폴리카보네이트(PC)의고부가가치성과 시장동향

내열성, 고투명성, 난연성 등에서 뛰어난 물리적 성질을 나타내는 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC)는 일반 유리보다 250배 이상의 내충격 성능을 발휘하는 점에서 휴대폰, 노트북, 모니터 등 IT 제품과 자동차 부품, 의료기기 등에 광범위하게 사용되고 있으며, 2020년 기준 세계적으로 연간 670만 톤 이상 소모된 범용성이 높은 엔지니어링 플라스틱이다. 하지만 비싼 재활용 처리비용 때문에 이를 폐기하기 위해선 매립 또는 소각하였으나, 땅속에서 분해되지 않을뿐더러 고온에서 독성물질을 유발하는 문제점으로 인해 환경오염 문제가 대두됐다. 또한 폴리카보네이트 제조 시 사용되는 환경호르몬 물질인 BPA(Bisphenol A)의 사용 제한에 따라 바이오매스 기반의 소재 전환이 더욱 시급하게 요구되고 있다.

바이오매스 기반 폴리카보네이트(PC) 엔지니어링 플라스틱 기술의 현주소

전 세계적으로 친환경 정책 기조가 강화되면서 고부가가치 제품으로 활용이 가능한 바이오매스 기반 폴리카보네이트는 일본 Mitsubishi, Teijin 등 여러 기업의 관심 속에서 기술개발이 진행되고 있다. 이중 Mitsubishi Chemical에서 세계 최초로 상업화에 성공한 Bio-based PC(제품명: DURABIO)는 식물로부터 유래된 변성 아이소소바이드(Isosorbide) 단량체를 사용한 바이오 엔지니어링 플라스틱으로 자동차 부품, 전자기기 하우징 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 하지만 DURABIO-PC는 바이오 원료를 일부 사용하였으나 비생분해성 플라스틱으로 여전히 생분해 가능한 PC 개발에 대한 시장의 요구는 매우 높다. 현재 국내에서 Isosorbide 및 유도체를 활용한 고유의 생분해성 PC 소재 개발은 삼양사를 중심으로 시작되어 초기 연구 단계에 있으나, 천연물 유래의 플라스틱 소재는 아직 석유계 자원 유래의 원료에 비해 물성과 안정성이 부족해 산업적으로 대량생산이 되지 않고 있어, 바이오 PC 생분해와 관련된 산업화 차원의 국내외 연구는 미진한 상황이다.

세계 최초 생분해 폴리카보네이트(PC) 엔지니어링 플라스틱 연구

삼양사는 1989년 국내 최초로 PC 생산에 성공해 PC 국산화 시대를 열었다. 이후 저온에서의 충격강도, 내화학성, 난연성 등을 향상시킨 실리콘 폴리카보네이트(Si-PC), 고내열 PC, 투명 난연 PC 등 고부가가치 PC 기술 개발에 주력해 왔다.
2014년에는 PC의 주원료인 BPA를 대체할 수 있는 Isosorbide를 전분을 이용해 국내 최초, 세계 두 번째로 상업 생산기술을 확보했다. 또한, 삼양그룹의 화학 계열사인 삼양이노켐은 공장 부지 내에 올해 하반기 준공을 목표로 연산 약 1만 톤 규모의 Isosorbide 생산 공장을 짓고 있어 생분해 원료에 대한 수급 문제를 근본적으로 해결하였다. 이는 기존의 PLA(Polylactic Acid)를 원재료로 사용하는 방식이나, 목재, 볏짚, 밀짚, 식물체 대 분말 등을 기존 플라스틱, 생분해성 플라스틱과 혼합하는 등의 1차원적인 방식에서 벗어나, 생분해 원료를 직접 양산화하여 단량체로 활용할 수 있는 발판이 될 수 있다.

KCL은 삼양사와의 기존 ‘바이오매스 기반 자동차 구조용 접착제’ 연구과제 진행에 이어, 이번 삼양사가 총괄주관을 맡은 산업통상자원부 주관의 ‘바이오매스 기반 생분해성 폴리카보네이트(PC) 부품 개발’ 과제에도 참여하고 있다. 본 연구의 핵심은 석유계 유래 물질이 아닌 바이오매스 유래 물질을 이용하여 생분해성 폴리카보네이트 소재를 개발하고, 이를 활용하여 자동차 부품을 개발하는 것이다. 그동안 Isosorbide를 이용한 폴리카보네이트는 개발된 바 있었으나 이를 이용한 생분해성 폴리카보네이트 상용화에 도전하는 기업은 삼양사가 세계 최초다. 이번 정부 과제는 생분해성 폴리카보네이트의 원천기술 확보를 목표로 국내외 총 12개의 기업, 연구소, 학계 등이 참여해 공동 연구를 진행할 예정이다. 엔지니어링 플라스틱 소재 및 부품의 생분해성 평가를 담당할 KCL은 원천소재 담당의 삼양사, 부품화 담당의 덕양산업, 이를 실차에 적용할 현대자동차와 함께 개발부터 인증까지 전 과정을 진행해 자동차 소재·부품의 고부가가치화 및 친환경화에 속도를 높이고자 한다.

ISB 활용, 합성, 생분해 안정성 및 인증

단량체, 중합 및 양산화

컴파운딩, 부품 및 제품화

KCL의 생분해성 폴리카보네이트(PC)의 생분해도 평가 시스템 구축 및 신속 측정법 연구

친환경적이며 별도의 처리 과정 없이 자연적으로 분해되는 생분해성 플라스틱은 현재 제정된 규격 내의 시험 조건과 실제 개발 중인 소재 및 분해 환경 간 상당한 괴리가 존재해 정확한 생분해 특성을 규정하는 것이 매우 어려운 실정이다. 시험 규격에 명시된 절차에 따라 이상적인 환경에서만 생분해 시험을 진행할 경우 소재의 분해 특성을 과대평가할 가능성이 있으며, 실제 우리나라 기후환경 조건에서 실환경 테스트를 한다면 유사한 생분해 특성을 보장하기 어렵다.
국가 과제를 통해 개발 예정인 단량체 기반의 엔지니어링 생분해 플라스틱의 경우 국내에서 생분해 소재로서 주를 이룬 PLA(Polylactic acid) 또는 석유계 소재에 목재, 볏짚, 밀짚, 식물체 분말 등을 섞은 혼합체와는 다른 생분해 기작을 보일 수 있기 때문에, 소재별 적절한 분해 환경을 구현하여 생분해 특성을 최적화하는 것이 중요하다. 더불어 자동차 부품은 기본적으로 10년 이상의 사용기한이 보장되어야 하는 만큼 사용기한과 분해 시점을 알맞게 제어하기 위한 다양한 생분해 조건 연구가 필수적이다.
따라서 엔지니어링 플라스틱의 통합 생분해 특성을 평가할 수 있는 시스템을 구축하기 위해서는 폴리카보네이트(PC)의 생분해 표준환경 조성 및 실제 토질/수질을 반영한 표준평가 절차 구축을 통해 바이오 플라스틱 산업 발전 방향을 설정하는 것이 필요하다. 이를 위해 KCL은 유효 생분해도 측정법 관련 국/내외 표준 규격 수집 및 현황(ISO, ASTM, KS 등)을 분석하고 엔지니어링 플라스틱 및 부품에 대한 분해 조건별 생분해도 총괄 평가 시스템을 구축하여, 사용환경을 최대로 반영한 소재·부품별 맞춤형 생분해 시험을 진행할 계획이다.