제10장 플라스틱재활용 소재기술(2)-권성안(환경산업기술원)-신소재경제신문·재료연 공동기획 소재기술백서 2020(33)

제10장 플라스틱재활용 소재기술(2)-권성안(환경산업기술원)-신소재경제신문·재료연 공동기획 소재기술백서 2020(33) - 폐플라스틱 재활용, 수거·분리선별 핵심

기사등록 2023-05-18 09:19:32

재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 12번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘포스트 코로나 대응소재’다. 2020년 3월 이후 코로나가 전세계적으로 확산되며 세계 경제 및 사회에 전례 없는 큰 충격을 주고 있다. 포스트 코로나 시대의 거대한 변화를 도약의 기회로 만들기 위한 과학기술 기반의 준비가 필요하다. 이에 소재기술백서 2020는 ‘포스트 코로나 대응 소재기술’을 주제로 방역·의료소재, 언택트 환경·디지털 소재, 친환경·신에너지 소재와 관련한 기술동향을 분석했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2020’를 연재한다.

폐플라스틱 재활용, 수거·분리선별 핵심

韓, 병렬로봇활용 등 고속선별시스템 제품화 성공

佛 펠랑·獨 유니소트·스위스 ABB 등 선진 앞장

■ 분리선별 기술

1) 국내동향

플라스틱 산업계에서 발생된 폐플라스틱은 일반적으로 단일 재질이지만, 일반생활계 폐플라스틱의 경우에는 다양한 종류와 이물질 및 불순물 등이 혼입되어 경제성과 생산 효율이 낮을 수밖에 없다. 따라서 일반생활계 폐플라스틱 재활용을 위해서는 재질선별과 이물질 제거 공정을 통하여 플라스틱을 종류별로 분별하는 것이 필수적이다.

폐플라스틱 재활용의 핵심기술 중의 하나는 수거와 분리선별이다. 종류별로 모아진 폐플라스틱은 다양한 방법으로 재활용이 가능하나, 혼합되어 있거나 이물질이 포함된 경우 고부가가치로 재활용하기가 어려워진다.

폐플라스틱을 분리선별하기 위해서는 비중선별, 정전선별, 레이저선별, 색상선별 등 이미 개발된 다양한 선별기술들이 사용될 수 있다. 어느 한 기술만으로 폐플라스틱을 완벽히 선별하기는 어려우므로 다양한 선별기술이 복합적으로 적용되어야만 효과적으로 선별이 이뤄질 수 있다.

일반적으로 폐플라스틱이 수거되면 종류별 플라스틱의 비중 차이를 이용해 주로 물(비중 1.0)을 사용해 분리선별이 이뤄진다. 비중선별을 통해 비교적 가벼운 플라스틱인 PE, PP, PS류와 좀 더 무거운 PET, PVC, ABS류로 선별할 수 있다.

이후 다양한 분리선별 기술로 고순도의 플라스틱으로 분리될 경우 물리적 재활용을 통해 재생 플라스틱으로 재활용할 수 있다. PET와 PVC는 비중이 비슷하여 비중선별로 분리하여 매우 어렵다.

이 경우에는 마찰하전 정전선별을 이용하면 유용하다. 일정 크기의 플라스틱을 서로 충돌시키거나 다른 재질과 충돌시키면 하전 되어 전류가 흐르는 전기장 통과 시 positive(+) 하전된 입자는 (-)전극으로, negative(-) 하전된 입자는 (+)전극으로 이동하는 원리를 이용한 선별방법이다.

이 밖에 플라스틱을 선별하는 데에 유용하게 사용되는 선별기술로 근적외선 선별(NIR, near infra red) 방식이 있다. 컨베이어 벨트 위로 지나는 플라스틱에 근적외선을 조사하여 그 반사광의 파장을 분석하여 플라스틱의 종류를 식별한 후 컴퓨터 제어를 통해 토출 장치를 통해 분리선별 하는 방식이다.

그러나 흑색 플라스틱의 경우 근적외선을 조사하여도 반사광이 제대로 나오지 않고 흡수되어 근적외선 선별을 사용할 수 없다. 이 경우 근적외선 대신 레이저를 사용하는 레이저 선별 방식이 유용하다.

국내의 기술개발 동향은 플라스틱 재활용 공장에서 사용될 수 있는 폐플라스틱 인식 및 선별에 필요한 기반 기술들을 개별적으로 연구한 사례는 있지만, 폐플라스틱의 순도 향상을 위한 전체적인 통합 시스템 기술개발은 미흡한 상태이다.

환경부 생활폐기물 재활용 기술개발사업을 통하여 ㈜대한실업에서는 폐비닐 재활용을 위한 분리선별 및 Up-cycling 시스템 개발 연구, ㈜알엠에서는 폐플라스틱 물질 재활용을 위한 인공지능결합 고속 자동화 선별공정 개발 연구가 진행 중이다.

플라스틱 재활용 공정에 필요한 기반 기술들은 크게 인식과 매니퓰레이터(manipulator)로 나눌 수 있는데, 상용화된 플라스틱 재질 분류 자동화 장비는 대부분 근적외선(NIR) 분광 기반으로 인식한다. 관련 연구는 국내의 경우 2000년도 초반에 정립되었으며, 국내 자동화 장비에서 매니퓰레이터는 고속으로 움직여야 하므로 병렬형으로 제작되어 많은 제품이 나와 있다.

■해외 동향

국외에서는 이미 물체 인식과 병렬 로봇을 이용한 고속 재활용품 선별 자동화 시스템의 제품화에 성공하였으며, 새로운 폐플라스틱 분류기법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그럼에도 불구하고 상용화된 기술 중에서 여전히 가장 좋은 성능을 보이는 것은 NIR 기반 장비이며, 실제 사용 환경에서 NIR을 이용한 분류의 정확도는 그 재질에 따라 다르지만 약 70~90% 정도이다.

해외 제품은 선별률과 폐기물 처리 속도에 따라 국내 ㈜이오니아이엔티처럼 에어노즐로 분리를 하는 형식과 델타 매니퓰레이터로 분리를 하는 형식으로 나눌 수 있는데, 전자의 형식으로 개발하는 국외의 유수 폐기물 재활용 기업으로는 프랑스의 펠랑(PELLENC), 독일의 유니소트(UNISORT) 등을 꼽을 수 있다.

이러한 형식은 150~180m/min의 고속으로 폐플라스틱을 처리할 수 있는 것이 장점이다 선별률이 낮은 단점이 있다. 펠랑의 ‘MISTRAL’의 경우 3m/s의 고속 컨베이어 속도에서 분류를 시행하여 그 폭에 따라 시간당 7-14톤의 폐기물을 처리할 수 있으며,‘유니소트’의 BlackEye의 경우 근적외선 대역의 하이퍼스펙트럴 이미징(hyperspectral imaging) 기법을 활용한다고 설명하고 있다.

반면, 후자의 델타 매니퓰레이터를 이용하는 기업으로는 스위스의 ABB, 네덜란드의 MAX-AI, 미국의 AMP Robotics 등이 있다. AMP Robotics는 인공지능과 로봇공학을 결합하여 폐기물 분류 시스템의 효율을 높였으며, 델타로봇은 폐기물의 색상, 질감, 모양, 크기, 패턴 및 브랜드 등을 인식하여 재료 특성을 식별한다.

핀란드 ZenRobotics은 재활용품 분류를 위한 AI 제어 기반 로봇 시스템을 개발하였으며, 무거운 건설폐기물 분류를 위한 Heavy picker(Finger grip 타입)와 가벼운 생활폐기물 분류를 위한 Fast picker(Suction grip 타입)를 두 종류로 개발하여 그 활용도를 높였다.

재활용 자판기 분야는 국내뿐 아니라 해외에서도 인공지능 기반의 사물 인식기술을 기반으로 생산하거나 서비스하는 회사는 없으나 다른 방식의 인식기술을 이용한 제조 및 서비스회사가 존재한다.

■물질 재활용 기술

물질 재활용은 폐플라스틱을 분리, 선별, 포장, 세척, 파쇄, 배합 등의 과정을 거쳐 다시 사용이 가능한 플라스틱으로 재생하는 기술이며, 동종, 이종 재료를 용융시켜 재생하는 방법으로 저렴한 비용으로 쉽게 재활용할 수 있다.

그러나 대상 품종이 한정되며, 이종 재료간 재활용할 경우에는 품질 저하가 발생하므로 이에 따라 소재의 분별이 필요하다. 다음의 그림은 페트병의 재활용 과정을 보여 준다.

1) 국내 동향

생활에서 주로 발생하는 폐플라스틱은 재질선별과 이물질 제거 공정을 통해 재생원료로 만드는 재활용 과정을 거치게 되는데, 좀 더 효율적인 분리 및 선별작업을 위해 풍력, 정전기, 물을 이용한 비중분리 방법 등 다양한 기계적 분류 방법이 개발되고 있다.

재질선별과 세척 공정을 거친 폐플라스틱 조각들은 재생압출기를 통해 배관, 데크, 프레임, 재생 원료인 펠렛(pellet)으로 만들어지며, 사출기를 통해 케이스/소켓류, 골재(구제물 혼화제), 블록 단열재 등으로 만들어져 사용된다.

물질 재활용 분야의 본격적인 연구는 2019년부터 환경부 생활폐기물 재활용 기술개발사업을 통하여 이루어지고 있다. 토목건축 분야에서 ㈜한길은 저급 폐플라스틱을 이용한 토목구조물 적용기술개발, 하나케이텍(주)는 혼합 폐플라스틱 alloy를 활용한 콘크리트 블록 개발, 에스와이화학은 폐스티로폼을 재활용한 친환경 준불연 단열재 개발 연구, 이에스알산업은 생활계 복합 폐합성수지 기반 장수명(MTTF 6년 이상) 목재 대체품 개발 연구를 진행하고 있다.

인공섬유 분야는 코오롱 인더스트리에서 저급 폐플라스틱을 이용한 인공섬유 상용화 기술개발 연구, PE계 플라스틱 분야는 ㈜동명에서 PE계 폐플라스틱을 이용한 재생원료 상용화 기술개발, 곤포 사일리지(Bale Silage) 분야는 동민산업에서 저급 폐플라스틱 재활용을 위한 저에너지 소비형 전처리 공정기술과 재활용 소재 품질 고도화 시스템 구축 연구가 진행 중이다.

2) 해외 동향

유럽의 Plastics Recyclers Europe(PRE)은 1996년 설립되어 유럽 전역의 플라스틱 재활용에 관한 사업을 수행하고 있으며, 120개 이상의 관련 회사들이 참여하여 포장재를 포함한 모든 플라스틱 제품을 효과적으로 재활용하고자 노력 중이다. 한편 화학적 리사이클은 처리 비용이 고가이므로 충분한 지원을 받지 못하기 때문에 리사이클 사업화가 어렵고 리사이클 기술이 진전을 보이지 않는 상태이다.

최근에는 유럽식품안전청(European Food Safety Authority)이 식품용 포장재로 사용할 수 있는 안전한 RE-PET 제조공정을 채택함으로써 PET 소재 재생산업이 급속도로 발전할 것으로 전망된다. 유럽식품안전청에서 채택한 리사이클 공정기술은 총 4가지로, 기업들이 이 공정기술을 채택하여 제품을 개발 중이다.