**이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No NRF-2015R1A2A2A11001193).

인체에 무해하고 대표적인 친환경소재로서 잘 알려진 Polylactic Acid (PLA)는 최근 기후 변화로 인한 저탄소 시대 실현 요구를 충족시킬 친환경소재로서, 또한 기존의 범용 석유화학제품의 대안으로서 많은 주목을 받아왔고 다양한 제품응용 개발을 위한 연구가 진행되어 왔다. 하지만, PLA는 우수한 생분해성으로 선순환적자원순환에 기여할 수 있지만, 낮은 내열성으로 인해 범용 석유화학제품들을 대체하기 위한 활용성에 많은 제약을 받아왔다. CJ제일제당은 이러한 PLA의 물성적 한계를 개선하고 제품 응용분야 확대를 위해 고내열성 PLA(ex. Sc-PLA)의 원료 물질인 고순도 D-Lactic acid 및 D-Lactide 소재를 개발했다. 고순도 D-lactic acid 또는 D-Lactide를 이용하여 성형된 고내열성 PLA는 110도 이상의 고온에 서도 제품형태를 잘 유지할 수 있고, 젖병, 컵 등 각종 플라스틱 소재 용기와 필름, 식기, 의료용 섬유, 식품용 포장재 등에 사용될 수 있다.

플라스틱은 인간이 원하는 모든 물성을 가지고 있는 물질로써 대부분 산업 분야에 널리 활용되고 있기 때문에 폐플라스틱 발생량은 점차 증가되고 있는 실정이다. 이에 따라 전 세계적으로 폐플라스틱을 재활용하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 현재까지 폐플라스틱의 재활용 기술은 물질 재활용 기술과 RPF(Refused Plastic Fuel)에 의한 연료화 기술이 개발된 바 있다. 이 중 물질재활용 기술은 가장 용이하고 친환경적인 기술이라고 볼 수 있으나, 재활용 대상 원료의 제한성이 크고 재활용 비용 대비 부가가치가 낮으며, 재활용 제품이 다시 폐기물로 재 발생된다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 이유로 고부가 가치 생산물을 얻는 연료화 기술이 적극적으로 추진되고 있다. 폐플라스틱 연료화 기술은 RPF 및 유화 기술 등이 존재하며, 연료화하기 위해서는 열처리 기술을 적용이 필수적이다. 열처리 기술은 반응온도에 따라 액화, 가스화 및 수소화 기술로 분류된다. 기존 열분해 공정들은 고온(350~500℃)에서 이루어져 높은 열에너지를 필요로 하며, 추출된 연료유만을 사용한다. 그러나 반응온도까지 도달하기 위한 에너지소비량을 고려하였을 때 반응온도를 감소를 통해 에너지소비량 개선이 가능한 방안이 필요하다. Hydrothermal Liquefaction(HTL) 반응은 기 수행된 열분해 공정에 비해 상대적으로 낮은 온도조건(200~300℃)과 고압조건에서 반응이 이루어진다. 폐플라스틱을 연료화 하는데 있어서 HTL 공정 적용 시 상대적으로 낮은 온도조건에서 반응되기 때문에 에너지소비량 감소가 가능할 것으로 예상되며, HTL 공정 적용으로 연료유 및 고형연료 생산이 가능하여 추가적인 경제성 확보가 가능할 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 기존 열분해 공정과 달리 선정된 각 재질별 폐플라스틱을 연료화 하는데 있어서 HTL 공정 적용을 통해 연료유 및 고형연료를 확보하고자 한다. 이를 위해 각 재질별 폐플라스틱에 대하여 HTL 공정을 적용을 통해 생성된 유류 및 고형연료에 대한 특성 분석을 진행하였다. 본 연구를 통해 안정적인 연료유 및 고형연료 확보가 가능할 것으로 기대된다.

지구온난화 방지 정책 및 플라스틱 쓰레기에 의한 환경오염 방지의 해결책으로 제시된 플라스틱의 원료 자체를 재생 가능한 원료로부터 생산된 일명 바이오매스 기반 바이오 플라스틱 중 대표적인 polylacticacid (PLA), 유해 화학물질이 포함될 가능성이 적은 장점으로 화장품 용도로 시장전개가 용이할 것으로 예상되는 polyglycolicacid (PGA), 미생물생산 바이오 플라스틱의 대표적인 polyhydroxyalkanoate (PHA), 가격 대비 우수한 물성의 전분/녹말계열 고분자 등의 동향을 살펴보고자 한다. 특히 포장재 분야, 일회용 위생용품 분야, 폐기물 발생량의 가장 많은 부분을 차지하고 있는 건설 폐기물 분야에 있어서의 환경 친화적인 바이오 플라스틱의 개발 동향을 고찰해보았다.

열중량 분석기와 파이롤라이저-가스크로마토그래피/질량분석기를 이용하여 폐플라스틱 필름의 열분해 특성연구를 수행하였다. 열중량 분석 결과, 최근 사용량이 증가된 녹말 첨가 바이오 플라스틱의 영향으로 폐플라스틱 필름의 열분해는 200 ℃에서 370 ℃ 사이의 녹말 분해구간과 370 ℃에서 510 ℃ 사이의 PS, PP, PE와 같은 플라스틱계열의 고분자분해구간을 가지는 것을 확인할 수 있었다. Revised Ozawa method를 이용한 동역학 분석 결과 폐플라스틱 필름의 열분해 반응 활성화 에너지는 녹말과 플라스틱계열 고분자의 다른 분해 반응에 의해 급격하게 변화되었다. 파이롤라이저-가스크로마토그래피/질량분석 결과 폐플라스틱 필름에 포함된 각 고분자의 열분해 부산물인 levoglucosan (녹말), ter-ephthalic acid (PET), styrene monomer/dimer/trimer (PS), methylated alkenes (PP), alkadiene/alkene/alkane으로 구성된 triplet피크 (PE)가 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 고분자 첨가제로 사용되는 프탈레이트 성분도 검출되었다.

Biomass as a renewable energy source has several limitations in terms of the potential for steady supply and its thermal characteristics. This study conducted a thermal weight change analysis and determined its kinetics to address this problem. Sawdust was chosen as the biomass, and PE and PP were the plastics used. Based on the result of thermogravimetric analysis (TGA), the kinetic characteristics were analyzed using Kissinger, Ozawa, and Friedman methods, which are the most common methods used to obtain reaction coefficients and activation energy. The methods used to determine the thermal degradation kinetics were considered feasible for evaluating the pyrolytic behavior of the materials tested. The experimental results of this study provided insights into mixed biomass/plastics pyrolysis kinetics and their optimal operation conditions.

연구배경 플라스틱은 오늘날 산업디자인 분야에서 가장 널리 활용되는 소재 중 하나임에도 불구하고, 종류가 너무 많기도 하고 내용을 파고들어가다 보면 석유화학이나 화학공학적 지식을 필요로 하기 때문에 비전공자들이 접근하기가 쉽지 않다보니 아직까지 디자인분야에서 플라스틱과 관련된 선행 연구는 부족한 실정이다. 하지만 최근 들어 플라스틱으로 인해 발생하는 환경 문제가 세계적인 이슈로 대두되면서 산업디자인 분야에서의 플라스틱에 대한 이해의 필요성은 크게 증가하였다. 연구방법 지속가능한 디자인의 관점에서 플라스틱 소재를 조망할 수 있는 디자인 분야의 선행 연구가 부족하다보니 플라스틱과 관련된 타 분야 자료들을 주로 참고하면서 문헌 연구를 통해 플라스틱의 종류별 특성과 용도를 먼저 살펴보았고, 다음으로 플라스틱이 유발하는 문제들을 분석하였으며, 그 문제들을 해결하기 위해 시도되고 있는 현재의 해결책들까지 고찰하였다. 연구결과 기존에 사용되고 있는 석유계 플라스틱 및 바이오 플라스틱에 대한 이해와 플라스틱이 현재 사람과 환경에 끼치고 있는 부정적인 영향에 대한 상세한 고찰을 바탕으로 디자인 분야에서 플라스틱 소재 활용 시 그러한 부정적인 측면을 최소화하기 위해 참고할 수 있는 5개의 카테고리와 8가지 세부 실행 항목으로 이루어진 플라스틱 활용 가이드라인을 도출하였다. 결론 본 연구는 산업디자인의 관점에서 플라스틱 소재의 특징이 구체적으로 무엇이고 어떤 측면에서 문제가 되고 있으며 그 문제를 산업디자인 분야가 어떻게 다루어야 하는지를 고찰하기 위해 시도되었다. 본 연구가 디자인 분야에서 추후 관련된 논의를 본격적으로 시작하는데 도움이 되기를 기대한다.