롯데케미칼㈜에 기술이전을 통한 사업화 박차
미래창조과학부(장관 최양희)는 온실가스인 이산화탄소를 원료로 친환경 생분해성 플라스틱*을 생산할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발되어 10월 17일 롯데케미칼㈜에 이전되었다고 밝혔다.
* 박테리아, 조류(藻類), 곰팡이 등과 같은 자연계에 존재하는 미생물에 의해 물과 이산화탄소 또는 물과 메탄가스로 완전히 분해되는 플라스틱
아주대학교 이분열 교수팀이 지난 3년간 미래창조과학부 ‘Korea CCS 2020사업’의 지원을 받아 개발한 본 기술은 기존 석유화학 기반의 고분자 플라스틱의 열적‧기계적 물성을 유지하면서도 대량생산 가격을 낮출 수 있는 새로운 고분자 생산기술로서, 단기간 내 제품개발이 용이할 만큼 기술완성도가 높다고 평가되어 기술이전이 이루어졌다.
본 기술로 생산되는 고분자는 생분해성 플라스틱, 포장재 소재, 필름, 의료소재 등 다양한 분야에 적용될 수 있어 국내 기업의 세계시장 지배력이 확대될 것으로 전망된다.
※ 전세계 생분해성 플라스틱 분야 우리나라 시장 점유율은 '09년 기준 2.1% (Industry Study 2548 World bioplastics 2009)
플라스틱 폐기물 등의 환경문제에 직면하여 최근 유럽연합과 미국 등에서는 분해성 수지 사용 의무화를 비롯한 비분해성 플라스틱 사용 규제를 강화하는 가운데, 2024년 중국 등에서는 대규모 생분해성 고분자 생산시설 구축이 예정되어 있어 전세계적으로 생분해성 고분자 생산을 위한 준비가 진행중이다.
이에 대하여 글로벌 인더스트리 애널리스트(Global Industry Analyst)는 2015년 세계 바이오고분자 시장이 82.5만톤 규모, 약 29억달러(3.2조원)로 성장할 것으로 예상한 바 있고(2009년), 최근 전세계적 움직임을 고려할 때, 세계 바이오고분자 시장은 더욱 확대될 것으로 예상된다.
이에 따라, 금번 롯데케미칼㈜에 이전된 “생분해성 고분자 플라스틱 제조기술”은 기존 석유화학 기반 난분해성 플라스틱 제품을 대체함으로써 범지구적 폐플라스틱 환경문제 해결에 기여하는 한편, 포집된 이산화탄소를 원료로 재활용하기 때문에 온실가스인 이산화탄소 감축 편익까지 제공하여 급증하는 세계시장을 선점‧개척할 수 있을 것으로 보고 있다.
이분열 교수는 “전세계적으로 생분해성 플라스틱에 대한 관심이 증대되는 가운데 나온 이번 연구성과는 다양한 분야에서 사업화 가능성이 높은 기술이다.”라며, “기술이전을 마친 만큼 해당 기술을 활용한 제품의 상용화가 조속히 이루어져 국내 업체가 수 조원대 생분해성 고분자 플라스틱 시장을 선점하기를 기대한다”라고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
매년 석유화학 기반 플라스틱 소재가 매년 수 백만톤 이상 생산되고 있으나, 대부분의 플라스틱이 매립되거나 무단 폐기되어 인체 및 생태계에 큰 위협으로 등장하면서, 국내외 관련 기업들은 생분해성을 가지는 친환경 고분자인 지방족 폴리카보네이트에 큰 관심을 가지고 있다. 국내에서는 본 연구자에 의해 개발된 이산화탄소/에폭사이드 공중합 반응을 위한 초고활성 촉매가 현재 그린폴이라는 상품명으로 이미 사업화가 진행되고 있다.
미래의 고분자산업의 방향은 renewable resource로부터 제조하고 자연분해로 환경오염을 저감할 수 있는 고분자 제조로 전망되고 있는데, 본 기술(CO2를 첨가하여 제조한 생분해성 고분자 제조 기술)은 이러한 방향성에 적합한 기술로 판단, 본 기술개발을 위한 연구에 착수하게 되었다.
2. 연구내용
① 1,4-부탄디올(BD)과 디메틸카보네이트(DMC)에 의한 축합 중합법으로 지방족 폴리카보네이트(poly(1,4-butylene carbonate: PBC) 제조 기술을 개발하였다. 개발된 PBC는 결정성 고분자로서 고분자량(Mw >100,000), 60도의 녹는점, 생분해성 특성 등 다양한 장점을 가지고 있다.
※ DMC는 산업체에서 이산화탄소를 원료로 쉽게 합성 가능하며 BD는 석탄 또는 재생가능 자원을 이용하여 친환경적으로 얻을 수 있음
② PBC 제조 과정에 저가의 디메틸테레프탈레이트(DMT)를 첨가하여 높은 녹는점 (100~150도)을 갖는 새로운 고분자(poly(1,4-butylene carbonate- co-terephthalate: PBCT)를 제조할 수 있는 기술을 개발하였다. DMT의 원료 물질인 테레프탈산(TPA)는 우리나라에서 년 5백만톤 규모로 생산되고 있고 현재 공급 과잉으로 용처 개발이 필요한 화합물이다.
③ 고분자량의 PBC에 다양한 다이올, 트리올을 첨가하여 새로운 형태의 지방족 폴리카보네이트-폴리올을 제조하여 폴리우레탄 제조에 응용 가능하다.
3. 기대효과
해당 기술을 통해 제조된 친환경 고분자는 생분해성 플라스틱, 포장재 소재, 필름, 의료소재 등 다양한 분야에 적용될 수 있어 그 파급효과가 클 것으로 예상된다. 특히, 빠르게 성장하고 있는 생분해성 플라스틱 분야에서 조속한 제품 상용화를 통해 국내 석유 화학 산업기반 강화 및 세계 시장 선도 효과가 기대된다.
또한, 고유가 시대 및 저탄소 녹색 성장이 화두인 시대에서 본 기술의 활용을 통해 플라스틱의 환경문제를 해결할 수 있으며, 전 세계 고분자 제조 시장규모를 감안할 때 지구온난화의 주범인 온실가스를 대량으로 감축하는데 기여할 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
> 이번 성과 뭐가 다른가?
생분해성 폴리머 신소재를 제조할 수 있는 기술로, 주요 경쟁기술인 바이오매스 기반 생분해성 소재에 비해 물성이 우수하며, 저가격으로 대량 생산이 가능하여 제품 개발이 용이함. 또한, CO2를 원료로 하기 때문에 석유화학 기반 생분해성 플라스틱과 비교하여 온실가스 감축 측면에서도 편익을 제공할 것으로 예상됨.
> 어디에 쓸 수 있나?
본 기술을 활용하여 제조된 친환경 고분자는 생분해성 플라스틱, 포장재 소재, 필름, 의료소재 등 다양한 분야에 적용될 수 있어 파급효과가 클 것으로 예상됨
> 연구성과 도출 배경은?
인류가 사용하고 있는 대부분의 플라스틱이 매립되거나 무단 폐기되면서 인체 및 생태계에 큰 위협으로 등장하고 있는 가운데 이산화탄소를 원료물질로 사용하여 생분해성을 가지는 친환경 새로운 고분자를 제조하는 연구 개발에 착수하였고, 본 기술을 개발하여 원천 특허권을 확보함.
용 어 설 명
1. 지방족 폴리카보네이트
- 생분해성이 있는 카보네이트(-OC(O)O-)기 있는 고분자. 카보네이트 기는 이산화탄소로부터 유래할 수 있음.
2. 공중합 반응
- 여러 개의 단량체를 복합으로 연결하여 고분자를 제조하는 반응
3. 생분해성 고분자
- 자연 상태에서 CO2와 H2O로 수년 내에 완전 분해가 가능한 고분자
4. 1,4-부탄디올(BD)
- 현재 폴리우레탄의 원료 물질로 사용되는 화합물로 생분해성 고분자를 제조할 때 용이하게 사용되는 물질임. 전세계 생산량이 년간 200만톤 이상이고 현재 생산량이 증가하고 있음. 석유 및 석탄으로부터 제조가 가능하고 재생가능자원의 발효를 통하여 제조하는 연구가 활발히 진행되고 있음.
5. 디메틸카보네이트(DMC)
- 이전에는 유독 물질인 포스겐으로부터 고가로 제조되어 용도에 한계가 있었으나, 최근 아시아 권에서 일산화탄소 또는 이산화탄소로부터 제조되는 공정이 개발되어 그 용도가 확대되고 있는 화합물임. 배터리 전극 물질 또는 연료 첨가제로 현재 사용되고 있고 고분자 제조의 단량체로도 활용이 확대되고 있음.
6. 디메틸테레프탈레이트(DMT)
- 테레프탈산으로부터 제조되는 화합물로 PET의 제조의 원료 물질로 상용된 대량으로 제조되어 사용되는 물질임.
7. 축합
- 고분자 제조시 물 또는 메탄올과 같은 부산물이 생성되는 방응을 일컬음.
그 림 설 명
이산화탄소로부터 제조되는 디메틸카보네이트(DMC)의 분자 구조 및 이를 1,4-부탄디올과 축합하여 지방족 폴리카보네이트(poly(1,4-butylene carbonate: PBC)를 제조하는 화학 반응식을 보여 준다. 분자량이 100000이상으로 매우 큰 PBC를 제조하는 방법을 개발하였다.
1,4-부탄디올, 디메틸카보네이트(DMC), 및 디메틸테레프탈레이트(DMT)를 공축합하여 새로운 고분자 새로운 고분자(poly(1,4-butylene carbonate- co-terephthalate: PBCT)를 제조하는 화학반응시을 보여 준다. PBCT는 우리가 범용으로 많이 사용하는 PE 또는 PP와 유사한 물성을 가진다.
분자량이 큰 PBC를 절단하여 분자량이 작은 매크로-다이올 또는 폴리올을 제조하는 화학 반응식을 보여 준다. 매크로-다이올 또는 폴리올은 현 산업에 대량으로 사용되고있는 폴리우레탄 제조 원료 물질이다.
