바이오플라스틱·폴리머 25년 279억불, 年 22% 성장

친환경 제품 수요↑·환경규제 강화, 社 투자·기술 개발

美 실제 사용, 韓 상용화 소재 시작 단계 속도 내야

■ 바이오플라스틱 산업 및 시장 동향

◇ 국내 동향

(1)시장규모 및 전망

2018년 국내 바이오플라스틱 수요 규모는 약 40,000여 톤 정도였으며, 전 세계 바이오플라스틱 규모는 205만 톤 규모로, 세계시장에서의 국내시장 점유율은 약 1.95% 정도로 그 비중이 미미한 수준이다. 친환경 제품으로 옥수수 플라스틱과 같은 홍보를 통하여 일반소비자가 사용하는 생활용품에서는 꾸준히 생산되고 있지만, 대부분 PLA, PBS, PBAT 등의 원료를 수입, 가공하여 생분해 플라스틱을 생산하는 중소기업을 중심으로 산업생태계가 구축되어 있다. 하지만 최근 친환경 제품에 대한 수요 증가, 세계 각국의 환경규제, 석유화학산업의 경쟁 치열(중국기업 부상, 정유업체의 석유화학산업 진출) 등의 이유로 국내 석유화학 대기업들이 새로운 바이오플라스틱 산업에 투자하고 있다. 생산과 달리 생물학적인 방법을 활용한 플라스틱 분해 기술과 관련해서는 연구가 초기 단계라 아직까지 언급할 산업이 존재하지 않는다.

▲ 국내 화학 대기업의 바이오플라스틱 분야 진출 현황 (자료 :(左) 롯데케미칼 바이오PET ‘활짝’(서울경제, 2020.10.) (右) LG화학, 31조 바이오플라스틱 시장 공략(매일경제, 2020.11.))

(2) 기업 현황

CJ제일제당의 경우 미국의 벤처기업 매타볼릭스(Metabolics)가 소유하고 있는 PHA 개발 연구시설과 설비, 지적재산권 등을 사들여 바이오 사업 기술력 제고와 동시에 글로벌 연구개발 기반을 강화하고 있다.

대상그룹은 전분계 생분해성 바이오플라스틱 개발 연구를 진행하고 있으며, 롯데케미컬은 옥수수와 사탕수수를 이용하여 만든 Bio-PET 생산에 성공하였고, PBCT 대량생산 연구를 진행하고 있다.

SKC는 2009년 세계최초로 상용화한 PLA 필름을 스타벅스 제품의 포장재로 납품하고 있다. 더불어 목재펄프에서 뽑아낸 나노셀룰로오스 보강재 기술을 한국화학연구원으로부터 이전받아 고강도 PBAT 실증사업을 진행하고 있다.

LG화학은 옥수수 성분인 포도당과 폐글리세롤을 활용해 폴리프로필렌(PP)과 동등한 기계적 물성을 구현할 수 있는 생분해성 소재를 개발하고, 핀란드 바이오디젤 기업인 네스테(Neste)와 함께 바이오원료 활용 친환경 플라스틱 생산에 나서기로 하였다. 현대자동차/기아자동차도 생분해성 플라스틱 소재를 기존 내장재와 혼합하여 차량에 적용하고 있다.

우리나라는 다국적 화학회사와 비교하면 생분해성 바이오플라스틱 개발 기술이 많이 부족하며, 상용화 수준의 소재 개발은 시작 단계이다. 이는 시장규모가 작고, 생분해성 플라스틱의 높은 가격으로 사업화가 활발하지 않기 때문이다. 하지만 관련 분애에 대한 국민적 관심이 높고 개발 필요성에 대한 공감대도 생겨나고 있으며, 정부 또한 ‘2050 탄소중립 추진전략’의 일환으로 화이트바이오 산업을 키우기로 하면서 국내 석유화학 기업들도 생분해성 바이오 플라스틱 생산에 속도를 낼 것으로 보인다.

◇ 해외 동향

(1) 시장규모 및 전망

전 세계 바이오 플라스틱 및 바이오폴리머 시장은 2020년 약 105억 달러 규모에서 연평균 21.7%씩 성장하여 2025년에는 279억 달러 규모까지 성장할 것으로 예상된다. 전 세계 플라스틱 생산량이 약 3.68억 톤인데, 그중 바이오플라스틱의 비중은 1% 미만이다. 전 세계적으로 바이오플라스틱은 2020년 211만 톤 정도 생산되었으며, 이 중 바이오유래 플라스틱이 44.5%이며, 생분해성 플라스틱이 55.5%이다.

▲ 전 세계 바이오플라스틱 생산량 현황 및 전망 (자료 : Bioplastics market data (2020) (https://www.european-bioplastics.org/market/))

2019년 기준으로는 바이오플라스틱 중 starch blends가 21.3%로 가장 많은 부분을 차지하고 있으며, 그 다음으로는 PLA와 PBAT가 각각 13.9%, 13.4%의 비중을 차지하고 있었다. 하지만, 2020년에는 PLA가 Starch Blends와 같이 18.7%로 증가하였다. 그리고 PBAT와 PBS가 각 13.5%, 4.1%의 비중을 차지하고 있다.

▲ 2020년 전 세계 바이오플라스틱 생산규모 (자료 : Bioplastics market data (2020) (https://www.european-bioplastics.org/market/))

바이오플라스틱은 소비재에서부터 전자제품, 자동차, 섬유까지 다양한 분야에 사용되고 있으며, 수요가 증가하고 있다. 2020년 전체 바이오플라스틱 시장 중 비중이 가장 큰 부분은 포장재로 47%에 이른다.

▲ 산업분야별 바이오플라스틱 사용량 (자료 : Bioplastics market data (2020) (https://www.european-bioplastics.org/market/))

바이오플라스틱을 어떻게 정의하느냐에 따라 범위가 다양할 수 있어, 여러 보고서에 따라서 시장규모가 다르게 기술된다. Progress Markets 보고서에 따르면, 글로벌 바이오플라스틱 시장은 2017년 170억 달러에서 2022년 438억 달러까지 연평균 20.8% 성장할 것으로 예상했다.

▲ 바이오플라스틱 세계시장 규모 및 전망(단위 : 억 달러) (자료 : 바이오플라스틱 및 바이오매스 산업의 글로벌 기술개발 동향 및 응용분야별 사례와 기업현황, 좋은 정보사 (2019))

하지만, Frost&Sullivan 보고서에 따르면 바이오플라스틱 시장수익은 2017년 48.8억 달러에서, 연평균 9.5% 성장해 2023년에는 약 83.9억 달러에 이를 것으로 예측됐다.

▲ 바이오플라스틱 세계시장 규모 (단위:억달러, %) (자료 : Global Bio-plastic and Bio-plastic Additives Market, Forecast to 2023(2020년))

현재 전 세계적으로 환경규제는 강화되는 추세이며, 미국, 독일, 이탈리아 등의 선진국들은 쇼핑백이나 플라스틱병 제작시 분해성 플라스틱 사용을 의무화하는 등 친환경 플라스틱의 광범위한 실용화가 추진되고 있다. 또한, 소비자들의 환경에 대한 인식이 향상되고 있고 산업계에서도 친환경 제품에 대한 관심을 가지고 있다. 각국 정부에서도 탄소저감 및 환경오염 방지대책 활성화 등으로 지원하고 있어 바이오플라스틱 시장은 꾸준히 성장하는 추세이다.

(2) 기업 현황

글로벌 생분해성 바이오플라스틱 주요 생산 기업은 신규 바이오플라스틱 소재를 발굴하고, 바이오플라스틱 구성 바이오 단량체를 대량생산하는 기술을 개발하며, 생분해성 바이오플라스틱의 재활용/업사이클링 기술을 중점적으로 개발하고 있다.

PLA의 대표적인 생산기업은 미국의 NatureWorks사로 연간 14만 톤을 생산하여 전 세계 시장의 80%를 점유하고 있으며, 연평균 7~19%의 성장세를 보인다. Total Corbion은 PLA 중합의 원료가 되는 lactide의 최대생산기업이며, 태국에 연간 7만 5천톤 규모의 생산설비 완공 후 Suler chemtech과 공동기술연구를 통하여 PLA 소재생산에 박차를 가하고 있다.

석유계 생분해성 플라스틱 PBS/PBAT 생산을 위하여, BASF는 연속 생산공정을 구축하여 ecovioⓡ와 ecoflexⓡ을 생산 중이며, PBAT의 단량체 아디프산을 숙신산으로 대체하여 새로운 물성의 생분해성 바이오플라스틱 소재(PBST)를 개발하였다.

일본의 Mitsubishi Chemical은 바이오 숙신산을 사용하여 50% 바이오매스 함량의 BioPBSTM 수지를 생산하고 있으며, 100% 바이오매스 기반 PBS를 개발하고 있다. BASF와 Corbion이 합작하여 설립한 Succinity GmbH는 바이오 숙신산을 생산(10,000톤/년)하여 PBS제조에 사용중이며, Genomatica는 GENO BDOTM process 개발 후 바이오 1,4-BDO 상용화하였으며, 바이오 나일론(Nylon 6,66) 생산을 위해 hexamethylenediamine, caprolactam, adipic acid의 생물학적 생산기술을 개발하고 실증 중이다.

Avantium은 XYZ technology를 개발하여 바이오매스 fructose로부터 테레프탈산을 대체하는 2,5-퓨란디카르복실산을 제조하고 이를 활용하여 PET 대체 바이오 유래 PEF(Polyethylene 2,5-furandicarboxylic acid)를 개발하였다.

바이오플라스틱을 실제 사용하는 대표적인 업체로는 미국의 코카콜라사가 있다. 2012년 원료의 30%를 사탕수수로 사용한 플라스틱병 '플랜트보틀'을 처음 시장에 내놓은 이후 3년 만에 세계 최초로 100% 식물성 소재, 즉 바이오 플라스틱병 생산에 성공하였으며, 2020년까지 200여 개국 코카콜라 모든 제품을 플랜트보틀로 대체하고자 한다. Danone, Stonyfield 등의 다국적 기업에서 요구르트 컵 용기로 PLA 소재를 사용하고 있다.

◇국내외 선도기업

생분해 바이오플라스틱 생산 관련 국내외 선도기업과 주요 기술 내용을 다음의 표에 정리했다.

▲ <표 1> 생분해 바이오플라스틱 생산-국내 선도기업

▲ <표 2> 생분해 바이오플라스틱 생산-해외 선도기업

■바이오플라스틱 소재기술 미래 연구방향

생분해성 플라스틱이 과연 환경에 좋은 것이냐는 논란이 있다. 생분해 플라스틱 원료(바이오매스)를 재배하는 과정에서 다량의 비료와 살충제가 사용되고, 생분해 플라스틱 제조과정에서 첨가되는 화학물질이 다른 오염원이 될 수 있기 때문이다. 생분해 플라스틱의 구성 단량체에 유기산이 많으므로, 플라스틱이 분해되면 주변을 산성화 시키지 않는지에 대한 질문도 꾸준히 제기되고 있다. 또한, 기존 석유 기반 플라스틱 재활용 시스템을 이용할 수 없어 재활용이 어렵고, 생각만큼 자연환경에서 잘 분해가 되지 않는다는 한계도 있다.

생분해성 플라스틱으로 가장 많이 알려지고 상업적으로 사용되는 PLA의 경우, 자연환경으로 배출되면 생분해가 잘 일어나지 않는 것이 문제이다. 이는 생분해성 인증 기준이 56~60도에서 6개월 동안 표준물질 셀룰로오스 대비 90% 분해(절대치 63% 이상), 혹은 45일 동안 표준물질 대비 60% 분해(절대치 42%)가 일어나는 것을 기준으로 하기 때문이다.

하지만 자연계에 방출된 플라스틱은 60도 정도의 고온에 노출되지 않기 때문에 거의 분해가 일어나지 않고, 여러 요인에 의해서 미세화가 일어난다. 2018년 영국 연구진이 확인한 결과, 해양 조건에서 PLA는 거의 분해되지 않은 것을 알 수 있다.

▲ 여러 조건에서 생분해성 플라스틱의 실제 분해 정도 (자료 : Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 18, 10441-10452)

■ 정책 제언

환경오염 문제를 해결하기 위해 바이오플라스틱을 개발하더라도 상용화와 경제성 확보가 필수적이다. 현재로서는 바이오플라스틱이 일반 플라스틱보다 비싸서 바이오플라스틱의 사용 권장 및 산업 육성을 위해서는 바이오플라스틱 제품에 대한 정부인증제, 사용촉진 제도 마련, 세금 감면 혜택 등의 지원이 필요하다. 규모가 작은 국내시장의 확대뿐만 아니라 글로벌 경쟁력 확보가 가능한 생분해성 바이오플라스틱 소재 발굴 및 응용연구의 추진도 필요하다.

온실가스, 미세플라스틱 또는 유해 화학물질에 의한 환경오염 및 인류 건강 위협 문제 등을 근거로 선진국의 환경규제 또는 수출입 제한 등의 가능성도 있으므로 이에 대비할 정책 마련과 기술개발도 수반되어야 할 것이다.