반도체 디스플레이 핵심소재 산화이트륨

고내구성 생분해성 섬유소재는 부직포, 직편물 원단, 복합재료 등 다양한 형태로 자동차를 포함한 산업용 필터류, 보호복을 포함한 의류용, 농작물 보호소재, 어망, 낚싯줄 등 전방산업의 주요 소재로 적용 가능하 며, 전개 분야는 이 외에도 다양할 것으로 예상된다.

섬유제품의 경우 장섬유를 많이 사용하는 의류는 염색/텐터 가공 등의 후공정에서 염색 시 130℃, 텐터 가공 시 180℃의 고온 공정이 필요하며, 단섬유를 많이 사용하는 부직포 등의 후공정에서 열접착 시 180℃의 고온 후공정이 필요하다. 기존 생분해 소재의 경우 일회용 포장용기 등에 최적화된 물성으로 융점이 160℃ 이하로 낮아 섬유제품의 후공정에 부적합하며, 내구성이 부족하여 섬유제품에서 요구하는 사용 수명을 만족하지 못한다.

또한, 생분해성 섬유소재는 특정 세계 선도기업(Dupont, Bayer, BASF, Solvay 등)에서 전량 수입에 의존 하고 있다. 석유계 생분해성 PET/PP계 상용화 섬유기술은 현재 전 세계적으로 미흡한 실정이다. 이 분야의 핵심기술 확보 시 친환경 기술을 선도할 수 있다. 섬유소재 및 제품에 대한 생분해성 요구의 증가로 원료부터 중간재, 응용제품까지 공급 가능한 원천기술 및 공급망의 확보가 시급하다.

이러한 석유계 생분해성 PET 섬유소재를 위하여 기존 Polyester 수지와 생분해 속도가 빠른 BioPolymer/생분해 촉진제를 고분자상태에서 융합한다면 내구성이 우수하며, 생분해가 가능해진다. 생분해성 PET계 소재는 PET의 우수한 가격 경쟁력을 유지하며 생분해성을 발현하기 위하여, PET와 기존 BioPolymer를 공중합 시 생분해성을 발현 가능한 수준에서 최적의 Bio-Polymer 함량이 요구된다.

생분해성 PP계 섬유소재는 폴리프로필렌(PP) 고분자 개질, 생분해 유도, 컴파운드 기술을 개발하여 생분 해성 PP 및 장·단섬유 등의 섬유형성공정을 개발한다. 이를 통해 생활·산업용으로 폭넓게 이용되고 있는 비분해성 PP 섬유제품을 생분해성으로 대체하는 친환경적 단섬유, 부직포(스펀본드, 니들펀칭, 멜트블로 운), 멀티필라멘트 직·편물 원단 등 생활·산업용 제품화를 진행하는 것이다.

기존 응용제품을 대체할 수 있는 고내구성 생분해성 소재는 친환경 제품으로 생활용뿐만 아니라 농업 및 산업 전반적으로 혁신적인 제품으로 각광 받는 소재가 될 것이다.

R&D 관련 표준 동향

생분해도 평가방법은 ISO/TC 61(Plastics)/SC 14(Environmental Aspects) WG2(Biodegradability), ISO/TC 38(Textiles) WG30(Tests for Biodegradability), ASTM D 20.96(Environmental Degradable Plastics and Biobased Products)에서 국제표준화를 활발히 수행하고 있다. 국내외 퇴비화 또는 생분해성 인증은 ISO 14855-1, ISO 16929, EN 13432, EL 727을 적용하고 있다.

기술개발에 도움이 되는 주요 표준

고내구성 생분해성 섬유소재의 시장 진입에 기술장벽 역할을 하는 대표적인 유럽의 퇴비화 인증과 국내 환경표지 인증을 소개한다.

유럽의 퇴비화 인증은 유럽지역 표준인 EN 13432로 생분해도, 중금속, 식물체 독성, 생붕괴도 평가로 나눠져 있다. 생분해도 평가는 ISO 14855-1을 적용하여 180일에 표준물 대비 90% 이상을 인증기준으로 정하고 있고, 생붕괴도 평가는 ISO 16929를 적용하여 12주 시험 후 붕괴된 시료의 90% 이상이 2㎜ 이하 여야 인증을 받을 수 있다. 이외에도 11종의 중금속이 일정수치 이하로 검출되어야 하고, 식물의 발아율도 90% 이상 되어야 한다. 유해물질의 종류 및 검출한계는 국가별로 차이가 있다.

국내의 경우, 한국환경산업기술원(KEITI)에서 환경표지제도를 시행하고 있으며, 생분해성 인증기준(EL 724, 생분해성 수지제품)에 적합 시 환경표지 인증을 부여하고 있다. 생분해성 합성수지 원료제조자가 환경표지를 사용하기 위해서는 생분해도 측정기관의 측정결과와 재질특성 자료를 한국환경산업기술원에 제출하여 인증 심의를 받아야 한다. 생분해도 측정은 ISO 14855-1을 적용하여, 45일 동안 생분해도 값이 표준물질 대비 60% 이상 또는 180일 이내의 기간 동안 배양하여 측정한 최종 생분해도 값이 표준물질에 대한 최종 생분해도 값의 90% 이상이어야 한다.

현재까지 생분해성 평가 및 인증은 플라스틱에 대하여 개발된 시험방법을 표준화하였으므로 섬유화가 가능한 고내열성, 고내구성을 갖는 분자량이 크고 결정화도가 높은 섬유소재에 적용하는데 한계가 있다. 앞서 생분해 메커니즘에서 설명했듯이 생분해(micro-organism)가 일어나기 위해서는 1차적으로 분자쇄가 절단되어 미생물의 먹이가 될 수 있는 크기로 분해되어야 하므로 45일 또는 180일의 시험기간으로는 섬유 소재의 생분해도를 평가할 수 없다. 이러한 한계를 극복하기 위해 섬유소재의 특성을 고려하여 생분해성을 검증할 수 있는 새로운 시험방법으로 복합분해성 시험방법이 개발되고 있다.

기술개발에 필요한 표준화 항목

ㆍ물리적 열화(Deterioration): 다양한 사용 환경 아래 생분해 소재의 비가역적인 물리적 물성 변화
ㆍ물리적 열화(Degradation): 다양한 사용 환경 하에서 생분해 소재의 비가역적인 중대한 물리적 물성 (분자량, 중량, 구조, 강도 등) 상실 또는 하나 혹은 여러 단계의 환경조건에 의한 분열
ㆍ방출된 이산화탄소 발생량 측정(Determination of evolved CO 2 by IR): 생분해도 시험 시 발생되는 이산화탄소 발생량을 IR을 사용하여 정량화
ㆍ미세플라스틱 정성 및 정량적 평가(Microplastic): 생분해 부산물 중 미세 플라스틱의 정성 및 정량적 평가방법
ㆍ환경영향평가(Environmental Aspects): 생분해 소재가 퇴비화 및 수계에서 환경에 미치는 영향을 평가
ㆍ가속노화시험(Accelerated-aging test): 장기 서비스 수명평가를 가속조건에서 시뮬레이션 하는 시험

R&D-표준 연계를 위한 표준화 쟁점 및 이슈사항

생분해 관련 국제표준화는 플라스틱 기술위원회에서 시작되어 각국 또는 지역의 규제 또는 인증제도로 자리 잡고 있다. 기존 플라스틱 기술위원회에서 개발된 표준을 적용하여 섬유소재의 생붕괴도, 생분해성, 퇴비화를 검증하기에는 오랜 시험기간이 요구된다. ISO 21701과 같은 복합분해성 시험방법의 국제표준이 제정되어도 각 나라 및 지역 규제와 상충된다는 이유로 인증 제도권 진입이 어려운 현실이다.

생분해성 섬유소재의 가장 큰 이슈는 45일 또는 180일 시험에서 완전 분해를 검증할 수 없는 데 따른 미세 플라스틱 발생 및 이에 따른 환경영향에 대한 우려이다. 이러한 한계를 극복하기 위해서는 단시간에 생분해 성을 검증할 수 있는 복합분해성 시험방법의 검증 및 미세플라스틱에 대한 정성·정량적 평가방법의 국제표 준화가 필요하다.

생분해성 소재의 신뢰성 검증 위한 평가기준 필요

섬유화가 가능한 생분해성 섬유소재는 특정 세계 선도기업인 Dupont에서 개발한 생분해성 폴리에스터 소재인 APEXA®와 Solvay에서 개발한 생분해성 나일론 소재인 AMNI SOUL ECO®가 대표적이다. 현재 상용화되어 있는 국내 생분해성 섬유소재는 휴비스에서 개발한 생분해성 폴리에스터 소재인 ECOEN이 유일 하다. 현재 개발 중인 생분해성 PET/PP계 섬유소재가 자동차, 마스크, 보호복, 농업용 보호소재 등 전방산 업의 기존 소재를 대체하려면 내구성 검증이 필요하며 내구수명을 평가할 수 있는 신뢰성 평가기준의 마련이 필요하다.

또한, 이러한 생분해성 섬유소재가 글로벌 시장진입에 성공하려면 생분해성에 대한 검증 및 환경에 미치는 영향에 대한 안전성 평가가 필수적으로 요구된다. 그러나 생분해성을 검증할 수 있는 기존의 국제표준 및인증기준은 섬유화가 가능한 분자량이 크고 결정화도가 높은 섬유소재에는 적합하지 않으므로 생분해 과정을 단시간에 평가할 수 있는 새로운 평가방법의 개발 및 검증, 환경에 미치는 영향을 평가할 수 있는 다양한 검증방법의 국제표준화 및 인증 스킴 개발이 절실하다.

생분해성 평가방법 관련 주요 표준