플라스틱이라는 단어가 다소 부정적인 뉘앙스로 다가온 것은 오래 전이다. 인류의 보편적 정서가 ‘개발’을 벗어나 ‘환경’으로 바뀌기 시작한 뒤부터 그랬다. 플라스틱은 인류의 ‘삶의 질’을 획기적으로 높인 소재가 분명하지만 썩지 않는다는 점, 불에 타면 무서운 매연을 내뿜는다는 점, 가열하면 환경호르몬이 나올 수 있다는 점, 일부 종류는 그 자체로도 독성이 있다는 점 등에서 ‘친환경’과는 거리가 있다.

인류의 플라스틱 사용으로 동물들이 죽어갔다. 최근에는 바다로 떠내려간 플라스틱 쓰레기를 물새가 먹고 죽는 일도 벌어지고 있다. 심지어 갓 태어난 새끼에게도 페트(PET)병 뚜껑 같은 플라스틱 쓰레기를 물어다 먹이는 바람에 아기새와 어미새가 함께 죽는 일도 발생하고 있다.

이산화탄소 배출이 지구온난화를 비롯한 글로벌 환경문제의 주도적 이슈가 되면서 플라스틱은 더욱 코너로 몰리는 처지가 됐다. 플라스틱 제품을 만드는 데 엄청난 연료가 필요하고, 이 과정에서 대량의 이산화탄소가 발생하기 때문이다.

플라스틱은 일단 원유를 가열해 분리한 석유제품인 나프타로 만든다. 이를 가열하면 액체상태의 에틸렌과 프로필렌을 만들 수 있는데, 이것을 다시 고체 형태로 만드는 과정에서 다양한 소재가 만들어진다. 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PE), 폴리염화비닐(PVC), 아크로니트릴부타디엔스타이렌(ABS) 등이 우리가 흔히 말하는 플라스틱류의 소재들이다.

이러한 석유화학 공정에는 어마어마한 연료가 들고 온실가스도 다량 배출된다. 그래서 석유화학 업종을 대표적인 에너지 다소비, 탄소배출 산업으로 꼽기도 한다. 이 때문에 한국이 온실가스 배출 의무감축국이 될 경우 석유화학 산업이 가장 먼저 타격을 받게 될 것으로 보인다.

그렇다고 인류가 플라스틱을 안 쓸 수 없는 노릇이다. 이미 인류는 철기시대를 지나 플라스틱시대에 살고 있다고 할 만큼 거의 모든 제품에 합성수지를 쓰고 있기 때문이다. 석유화학 업계에서 “만일 인류가 천연 소재만을 사용할 경우 지구가 4개 있어도 모자란다”고 말할 정도로 천연 소재는 부족한 수준이다. 실제로 철이 주된 소재인 것 같은 자동차나 가전제품도 50% 이상은 합성수지로 만들어진다.

이 같은 플라스틱의 문제들을 일거에 해결할 수 있는 방법으로 ‘이산화탄소 플라스틱’ 기술이 각광받고 있다. 이분열 아주대 분자과학기술학과 교수가 개발한 기술로 현재 SK에너지와 함께 연구개발과 사업화를 동시에 진행하고 있다.

이산화탄소로 플라스틱을 만드는 기술의 핵심은 촉매다. 프로필렌옥사이드와 이산화탄소를 56대 44로 섞은 뒤 여기에 ‘슈퍼-액티브 촉매’를 넣어주면 화학반응을 통해 고체물질이 생기는데 이게 바로 이산화탄소 플라스틱이다. SK에너지는 이 이산화탄소 플라스틱의 상표명을 ‘그린-폴’(Green-Pol)로 정하고 세계 최초의 상업공정을 2012년 가동하겠다는 목표로 기술을 가다듬고 있다.

<왼쪽은 이산화탄소 플라스틱의 모습이고, 오른쪽은 이분열 교수가 개발한 촉매가 프로필렌
옥사이드 액체와 이산화탄소의 반응을 촉진해 플라스틱을 만들어내고 있는 모습이다. 사진제
공. 이분열 아주대 교수>


이산화탄소 플라스틱은 기존 합성수지의 특징을 대부분 지닐 뿐 아니라 놀라운 장점도 가지고 있다. 일단 무연 연소성을 가져 태워도 공해가 발생하지 않고, 다 쓰고 난 뒤에는 태워버리면 되기 때문에 쓰레기 문제가 발생하지 않는다. 인체에 대한 독성이 없는 것도 장점이고, 색상도 투명해 색소를 첨가하면 얼마든지 아름다운 색깔을 띨 수 있다. 산소와 수분을 완벽히 차단하는 것은 기본이다.

이 때문에 이산화탄소 플라스틱이 상용화될 경우 기존 석유화학계 플라스틱 제품을 빠르게 대체해 나갈 것으로 전망된다. 우선 차단성 식품용기 등 인체와 직결된 분야부터 시작해 PVC 대체재, 포장재뿐만 아니라 친환경 단열재, 완충재로도 쓰일 예정이다.

화학업계에 따르면 단열재, 완충재 시장은 연간 국내 시장이 6,500억원, 세계 시장이 8조원이고 PVC 시장이 국내 4,800억원, 세계 15조원이다. 차단성수지 세계 시장 규모도 3조원이나 되며 차단성 코팅 레이어, 접착 레이어 등 응용분야도 무궁무진해 시장성은 그야말로 천문학적으로 커질 수 있다.

이산화탄소 플라스틱은 소재로서 훌륭하기만 한 것이 아니라 탄소배출권이라는 새로운 비즈니스 모델을 창출할 수 있다는 것도 장점이다. 산업 활동에서 배출되는 이산화탄소를 모아서 자원화하는 개념이기 때문이다.

현재 인류는 공장에서 나오는 이산화탄소를 모으는 기술은 확보하고 있으나 이를 처리하는 데는 애를 먹고 있다. 화학반응을 통해 이산화탄소를 다른 물질에 고착시켜 땅에 묻는 방법이 그나마 현실적인데, 막대한 비용이 든다. 이산화탄소 플라스틱은 기존 합성수지 제조 과정의 탄소배출을 줄일 수 있는 최고의 방법이면서 다른 산업이 배출하는 이산화탄소까지 줄여준다. 또 탄소배출권도 추가로 확보할 수 있어 새로운 비즈니스 아이템으로 평가받는다.

<이산화탄소 플라스틱 연소 장면. 연소 중에는 유해가스 배출이 적고 연소 뒤에는 물과 이산화
탄소로 분해된다. 사진제공. 이분열 아주대 교수>


물론 앞으로 남은 길이 쉬운 것만은 아니다. 이산화탄소 플라스틱의 물성 중 내열성을 강화해 고온에서도 휘거나 녹지 않도록 해야 한다. 또 촉매기술을 최적화하고 상업화 단계에서도 안정적으로 쓸 수 있도록 보완해야 한다. 연속 용액 공정, 청정공정, 컴파운딩 기술, 미세 발포기술, 필름 성형기술 등 다양한 기술 개발도 숙제다.

시대의 흐름을 볼 때 이산화탄소 플라스틱과 같은 녹색산업은 미래 산업의 중심이 될 게 분명하다. 특히 석유에 의존했던 ‘에너지’와 ‘소재’가 어떻게 변화할 지가 핵심 이슈다. 앞으로는 에너지와 소재가 ‘부존자원’에서 ‘기술’의 개념으로 진화하게 될 것으로 전망된다.

문제는 기술이다. 인류가 꿈꾸는 미래가 현실이 될 수 있느냐는 어떤 기술을 개발해 어떻게 상업화하느냐에 달렸다. 만약 한국이 녹색기술을 선점하는 데 성공한다면 우리도 에너지 의존국, 자원빈국 처지에서 미래의 자원부국으로 발돋움할 수 있다.

글 : 맹준호 서울경제 산업부 기자


KISTI NDSL(과학기술정보통합서비스) 지식링크


○관련 논문 정보
플라스틱 원료의 특성과 제품 설계[바로가기]
기후변화협약 대응기술로서 이산화탄소 포집 및 저장기술의 중요성[바로가기]
이산화탄소 포집을 위한 건식 흡착물질 개량[바로가기]

○관련 특허 정보
이산화탄소포집제조성물,이를이용한연도가스중의이산화탄소포집방법및장치(한국공개특허)[바로가기]
포집된 이산화탄소로부터 연료의 생성 방법(한국공개특허)[바로가기]
이산화탄소 포집 및 분석용 장치 및 사용 방법(한국등록특허)[바로가기]

○해외 동향분석 자료
탄소 포집 및 저장(CCS) 운반 인프라에 대한 기술적 분석 - 2009년 [바로가기]
의욕적인 탄소 포집 계획을 실행하는 호주 - 2008년 [바로가기]
위태로운 석탄의 미래 - 2005년 [바로가기]



ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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2차 세계대전 당시 독일 군함은 부족한 군사 자금을 보충하기 위해 금이 달라붙는 물질(이온교환 수지)을 개발해 커다란 배 뒤에 붙이고 다녔다. 이렇게 확보한 금의 양이 많지 않았지만, 어쨌든 독일군은 단순한 아이디어로 짭짤한 수익을 얻었다.

자원 대란 시대가 다가오고 있다는 경고의 메시지가 많지만, 이미 사람들은 기발한 상상력 하나로 다양한 자원을 만들어 내고 있다. 예를 하나 들어보자. 소금물을 전기분해하면 양극(+)에선 염산, 음극(-)에선 양잿물이 생긴다. 그렇다면 이번엔 소금물에서 물을 증발시켜 완전히 제거하고, 남아 있는 소금만 녹여 전기분해하면 어떻게 될까? 양극에서 염소가스가 나오고, 음극에서 나트륨이 생성된다. 아이디어 하나로 흔한 소금물 하나에서 4가지 자원을 얻어내는 셈이다. 이런 물질은 모두 산업현장에서 많이 활용되고 있는데, 일례로 금속 나트륨은 원자력발전소의 냉각 시스템에 쓰인다.

그러나 21세기 과학, 산업계의 승자가 되기 위해선 이렇게 단순한 상상력과 아이디어로는 부족하다. 그래서 최근 새로운 시도의 하나로 융합기술이 대두되고 있다. 융합기술이란 IT, BT, NT 등 신기술을 상승적으로 결합해 가까운 미래에 인간 활동에 큰 영향을 미치는, 아이디어를 기반으로 한 기술체계를 의미한다.

이러한 융합기술을 발굴하기 위한 아이디어는 확장하기에 따라서 무궁무진하게 퍼져나갈 수 있다.

간단한 예로, 원자력발전소에서 버려지는 방대한 열 에너지도 융합기술의 소재가 될 수 있다. 국내에서는 이 에너지를 그대로 바다에 버리고 있는데, 이런 에너지를 체계적으로 모아 관리한다면 해양소재의 정제나 생산에 얼마든지 활용할 수 있다. 해양산업과 원자력산업의 융합인 셈이다.

원자력 발전소에서 버리는 열을 활용한다면 바다 농장(해양 바이오 플랜트)을 구축하는 것도 가능하다. 적정한 열에너지와 무기염류만 보충되면 바다에 사는 해조류와 녹조류는 폭발적으로 늘어난다. 여름철 남해에서 수온이 올라가면 대규모 적조현상이 발생하는 것과 같은 원리다. 이를 이용하면 해조류나 녹조류를 배양하면서 수억 톤 규모의 해양발효시스템을 구축할 수 있고, 여기서 수소가스나 비타민, 항생제 같은 의약품의 원료를 생산할 수도 있다.

이런 융합기술은 산업현장에서도 이미 활용되고 있다. 섬유나 종이, 도료 등에 쓰이는 ‘아크릴아마이드’란 물질은 과거엔 주로 석유를 원료로 만들었다. 그러나 요즘은 이 같은 화학공법에서 바이오공법으로 생산방법이 바뀌고 있다. 이미 이웃 일본에서도 바이오공법 중 하나인 효소공법만을 이용하여 아크릴아마이드를 생산하는데 성공했다. 여기서 말하는 효소공법이란 미생물이 갖고 있는 효소를 이용해 아크릴아마이드를 만드는 기술이다.

이렇듯 바이오기술로 석유 화학제품을 대체 생산하는 방안도 모색되고 있는데 이는 석유 화학제품의 원료인 석유가 고갈된 이후를 대비하기 위해서다. 천연석유가 아닌 원료를 활용하여 석유화학제품을 생산하는 기술은 비산유국가인 우리가 꼭 가야할 방향이기도 하다. 실제로 바닷물 속에서 건진 녹조류 등을 이용해 종이를 만들거나, 혹은 바이오에탄올 등을 만드는 방법도 연구되고 있다.

이 과정에서 반드시 고민해야 하는 전통과학 기술이 있다. 김치나 요구르트를 만드는데 쓰이는 발효기술이다. 발효기술이란 미생물이 유기물(탄소를 가지고 있는 물질)을 완전히 분해시키지 못하고 다른 종류의 유기물(바이오매스)을 만들어 내는 과정을 말한다.

효모를 통해 탄수화물에서 에탄올을 만들어 내는 것을 그 예라 할 수 있으며, 사람들은 먼 옛날부터 이 원리를 이용해 막걸리나 맥주를 만들어 왔다. 과거에는 에탄올이 석유화학제품이었는데, 발효기술을 산업적으로 활용하기 전에는 에탄올을 얻으려면 석유를 정제, 가공해야 했기 때문이다.


<다양한 유기물질을 발효시켜 에탄올을 얻는 기술이 개발되고 있다.
사진은 우뭇가사리로 만든 바이오에탄올. 사진 제공 한국생산기술연구원>


미생물을 이용해 탄수화물로 알코올을 만드는 발효과정은 화학산업을 대체할 수 있는 충분한 잠재력을 갖고 있다. 알코올을 조금 더 가공하면 에틸렌가스, 벤젠 등 다양한 산업소재도 생산할 수 있기 때문이다. 과학자들이 1970년대 말부터 제안된 이 대체기술은 최근 유전공학과 결합돼 이제 알코올보다 훨씬 부가가치가 높은 생산물까지 만들어낼 수 있는 단계까지 와 있다.

이미 세계 화학 산업계는 화학제품의 원료를 석유 대신 바이오매스로 생산하기 위해 발효기술을 포함한 바이오산업과 융합하려는 시도를 시작했다. 더 나아가 산업현장에서 활용할 수 있는 미생물의 유전체 정보를 해독하고, 특정 산업소재를 생산하는 미생물을 개발하고 있다. 또한 극한 환경에서 사는 미생물의 몸속에 있는 독특한 효소를 활용해 새로운 식품소재나 의약품을 효소공학 기술로 생산하고 있다.

융합기술이 과학기술계의 새로운 흐름으로 떠오르고 있다. 새로운 융복합 기술을 개발하는 것이 결코 쉽지 않지만 아이디어만 있다면 과학기술 간의 융합이 그렇게 어려운 것만은 아니다. 필요한 것은 용기와 자신감이다. 우리만이 시도해볼 수 있는 새로운 산업형태는 어떤 것들이 있을지 고민할 때다. 이런 것이 진정한 녹색성장이 아닐까?

글: 이대실 한국생명공학연구원 책임연구원


NDSL 지식링크 : KISTI 과학기술정보통합서비스 제공


○관련 논문 정보
바이오에탄올 연료개발의 국제적 동향 [바로가기]
원자력발전소의 건설과 가동이 저서 해조류에 미치는 영향 [바로가기]

○관련 연구보고서
동,서,제주해역 바다목장화 개발 연구용역 : 태안바다목장 [바로가기]

○해외 동향분석 자료
스웨덴 원자력정책, 노후화된 원자로 교체 및 폐열 활용 필요성 보고 [바로가기]



ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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