자동차용 바이오 플라스틱 개발 동향
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2009-12-23 17:04:22 |
본문
1. 서론
현재 자동차 산업에서의 바이오소재는 일반적으로 널리 알려진 바이오에탄올, 바이오디젤 등과 같은 대체연료 분야 외에도 헤드라이너, 트렁크 라이너, 시트 백, 팩키지 트레이, 플로워 카페트, 시트 패딩, 에어 필터 등의 자동차 내∙외장부품의 소재로 다양하게 사용되고 있다. 그 중 가장 오래전부터 사용되고 있는 바이오 소재는 아마(Flax), 황마(Jute), 대마(Hemp), 양마(Kenaf) 등과 같은 식물의 줄기에서 얻어지는 섬유 및 바나나(Abaca), 용설란(Sisal), 헤네켄(Henequen) 등과 같은 식물의 잎에서 얻어지는 섬유로 일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 열가소성수지와 혼합하여 섬유강화플라스틱의 형태로 자동차 내외장 부품으로 적용되고 있다.
글 / 이기동, 이원구 (엔브이에이치코리아)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2009년 12월호
식물성 천연섬유는 1990년 중반 이후 전 세계 모든 자동차 메이커들이 내장부품으로 적용하고 있을 정도로 가장 광범위하게 적용되고 있다. 최근에는 옥수수, 사탕수수, 콩, 피마자, 유채씨 등의 식물에서 추출한 원료를 기반으로 하는 바이오플라스틱에 대한 시장이 점차적으로 확대되고 있는 실정이다.
이에 본 문에서는 바이오플라스틱에 대한 전반적인 개요 및 자동차 산업을 중심으로 바이오플라스틱 적용 사례에 대해 소개하고자 한다.
2. 바이오 플라스틱 개요
▶ 바이오 플라스틱 동향
바이오기술(Biotechnology)은 <그림 1>에서 도식적으로 나타낸 것과 같이, 기존의 화학산업이 화석원료인 석유자원에 의존하던 것과는 달리, 자연계에서 빛에너지가 식물의 광합성을 통해 반복적으로 생산되는 식물자원(Biomass)을 원료로 기존의 화학산업 중 일부 혹은 상당 부분을 대체함으로써 인류의 지속가능한 성장 및 생존을 가능케하는 새로운 형태의 바이오-화학융합형 기술이라 할 수 있다.
현재, 전 세계의 석유 매장량은 1,373억 배럴(가채 년 수 약 40년 이하)로 이미 일부 전문기관에서는 원유 생산의 Peak Time이 지났다고 예측하고 있으며 이에 따라 국제원유가도 과거에 상상할 수 없던 수준인 100 $/B 이상에서 안정 혹은 지속적인 가격상승에 직면하고 있다. 따라서 이러한 한정된 석유자원에 의존하는 기존 석유화학 산업의 경우 지속적인 원가상승 압박에 따른 지속적 발전 위기상황이 심각한 상황이다.
현재 고분자를 비롯한 화학소재 산업의 메가트렌드는 가격과 환경보호라는 두 가지 점에서 바이오매스를 원료로 사용하여 제조되는 바이오 플라스틱(bio-plastic)의 개발 및 생산으로 흘러가고 있음을 알수 있다. 유가가 배럴당 $50 이하일 때까지는 고분자 가격이 시간에 따라 다소 감소하지만 이 이상일 경우에는 날이 갈수록 고분자 가격도 원유가와 함께 증가하며, 유가에 따른 고분자가의 상승과 CO2 발생문제 때문에 현재 전 세계적으로 바이오매스를 활용한 바이오플라스틱의 개발에 많은 연구가 진행되고
있다.
▶ 바이오소재의 환경영향성
바이오 소재의 수요를 결정 할 또다른 주요한 요인은 CO2 저감을 통한 환경보호이다. 최근 지구 환경문제에 대한 인식이 증가하고 있고 있으며, 1997년에 협의된 지구 온난화 방지를 위한 교토의정서의 CO2 배출가스 저감 요구는 자동차 산업계로 하여금 원가절감과 수익성 개선 못지않게 친환경적인 그린소재(Green Material)를 적용한 부품개발이라는 과제를 안겨주고 있다. 한 예로서 지금까지 포리올을 이용한 폴리우레탄(Polyurethane) 제품의 경우를 살펴보면, 석유화학 원료로부터 제조되는 고분자수지를 사용한 것이 일반적이며 이 과정에서 제품의 생산에서 폐기 시까지 CO2를 지속적으로 발생시키기 때문에 온실가스에 의한 지구온난화와 같은 환경문제의 원인이 될 수 있다. 반면에, 자연계에서 생성되는 식물성 원료로 제품을 제조할 경우, 식물이 생장할 때 온실가스를 흡수하며, 바이오 소재의 적용을 통한 석유 원료의 사용량을 줄여주는 효과를 통해 제품 제작시 전체 온실가스(CO2) 배출의 총량을 줄여주는 효과를 기대할 수 있다. <그림 2>의 경우는 석유제품과 바이오 소재 사용 시 제품의 제조과정에서의 온실가스 배출 형태를 비교한 예이다.
3. 바이오 플라스틱 소재의 국내∙외 개발 현황
▶ 생분해성 바이오 소재
<그림 3>에서 도식한 것처럼, 옥수수등의 식물자원에서 전분을 발효시킴으로써 글루코스를 거쳐 유산으로 되면 이를 중합하여 얻어지는 고분자인 PLA(Poly Lactic Acid)는 생분해가 되는 가장 대중화된 바이오플라스틱이라 할 수 있다.
일본의 경우, 미쯔이화학은 옥수수 및 사탕무 등에서 얻는 전분 및 당류의 미생물 발효로 얻어지는 젖산을 원료로 한 제품인 Lacea를 개발, 본격 판매 중이며, 일본의 Shimadzu사로부터 폴리락티드 제조기술을 이전한 Toyota자동차는 자동차에 쓰이는 플라스틱을 대체할 목적으로 폴리락티드를 집중개발중이며, 폴리락티드의 단점인 내열성과 취약한 기계강도를 보완하기 위한 기술을 집중 연구하고 있다.
중국의 경우, PLA를 원료로 한 펜(Pen)이 출시되었다. PLA수지를 원료로 한 펜은 중국 과학원 창춘(長春)응용화학연구소와 저어쟝하이정(浙江海正) 그룹의 협력에 의해 연구개발 되었으며, 현재 중국내각 지역에서 PLA 수지를 원료로 한 각종 제품에 대한 홍보 및 전시회가 개최되고 있다. 중국은 저어쟝하이정 그룹과 7년간 연구개발을 통해 최초로 연간 생산량이 5,000톤에 달하는 생산라인 구축에 성공하였으며, 향후 PLA 수지 수요에 상당한 기여를 할 것으로 예상된다.
▶ 바이오 폴리우레탄
폴리우레탄은 -OH화합물과 -NCO화합물의 중합반응에 의해 생성된 주사슬이 우레탄(-NHCOO-)을 일정량 이상 포함한 고분자 화합물를 통칭한다. 연질상과 경질상의 종류, 함량, 블록 길이, 상분리 정도와 경질상의 고차구조에 따라 다양한 물성을 갖는 소재로서의 분자설계가 가능하여, 기존의 어떠한 고분자보다도 원료 구성이 다양하고 용이하다. 엘라스토머에서 엔지니어링 플라스틱에 이르는 폭 넓은 사용용도와 원료구성이 결부되어 연간사용량이 1,000만톤에 이르는 중요한 공업재료이다. 폴리우레탄은 자동차 분야에서는 대쉬 및 플로워 카페트의 방음용 패드, 내장부품의 표피재, 시트의 쿠션재, 각종내외장 부품의 흡음용 패드 및 헤드라이너 기재 등으로 다양하게 사용되고 있다.
해외의 경우 이미 풍부한 식물자원을 바탕으로 다양한 바이오포리올이 양산화되어 있다. 각 나라별 식물성 원료의 확보에 따라 다양한 식물성 오일의 바이오 포리올이 개발되어 있다. 미국은 대두유(Soybean Oil) 기반, 말레이시아는 야자유(Palm Oil), 아이슬랜드는 어류(Fish Oil), 독일은 피마자유 (Castor Oil)을 기반으로 하는 다양한 바이오 포리올이 개발되고 시판되고 있다.
다양한 식물성 원료의 종류와 응용분야에 따라 제작된 바이오포리올내의 NOP(Natural Oil Polymer)의 함량이 변화가 된다. 흡음재 등의 경우에는 Polyol 분자량이 높은데 이에 반해 대부분의 식물성 오일은 공업적으로 이용되기에는 기존의 포리올에 비해 분자량이 적기 때문이다. 따라서 포리올의 개질이 추가로 발생되어 지며, 중합 등의 공정을 거처, 분자량 조절 및 각 사용처에 맞는 추가 공정을 거쳐 각 부품별 최적의 바이오 포리올을 제작하게 된다.
최근 국내(KPX케미칼)에서도 피마자유의 중합을 통한 바이오포리올의 상업화를 성공한바 있다. 지난 6월 KPX케미칼이 Slab용 Bio Polyol의 상업화 성공이 우레탄신문에 기재되었다. 국내 Polyol 제조업체 또한 친환경 바이오포리올 개발에 박차를 가하고 있다. 현재까지 다양한 제품개발, 수요예측, 가격산정, 효과입증, 생산안정화에는 다소 시간이 소요될 전망이지만, 앞으로 다양한 분야에서 사용할 수 있는 식물성 오일을 원료로 하는 바이오 포리올 제품을 국내 포리올 업계의 Catalog에서 볼 수 있기를 기대한다.
▶ 바이오 폴리올레핀
바이오 풀리올레핀과 관련하여 최근 일본의 지구환경산업기술연구기구와 혼다기술연구소는 공동으로 잡초를 이용한 폴리프로필렌을 생산하는 기술을 개발하였다. 이는 잡초 등 식물의 섬유질의 주성분인 셀룰로오스(Cellulose)를 이용해서 자동차 연료 등에 쓰이는 바이오 에탄올을 공동 개발한 이력이 있는 지구환경산업기술연구기구와 혼다기술연구소는 이와 같이 식물 자원 활용 기술을 발전시키면서 잡초를 활용한 당 분해 기술을 이용하여 유전자 구조를 조작한 대장균 등의 미생물을 이용해서 알코올의 일종인‘프로파놀’을 만들고 이를 합성시켜서 폴리프로필렌을 생산하는 기술을 개발하였다. 이 기술을 활용하면 잡초 2~3kg에서 1kg의 폴리프로필렌을 생산할 수 있다고 보고하였다. 이러한 기술의 경우 기존의 석유원료를 사용해 왔던 화학 중합 설비를 그대로 이 신형 기술의 설비로 활용할 수 있는 이점이 있으면서, 잡초라는 풍부하고 저렴한 원료를 사용하면서 현재 사용되고 있는 범용 합성수지를 제조<그림 6>하는 것이
기 때문에 곧바로 실용화가 가능하다는 장점이 있다.
사용하여 대규모 투자를 통해 폴리에틸렌을 생산할 계획으로 알려졌다.
4. 바이오 플라스틱 소재 국내∙외 자동차 적용사례
도요타는 자체 개발한 바이오플라스틱을 라움 및 하이브리드 차량인 프리우스에 각각 스페어 타이어 커버와 매트를 제작하여 사용함으로써 자동차 업계 최초로 2003년에 차량에 도입하였다. 최근에도 프리우스 3세대 모델의 특수바닥매트로 식물성 섬유 소재인 NatureWork사의 인지오(IngeoTM)소재를 사용한 매트를 옵션으로 제공한다고 발표한 바가 있다. 또한 일본 도요타시에 바이오플라스틱 공장을 운영 중이며, 자동차용 바이오플라스틱 뿐만 아니라 다양한 용도의 바이오플라스틱을 약 60여개 업체에 공급하고 있다. 도요타는 바이오플라스틱 산업을 자동차 산업과 별개의 새로운 사업군으로 규정하고, 그룹 내 주력 사업군으로 성장시키는데 주력하고 있다. <그림 7>은 PLA를 적용한 제품 사진이며, <그림 8>는 바이오포리올을 자동차 시트폼에 적용한 제품 사진이다.
마즈다는 7개 기업, 2개의 산업연구소, 2개의 대학으로 이루어진 일본의 바이오플라스틱 컨소시엄에서 88%의 옥수수와 12%의 석유화합물로 이루어진 새로운 차량용 바이오플라스틱을 개발하였다고 전하며, 이 제품은 현재의 바이오플라스틱 제품들에 비해 강도는 3배, 열저항성은 25% 향상되었으며, PP 제조과정보다 약 30% 수준의 에너지로 제
조가 가능한 것으로 알려져 있다. 또한 2008년 테이진(日)에서 개발한 스테레오 콤플렉스 PLA 섬유로 제조된 카시트를 수소 하이브리드 자동차 Premacy에 적용하였다. <그림 9>은 PLA를 적용한 카시트 사진이다.
트 카의 경우, 옥수수를 기반으로 만들어진 바이오플라스틱인 PTT와 PLA소재로 기존
의 PET 섬유를 대체하고 있다. 적용 예로, PTT/PET 혼합직물은 좌석, 팔걸이 등 사람
의 피부가 접촉하는 부위에 사용되고 있으며, 밀도가 더 높은 PTT의 경우 헤드라이너, 트렁크 라이너등에 사용될 수 있다. 또한 혼다 측은 FCX 컨셉트 카에서 적용한 바이오섬유 애플리케이션을 2009년 이후 생산되는 신모델들로 점차 확장해 나갈 계획이라고 발표하였다.
미쯔비시는 2008년 PTT 플로워 매트를 전기자동차인 iMiEV에 적용시켰으며, 대나무섬유와 PBS를 혼합한 복합재료를 내장부품으로 적용시킬 예정이라고 발표하였다. 자동차 내에 폴리우레탄 소재의 적용량은 평균 13.6kg에 이른다. Ford 자동차에서는 NOP 함량이 높은 대두유 기반의 바이오포리올을 이용한 Soya Foam을 Mustang 자동차 시트분야 5% 수준으로 적용시켰으며, Utech 발표 자료에 따르면, 연간 272.2톤의 이산화탄소의 절감효과가 발생된 것으로 보고하고 있다. 도요타는 북미 지역 생산차종인 Corolla, Lexus RX, RAV4 차종에 Soy Polyol을 적용한 SeatFoam을 양산 중에 있다.
국내에서는 자동차 부품 중 바이오 소재를 적용한 내장 부품 등이 일부 적용되고 있으며, 이는 전술한 바와 같이 식물성 섬유를 열가소성 수지인 폴리프로필렌과 혼합하여 천연섬유강화플라스틱(NFRP, Natural Fiber Reinforcement Plastic)형태로 도어트림, 헤드라이너, 트렁크 트림 등에 제한적으로 적용되고 있는 실정이며, 해외 선진업체에서 적용되는 사례와 같이 석유화학 제품을 대체하는 바이오플라스틱 제품은 아직까지 적용을 위한 개발 연구 중인 단계이다. 이외에 자동차 용도로 개발하기 위하여 현대모비스와 식품용기 개발 중소기업이 공동으로 PLA 시트를 이용한 자동차용 크러쉬 패드 시작품을 성형하였으나, 110℃ 내열조건을 견디지 못하고 변색, 냄새 등의 바이오 플라스틱의 근본적인 문제점을 나타내어 추가 제품 개발이 중단된 상태이다.
일본의 경우 도레이(TORAY)에서는 필름용, 압출용 플라스틱을 개발하면서 PLA 수지에 올레핀계 TPO 수지를 Alloy<그림 10>하여 생붕괴성 발포시트를 제조하였으나, 상용화 단계 이전의 샘플 홍보에 단계에 있고, 추가 기술개발을 진행하고 있다.
일본의 자동차 메이커에서 보고한 자료는 혼다 기술연구소에서 식물 유래 폴리프로필렌을 활용한 자동차 부품 적용방법을 검토 중에 있다. 자동차의 경량화를 뒷받침할 수 있는 PLA계 바이오 플라스틱 폼 기술은 자동차 내장재 분야에 적용된 사례는 아직 없다. 이는 PLA 소재가 열가소성 수지이고, PLA계 바이오 플라스틱 소재가 내습 및 내
열성 요구조건(95% 습기, 100℃ 온도에 의한 PLA의 분해특성으로 인한 기계적 물성저하 등이 발생 가능성 있음)을 만족하기에 다소 어려움이 나타나기 때문에 10년 & 10만 마일 보증기간동안 외형적 변화, 정숙감, 쾌적함 만족을 유지하기 위해서는 PLA 계 바이오 플라스틱 원료의 본질적인 개발(화학적 구조 또는 분자설계 보완)이 필요한 것으로 국내∙외 자료에 보고된 사례가 있다.
5. 결론
바이오플라스틱은 석유자원에 대한 수요증가 및 환경보존 문제에 대한 대응 방안으로서 대체 소재로 인식되고 있으며, 생분해성 소재인 PLA를 생산하는 기존 업체 외에 일본, 중국 등의 후발업체들의 참여및 개발로 다양한 분야의 기술 개발 및 상업화가 이루어지고 있는 실정이다.
자동차 부품에 사용되는 플라스틱 소재로서 PLA 바이오플라스틱과 바이오포리올의 기술적 진보는 세계적으로 빠르게 진행되고 있으며, 그 외의 바이오 소재들도 강도개선, 유연성, 내열성, 분해기간 조절, 가공성, 생산성 등의 원천적인 기술 개발을 통하여 다양한 부품에 확대, 적용하기 위한 연구가 계속 진행 중에 있으며, 재활용 측면에서 다른 고분자와의 상용성을 개선하고자 하는 연구도 필요하다.
향후, 국내 자동차 분야에서도 바이오 플라스틱에 대한 지속적인 관심과 개발을 통한 자동차 부품으로의 적용이 확대될 것으로 예상된다.
현재 자동차 산업에서의 바이오소재는 일반적으로 널리 알려진 바이오에탄올, 바이오디젤 등과 같은 대체연료 분야 외에도 헤드라이너, 트렁크 라이너, 시트 백, 팩키지 트레이, 플로워 카페트, 시트 패딩, 에어 필터 등의 자동차 내∙외장부품의 소재로 다양하게 사용되고 있다. 그 중 가장 오래전부터 사용되고 있는 바이오 소재는 아마(Flax), 황마(Jute), 대마(Hemp), 양마(Kenaf) 등과 같은 식물의 줄기에서 얻어지는 섬유 및 바나나(Abaca), 용설란(Sisal), 헤네켄(Henequen) 등과 같은 식물의 잎에서 얻어지는 섬유로 일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 열가소성수지와 혼합하여 섬유강화플라스틱의 형태로 자동차 내외장 부품으로 적용되고 있다.
글 / 이기동, 이원구 (엔브이에이치코리아)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2009년 12월호
식물성 천연섬유는 1990년 중반 이후 전 세계 모든 자동차 메이커들이 내장부품으로 적용하고 있을 정도로 가장 광범위하게 적용되고 있다. 최근에는 옥수수, 사탕수수, 콩, 피마자, 유채씨 등의 식물에서 추출한 원료를 기반으로 하는 바이오플라스틱에 대한 시장이 점차적으로 확대되고 있는 실정이다.
이에 본 문에서는 바이오플라스틱에 대한 전반적인 개요 및 자동차 산업을 중심으로 바이오플라스틱 적용 사례에 대해 소개하고자 한다.
2. 바이오 플라스틱 개요
▶ 바이오 플라스틱 동향
바이오기술(Biotechnology)은 <그림 1>에서 도식적으로 나타낸 것과 같이, 기존의 화학산업이 화석원료인 석유자원에 의존하던 것과는 달리, 자연계에서 빛에너지가 식물의 광합성을 통해 반복적으로 생산되는 식물자원(Biomass)을 원료로 기존의 화학산업 중 일부 혹은 상당 부분을 대체함으로써 인류의 지속가능한 성장 및 생존을 가능케하는 새로운 형태의 바이오-화학융합형 기술이라 할 수 있다.
현재, 전 세계의 석유 매장량은 1,373억 배럴(가채 년 수 약 40년 이하)로 이미 일부 전문기관에서는 원유 생산의 Peak Time이 지났다고 예측하고 있으며 이에 따라 국제원유가도 과거에 상상할 수 없던 수준인 100 $/B 이상에서 안정 혹은 지속적인 가격상승에 직면하고 있다. 따라서 이러한 한정된 석유자원에 의존하는 기존 석유화학 산업의 경우 지속적인 원가상승 압박에 따른 지속적 발전 위기상황이 심각한 상황이다.
현재 고분자를 비롯한 화학소재 산업의 메가트렌드는 가격과 환경보호라는 두 가지 점에서 바이오매스를 원료로 사용하여 제조되는 바이오 플라스틱(bio-plastic)의 개발 및 생산으로 흘러가고 있음을 알수 있다. 유가가 배럴당 $50 이하일 때까지는 고분자 가격이 시간에 따라 다소 감소하지만 이 이상일 경우에는 날이 갈수록 고분자 가격도 원유가와 함께 증가하며, 유가에 따른 고분자가의 상승과 CO2 발생문제 때문에 현재 전 세계적으로 바이오매스를 활용한 바이오플라스틱의 개발에 많은 연구가 진행되고
있다.
▶ 바이오소재의 환경영향성
바이오 소재의 수요를 결정 할 또다른 주요한 요인은 CO2 저감을 통한 환경보호이다. 최근 지구 환경문제에 대한 인식이 증가하고 있고 있으며, 1997년에 협의된 지구 온난화 방지를 위한 교토의정서의 CO2 배출가스 저감 요구는 자동차 산업계로 하여금 원가절감과 수익성 개선 못지않게 친환경적인 그린소재(Green Material)를 적용한 부품개발이라는 과제를 안겨주고 있다. 한 예로서 지금까지 포리올을 이용한 폴리우레탄(Polyurethane) 제품의 경우를 살펴보면, 석유화학 원료로부터 제조되는 고분자수지를 사용한 것이 일반적이며 이 과정에서 제품의 생산에서 폐기 시까지 CO2를 지속적으로 발생시키기 때문에 온실가스에 의한 지구온난화와 같은 환경문제의 원인이 될 수 있다. 반면에, 자연계에서 생성되는 식물성 원료로 제품을 제조할 경우, 식물이 생장할 때 온실가스를 흡수하며, 바이오 소재의 적용을 통한 석유 원료의 사용량을 줄여주는 효과를 통해 제품 제작시 전체 온실가스(CO2) 배출의 총량을 줄여주는 효과를 기대할 수 있다. <그림 2>의 경우는 석유제품과 바이오 소재 사용 시 제품의 제조과정에서의 온실가스 배출 형태를 비교한 예이다.
3. 바이오 플라스틱 소재의 국내∙외 개발 현황
▶ 생분해성 바이오 소재
<그림 3>에서 도식한 것처럼, 옥수수등의 식물자원에서 전분을 발효시킴으로써 글루코스를 거쳐 유산으로 되면 이를 중합하여 얻어지는 고분자인 PLA(Poly Lactic Acid)는 생분해가 되는 가장 대중화된 바이오플라스틱이라 할 수 있다.
일본의 경우, 미쯔이화학은 옥수수 및 사탕무 등에서 얻는 전분 및 당류의 미생물 발효로 얻어지는 젖산을 원료로 한 제품인 Lacea를 개발, 본격 판매 중이며, 일본의 Shimadzu사로부터 폴리락티드 제조기술을 이전한 Toyota자동차는 자동차에 쓰이는 플라스틱을 대체할 목적으로 폴리락티드를 집중개발중이며, 폴리락티드의 단점인 내열성과 취약한 기계강도를 보완하기 위한 기술을 집중 연구하고 있다.
중국의 경우, PLA를 원료로 한 펜(Pen)이 출시되었다. PLA수지를 원료로 한 펜은 중국 과학원 창춘(長春)응용화학연구소와 저어쟝하이정(浙江海正) 그룹의 협력에 의해 연구개발 되었으며, 현재 중국내각 지역에서 PLA 수지를 원료로 한 각종 제품에 대한 홍보 및 전시회가 개최되고 있다. 중국은 저어쟝하이정 그룹과 7년간 연구개발을 통해 최초로 연간 생산량이 5,000톤에 달하는 생산라인 구축에 성공하였으며, 향후 PLA 수지 수요에 상당한 기여를 할 것으로 예상된다.
▶ 바이오 폴리우레탄
폴리우레탄은 -OH화합물과 -NCO화합물의 중합반응에 의해 생성된 주사슬이 우레탄(-NHCOO-)을 일정량 이상 포함한 고분자 화합물를 통칭한다. 연질상과 경질상의 종류, 함량, 블록 길이, 상분리 정도와 경질상의 고차구조에 따라 다양한 물성을 갖는 소재로서의 분자설계가 가능하여, 기존의 어떠한 고분자보다도 원료 구성이 다양하고 용이하다. 엘라스토머에서 엔지니어링 플라스틱에 이르는 폭 넓은 사용용도와 원료구성이 결부되어 연간사용량이 1,000만톤에 이르는 중요한 공업재료이다. 폴리우레탄은 자동차 분야에서는 대쉬 및 플로워 카페트의 방음용 패드, 내장부품의 표피재, 시트의 쿠션재, 각종내외장 부품의 흡음용 패드 및 헤드라이너 기재 등으로 다양하게 사용되고 있다.
해외의 경우 이미 풍부한 식물자원을 바탕으로 다양한 바이오포리올이 양산화되어 있다. 각 나라별 식물성 원료의 확보에 따라 다양한 식물성 오일의 바이오 포리올이 개발되어 있다. 미국은 대두유(Soybean Oil) 기반, 말레이시아는 야자유(Palm Oil), 아이슬랜드는 어류(Fish Oil), 독일은 피마자유 (Castor Oil)을 기반으로 하는 다양한 바이오 포리올이 개발되고 시판되고 있다.
다양한 식물성 원료의 종류와 응용분야에 따라 제작된 바이오포리올내의 NOP(Natural Oil Polymer)의 함량이 변화가 된다. 흡음재 등의 경우에는 Polyol 분자량이 높은데 이에 반해 대부분의 식물성 오일은 공업적으로 이용되기에는 기존의 포리올에 비해 분자량이 적기 때문이다. 따라서 포리올의 개질이 추가로 발생되어 지며, 중합 등의 공정을 거처, 분자량 조절 및 각 사용처에 맞는 추가 공정을 거쳐 각 부품별 최적의 바이오 포리올을 제작하게 된다.
최근 국내(KPX케미칼)에서도 피마자유의 중합을 통한 바이오포리올의 상업화를 성공한바 있다. 지난 6월 KPX케미칼이 Slab용 Bio Polyol의 상업화 성공이 우레탄신문에 기재되었다. 국내 Polyol 제조업체 또한 친환경 바이오포리올 개발에 박차를 가하고 있다. 현재까지 다양한 제품개발, 수요예측, 가격산정, 효과입증, 생산안정화에는 다소 시간이 소요될 전망이지만, 앞으로 다양한 분야에서 사용할 수 있는 식물성 오일을 원료로 하는 바이오 포리올 제품을 국내 포리올 업계의 Catalog에서 볼 수 있기를 기대한다.
▶ 바이오 폴리올레핀
바이오 풀리올레핀과 관련하여 최근 일본의 지구환경산업기술연구기구와 혼다기술연구소는 공동으로 잡초를 이용한 폴리프로필렌을 생산하는 기술을 개발하였다. 이는 잡초 등 식물의 섬유질의 주성분인 셀룰로오스(Cellulose)를 이용해서 자동차 연료 등에 쓰이는 바이오 에탄올을 공동 개발한 이력이 있는 지구환경산업기술연구기구와 혼다기술연구소는 이와 같이 식물 자원 활용 기술을 발전시키면서 잡초를 활용한 당 분해 기술을 이용하여 유전자 구조를 조작한 대장균 등의 미생물을 이용해서 알코올의 일종인‘프로파놀’을 만들고 이를 합성시켜서 폴리프로필렌을 생산하는 기술을 개발하였다. 이 기술을 활용하면 잡초 2~3kg에서 1kg의 폴리프로필렌을 생산할 수 있다고 보고하였다. 이러한 기술의 경우 기존의 석유원료를 사용해 왔던 화학 중합 설비를 그대로 이 신형 기술의 설비로 활용할 수 있는 이점이 있으면서, 잡초라는 풍부하고 저렴한 원료를 사용하면서 현재 사용되고 있는 범용 합성수지를 제조<그림 6>하는 것이
기 때문에 곧바로 실용화가 가능하다는 장점이 있다.
사용하여 대규모 투자를 통해 폴리에틸렌을 생산할 계획으로 알려졌다.
4. 바이오 플라스틱 소재 국내∙외 자동차 적용사례
도요타는 자체 개발한 바이오플라스틱을 라움 및 하이브리드 차량인 프리우스에 각각 스페어 타이어 커버와 매트를 제작하여 사용함으로써 자동차 업계 최초로 2003년에 차량에 도입하였다. 최근에도 프리우스 3세대 모델의 특수바닥매트로 식물성 섬유 소재인 NatureWork사의 인지오(IngeoTM)소재를 사용한 매트를 옵션으로 제공한다고 발표한 바가 있다. 또한 일본 도요타시에 바이오플라스틱 공장을 운영 중이며, 자동차용 바이오플라스틱 뿐만 아니라 다양한 용도의 바이오플라스틱을 약 60여개 업체에 공급하고 있다. 도요타는 바이오플라스틱 산업을 자동차 산업과 별개의 새로운 사업군으로 규정하고, 그룹 내 주력 사업군으로 성장시키는데 주력하고 있다. <그림 7>은 PLA를 적용한 제품 사진이며, <그림 8>는 바이오포리올을 자동차 시트폼에 적용한 제품 사진이다.
마즈다는 7개 기업, 2개의 산업연구소, 2개의 대학으로 이루어진 일본의 바이오플라스틱 컨소시엄에서 88%의 옥수수와 12%의 석유화합물로 이루어진 새로운 차량용 바이오플라스틱을 개발하였다고 전하며, 이 제품은 현재의 바이오플라스틱 제품들에 비해 강도는 3배, 열저항성은 25% 향상되었으며, PP 제조과정보다 약 30% 수준의 에너지로 제
조가 가능한 것으로 알려져 있다. 또한 2008년 테이진(日)에서 개발한 스테레오 콤플렉스 PLA 섬유로 제조된 카시트를 수소 하이브리드 자동차 Premacy에 적용하였다. <그림 9>은 PLA를 적용한 카시트 사진이다.
트 카의 경우, 옥수수를 기반으로 만들어진 바이오플라스틱인 PTT와 PLA소재로 기존
의 PET 섬유를 대체하고 있다. 적용 예로, PTT/PET 혼합직물은 좌석, 팔걸이 등 사람
의 피부가 접촉하는 부위에 사용되고 있으며, 밀도가 더 높은 PTT의 경우 헤드라이너, 트렁크 라이너등에 사용될 수 있다. 또한 혼다 측은 FCX 컨셉트 카에서 적용한 바이오섬유 애플리케이션을 2009년 이후 생산되는 신모델들로 점차 확장해 나갈 계획이라고 발표하였다.
미쯔비시는 2008년 PTT 플로워 매트를 전기자동차인 iMiEV에 적용시켰으며, 대나무섬유와 PBS를 혼합한 복합재료를 내장부품으로 적용시킬 예정이라고 발표하였다. 자동차 내에 폴리우레탄 소재의 적용량은 평균 13.6kg에 이른다. Ford 자동차에서는 NOP 함량이 높은 대두유 기반의 바이오포리올을 이용한 Soya Foam을 Mustang 자동차 시트분야 5% 수준으로 적용시켰으며, Utech 발표 자료에 따르면, 연간 272.2톤의 이산화탄소의 절감효과가 발생된 것으로 보고하고 있다. 도요타는 북미 지역 생산차종인 Corolla, Lexus RX, RAV4 차종에 Soy Polyol을 적용한 SeatFoam을 양산 중에 있다.
국내에서는 자동차 부품 중 바이오 소재를 적용한 내장 부품 등이 일부 적용되고 있으며, 이는 전술한 바와 같이 식물성 섬유를 열가소성 수지인 폴리프로필렌과 혼합하여 천연섬유강화플라스틱(NFRP, Natural Fiber Reinforcement Plastic)형태로 도어트림, 헤드라이너, 트렁크 트림 등에 제한적으로 적용되고 있는 실정이며, 해외 선진업체에서 적용되는 사례와 같이 석유화학 제품을 대체하는 바이오플라스틱 제품은 아직까지 적용을 위한 개발 연구 중인 단계이다. 이외에 자동차 용도로 개발하기 위하여 현대모비스와 식품용기 개발 중소기업이 공동으로 PLA 시트를 이용한 자동차용 크러쉬 패드 시작품을 성형하였으나, 110℃ 내열조건을 견디지 못하고 변색, 냄새 등의 바이오 플라스틱의 근본적인 문제점을 나타내어 추가 제품 개발이 중단된 상태이다.
일본의 경우 도레이(TORAY)에서는 필름용, 압출용 플라스틱을 개발하면서 PLA 수지에 올레핀계 TPO 수지를 Alloy<그림 10>하여 생붕괴성 발포시트를 제조하였으나, 상용화 단계 이전의 샘플 홍보에 단계에 있고, 추가 기술개발을 진행하고 있다.
일본의 자동차 메이커에서 보고한 자료는 혼다 기술연구소에서 식물 유래 폴리프로필렌을 활용한 자동차 부품 적용방법을 검토 중에 있다. 자동차의 경량화를 뒷받침할 수 있는 PLA계 바이오 플라스틱 폼 기술은 자동차 내장재 분야에 적용된 사례는 아직 없다. 이는 PLA 소재가 열가소성 수지이고, PLA계 바이오 플라스틱 소재가 내습 및 내
열성 요구조건(95% 습기, 100℃ 온도에 의한 PLA의 분해특성으로 인한 기계적 물성저하 등이 발생 가능성 있음)을 만족하기에 다소 어려움이 나타나기 때문에 10년 & 10만 마일 보증기간동안 외형적 변화, 정숙감, 쾌적함 만족을 유지하기 위해서는 PLA 계 바이오 플라스틱 원료의 본질적인 개발(화학적 구조 또는 분자설계 보완)이 필요한 것으로 국내∙외 자료에 보고된 사례가 있다.
5. 결론
바이오플라스틱은 석유자원에 대한 수요증가 및 환경보존 문제에 대한 대응 방안으로서 대체 소재로 인식되고 있으며, 생분해성 소재인 PLA를 생산하는 기존 업체 외에 일본, 중국 등의 후발업체들의 참여및 개발로 다양한 분야의 기술 개발 및 상업화가 이루어지고 있는 실정이다.
자동차 부품에 사용되는 플라스틱 소재로서 PLA 바이오플라스틱과 바이오포리올의 기술적 진보는 세계적으로 빠르게 진행되고 있으며, 그 외의 바이오 소재들도 강도개선, 유연성, 내열성, 분해기간 조절, 가공성, 생산성 등의 원천적인 기술 개발을 통하여 다양한 부품에 확대, 적용하기 위한 연구가 계속 진행 중에 있으며, 재활용 측면에서 다른 고분자와의 상용성을 개선하고자 하는 연구도 필요하다.
향후, 국내 자동차 분야에서도 바이오 플라스틱에 대한 지속적인 관심과 개발을 통한 자동차 부품으로의 적용이 확대될 것으로 예상된다.
