폐플라스틱. 참고사진=픽사베이
폐플라스틱. 참고사진=픽사베이

[비즈월드] “본 발명은 생분해성 고분자 나노 셀룰로오스 및 계면활성제를 포함하고, 상기 계면활성제로 고리형 이종(heterocyclic) 구조 함유 우레탄 화합물을 포함하는 생분해성 복합 수지 조성물 및 이로부터 유래되어 기계적 물성이 개선된 생분해성 복합 수지에 관한 것이다.”

한국생산기술연구원이 2021년 9월 29일 출원(출원번호 제1020210129141호)해 2022년 3월 30일 등록(등록번호 제102382284호)을 받은 ‘생분해성 복합 수지 조성물 및 이로부터 유래된 생분해성 복합 수지’ 특허의 대표 도면. 생분해성 복합 수지의 탄성률을 나타낸 도표. 그림=키프리스
한국생산기술연구원이 2021년 9월 29일 출원(출원번호 제1020210129141호)해 2022년 3월 30일 등록(등록번호 제102382284호)을 받은 ‘생분해성 복합 수지 조성물 및 이로부터 유래된 생분해성 복합 수지’ 특허의 대표 도면. 생분해성 복합 수지의 탄성률을 나타낸 도표. 그림=키프리스

한국생산기술연구원이 2021년 9월 29일 출원(출원번호 제1020210129141호)해 2022년 3월 30일 등록(등록번호 제102382284호)을 받은 ‘생분해성 복합 수지 조성물 및 이로부터 유래된 생분해성 복합 수지’라는 명칭의 특허에 대한 설명이다.

한국생산기술연구원 측은 해당 발명을 통해 해결하려던 문제는 나노 셀룰로오스의 분산성을 높일 수 있는 생분해성 복합수지 조성물과 기계적 물성이 개선된 생분해성 복합 수지를 제공하는 것이라고 한다.

연구원은 이 발명에 이용되는 계면활성제는 3구 플라스크에 고체인 아이소소바이드(isosorbide) 5.9649 g(0.0408 mol)를 용매인 디메틸아세트아미드 26.15㎖를 넣은 후, magnetic stirrer에 200 RPM으로 10분간 용해시킨 후 이소포론 디이소시아네이트 4.5365 g(0.0204mol)를 첨가하고 마지막으로 촉매인 디부틸주석 디라우레이트를 0.053 g(0.00008 mol) 첨가해 70℃의 오일 베이스 및 질소 조건에서 5시간 동안 반응시켜 고리형 이종구조 함유 우레탄 화합물을 제조했다고 설명했다.

이어 블랜딩 방법을 이용해 리부틸렌 숙시네이트(poly(butylene succinate)) (안코바이오플라스틱社) 5.7g(95 중량%), 나노 셀룰로오스 (한솔 제지社) 0.18g(3 중량%) 및 앞서 제조한 계면활성제 0.12g(2 중량%)로부터 생분해성 복합 수지 조성물 및 생분해성 복합 수지를 얻어냈다고 밝혔다.

추가적인 작업을 거쳐 이렇게 만들어진 생분해성 복합 수지 조성물로부터 유래된 고리형 이종 구조 함유 우레탄 화합물을 계면활성제로 포함해 나노 셀룰로오스로 분산성과 나노 셀룰로오스와 생분해성 고분자의 혼화성이 좋아져 기계적 물성이 개선될 수 있다고 전했다.

해당 발명은 자연환경에서 썩는 플라스틱인 ‘생분해 플라스틱’에 대한 기술이다.

폐플라스틱에 대한 환경 오염은 심각성은 이미 잘 알려져 있다. 정부도 나서 규제를 강화하고 있으며 각 기업체들은 이에 따라 일회용품 사용 감소를 위해 안간힘을 쏟고 있다. 

그러나 코로나19 이후 플라스틱이 주성분인 일회용 마스크를 비롯해 장갑과 배달용 포장재 등 일회용 플라스틱의 사용량 폭증과 이로 인한 환경과 건강에 치명적인 영향으로 플라스틱 폐기물에 대한 고민이 깊어지고 있다. 

실제로 국민권익위원회가 지난 2021년 조사한 결과에 따르면 우리 국민은 평균 2.3일당 1개의 마스크를 사용해 하루 2000만개, 연간 73억개 이상을 배출하는 것으로 추산되고 있다.

이처럼 플라스틱 폐기물의 근본적인 문제를 해결하기 위해 대표적인 것이 바로 플라스틱의 활용도를 유지하면서도 자연에서 자연스럽게 분해되는 ‘생분해 플라스틱’이다.  

이 소재는 미생물에 의해 기존 플라스틱보다 훨씬 빠르게 분해되어 환경오염을 줄일 수 있다.

종래 널리 사용되는 석유계 범용 플라스틱은 자연 상태에서의 분해성이 매우 열악해 폐기 시 환경에 치명적인 악영향을 미치는 문제가 있다. 이에 석유계 범용 플라스틱을 대체할 수 있는 소재의 개발이 요구되고 있는 것이다.

석유계 범용 플라스틱을 대체할 수 있는 소재로 추가 공정 없이 자연에서 분해될 수 있는 생분해성 고분자가 대두되고 있지만 이런 생분해성 고분자는 기계적 물성이 부족해 실제로 활용되기 어렵다는 문제가 있다.

이에 따라 포스트 탄소 섬유로 불리는 나노 셀룰로오스를 생분해성 고분자에 도입함으로써 기계적 물성이 향상시키기 위한 시도가 이뤄지고 있다.

반면 나노 셀룰로오스는 표면에 위치한 히드록시기(hydroxy group, -OH) 간의 수소 결합에 의해 생분해성 고분자와의 혼화성에 한계가 있다.

따라서 생분해성 고분자의 기계적 물성을 향상시키기 위한 방안에 대한 필요성이 여전히 매우 높다.

결국 ‘생분해 플라스틱’이 사용이 강화되면서 관련 시장도 급성장할 것으로 예상되고 있다.

시장조사업체인 360i리서치은 전 세계 생분해 플라스틱 시장은 2020년 51억 달러(약 5조6814억원)에서 오는 2025년에는 89억 달러(약 9조9146억원)로 2배 가까이 성장할 것으로 내다봤다.

생분해 플라스틱 관련 출원 동향 ('16년~'21년). 표=특허청
생분해 플라스틱 관련 출원 동향 ('16년~'21년). 표=특허청

이런 시장 성장 가능성에 따라 플라스틱을 생분해하는 기술개발이 꾸준하게 이어지고 있다. 

14일 특허청에 따르면 생분해 플라스틱 관련 특허출원이 최근 5년(2016~2020년) 연평균 18% 늘었다. 2016년 97건이던 것이 2020년 190건으로 5년 만에 2배 가까이 증가한 것이다.

출원인 국적별 출원 비중 ('16년~'21년). 표=특허청
출원인 국적별 출원 비중 ('16년~'21년). 표=특허청

해당 기간 관련 특허의 출원인 국적별 비중을 보면 내국인은 이 기간 꾸준하게 증가세를 유지해 2016년 78건에서 2020년 158건으로 2배 이상 늘었다. 반면 외국인의 국내 특허출원은 등락을 반복하고 있다.

특히 코로나19가 시작된 2019년 이후 외국인에 의한 출원은 감소하고 있지만 내국인에 의한 출원은 꾸준히 증가해 대조를 이뤘다. 

출원인별 출원 비중 ('16년~'21년). 표=특허청
출원인별 출원 비중 ('16년~'21년). 표=특허청

출원인별 출원비중을 보면 이 기간 기업에 의한 출원 비중이 68%를 차지해 출원을 주도했고 개인 14%, 대학 12%, 연구기관은 5% 순이었다.

한편 개인에 의한 출원 비중이 2019년 11.7%에서 2020년 18.9%로 증가했는데, 이는 코로나19 이후 급증한 일회용 플라스틱 폐기물에 대한 개인들의 높아진 관심이 반영된 것이라고 특허청 측은 분석했다.

다출원인 현황 ('16년~'20년). 표=특허청
다출원인 현황 ('16년~'20년). 표=특허청

같은 기간 다출원 순위는 엘지화학(24건), 삼양사(15건), 한국화학연구원(14건), 롯데케미칼(14건), 킹파 사이언스 앤 테크놀로지(12건), 바스프(9건) 순으로 기업과 연구기관이 특허권 확보에 나서고 있었다.

주요 출원인(1~6위) 기술별 출원 현황 ('16년~'19년). 표=특허청
주요 출원인(1~6위) 기술별 출원 현황 ('16년~'19년). 표=특허청

이와 별도로 최근 4년(2016~2019년) 주요 출원인(다출원 1~6순위)이 사용한 생분해 플라스틱의 원료를 기준으로 에스테르계 47건(60.3%), 카보네이트계 16건(20.5%), 이들을 혼합한 혼합계 5건(6.4%), 기타10건(12.8%)으로 에스테르계가 절반 이상을 차지한다.

출원인 국적별 에스테르계 출원 비중은 내국인이 51.7%인 반면 외국인이 88.9%를 차지해 외국 기업의 기술개발이 에스테르계에 훨씬 집중됨을 방증했다.

내국인 출원 비중도 2016년 31.3%, 2017년 53.8%, 2018년 40.0%, 2019년 71.4%로 점차 증가하고 있어 외국 기업과 마찬가지로 우리 기업의 기술개발도 에스테르계에 집중되는 추세를 나타냈다.

김종규 특허청 고분자섬유심사과 심사관은 “최근 코로나19로 인해 급격히 증가한 플라스틱 폐기물과 더불어 전 세계적으로 강화되고 있는 일회용 플라스틱 사용에 대한 규제로 친환경 플라스틱에 대한 필요성이 더욱 확대될 것으로 예상되는 등 이에 대한 꾸준한 연구개발 및 특허권 확보가 중요하다”라고 말했다.

[비즈월드=정영일 기자 / zprki@bizwnews.com]

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