삼성증권_화학_210322
'ESG 시대, 순환경제 - 플라스틱 : 뿌린 씨를 거둘 때'
1. 플라스틱 산업의 한계
전 세계적으로 플라스틱 사용에 대해 규제를 가하고 있다. 유럽 쪽에서 먼저 스타트를 끊었고, 올해 2021년엔 중국에서 일회용 플라스틱 사용을 완전히 금지하면서 이 플라스틱이란 산업이 올해 초 화두가 되었다.
→ 그러면 플라스틱 사용이 늘어나면 어떤 게 문제가 되는 것일까?
① 매립 및 소각되지 않은 폐기물 처리의 어려움, ② 늘어나는 탄소 배출량이다.
실제로 글로벌 플라스틱 생산량은 점점 늘어나고 있고, 이 생산 과정에서 적지 않은 온실가스 배출되고 있다. 또한, 사용된 플라스틱의 80%가량은 그대로 버려지거나 소각되어서 환경에 악영향을 끼치고 있다. 결국에 플라스틱이란 건 석유화학 업체들이 생산하는 것이기 때문에 이러한 문제점은 석화 업체들이 해결해야 할 필수적인 과제가 되었다.
→ 앞서 말한 2가지 문제점을 해결하고자 석화 업체들이 선택한 노선은 2가지다.
①친환경 원료를 사용하거나 분해가 쉬워지는 바이오 플라스틱을 생산, ②재활용 플라스틱 산업 투자
이번 장에서는 1에 해당하는 바이오 플라스틱이 무엇이고 어떻게 환경에 좋은 영향을 주는지, 기본 용어와 분류체계, 밸류체인 회사들을 하나씩 알아보자.
2. 바이오 플라스틱이란 무엇인가?
바이오 플라스틱은 지속가능 발전에 기여할 수 있는 친환경 소재를 의미한다. 개념적 정의가 다소 포괄적인 이유는 바이오 플라스틱은 하나의 특정 물질이 아니라 여러 특성을 가진 다양한 물질의 혼합체이기 때문이며, 이로 인해 특정 기준에 따라 바이오 플라스틱의 종류를 나눌 수 있다.
→ 바이오 플라스틱의 종류를 나누는 2가지 기준은 ①원료의 유래와 ②생분해 여부이다.
원료의 유래는 플라스틱의 원료가 화석연료인지 바이오매스(식물과 동물, 미생물 등의 생물유기체)인지에 따라 구분할 수 있다. 화석연료 대신 바이오매스를 사용하게 될 경우 CO2 배출량이 크게 감소하는 장점이 있다.
생분해 여부는 플라스틱이 미생물과 같은 생물체에 의해 분해될 수 있는지 여부를 의미한다. 기존 플라스틱은 분해가 어려운 성질(Non-biodegradable)을 가지고 있으며, 생분해가 가능한(Biodegradable) 플라스틱은 폐기 후 분해되기에 현재 플라스틱이 가진 문제를 해결할 수 있다.
앞서 살펴본 2가지 기준(바이오매스인지/아닌지, 생분해가 되는지/안되는지)에 따라 바이오 플라스틱은 3가지 종류로 구분된다.
1) 바이오매스면서 난분해(분해 x) - 이 쪽 군에는 우리가 Biobased라고 하는 바이오 기반 플라스틱이 포함된다. 제품으로는 Bio-PE, Bio-PP, Bio-PET 등이 있으며, 화석연료를 사용한 플라스틱보다 물성은 떨어지지만 , 제조과정에서 탄소배출량이 70% 이상 감소하는 장점이 있다.
2) 바이오매스면서 생분해 - PLA, PHA, Starch blends(전분으로 만든 플라스틱) 제품이 여기에 속하며, 장점으로는 바이오매스 플라스틱이 가지는 탄소저감 효과뿐만 아니라 분해가 가능해지기에 폐기물 문제를 해결할 수 있다.
3) 화석연료면서 생분해 - PBS, PBAT 제품이 속한다. 화석연료를 쓰기 때문에 바이오매스 대비 저렴한 장점이 있으면서, 분해도 가능하기에 전통적인 플라스틱의 우선적인 대안으로 꼽힌다. 그러나, 탄소배출량 측면에선 바이오매스 플라스틱 대비 열위에 있다.
→ 구체적으로 하나씩 살펴보자.
3. 난분해 플라스틱 (바이오 기반 플라스틱)
난분해 플라스틱, 바이오 기반 플라스틱은 옥수수, 사탕수수와 같은 식물을 이용하여 만든다. 제품은 화학적 결합의 방법에 따라 크게 2가지 종류(결합형 및 중합형)로 나뉜다.
결합형은 식물을 갈아서 만든 분말을 그대로 다른 고분자와 화학적 결합을 시킨 것이다. 중합형은 식물체를 단량체까지 분해한 뒤, 중합하는 것이다. 잘게 쪼개서 다시 정교하게 조립하는 형태이기 때문에 중합형은 결합형보다 물성이 훨씬 좋지만, 가격이 비싸다는 단점이 있다.
시장에서 유의미한 점유율을 갖고 있는 제품은 크게 5가지다. - Bio-PA, Bio-PE, Bio-PTT, Bio-PET, Bio-PP
Bio-PA(polyamide)는 나일론이라고 불리는 PA를 만들 때 바이오매스 원료를 같이 첨가한 것이다. 피마자유(Castor oil)를 이용한다. 자동차 부품 및 건축자재로 많이 사용되고 있다.
Bio-PE(Polyethylene)은 사탕수수로 만든 폴리에틸렌(PE)이며, 통상 포장재로 사용되고 있다.
Bio-PTT(Polyethylene Terephthalate)는 옥수수로 만든 PTT로, 신축성이 있어서 카페트 및 신축성 의류(청바지 등)에 사용되고 있다.
Bio-PET(Polyethylene Terephthalate)는 사탕수수를 기반으로 한 Bio-MEG와 PTA를 합성해 만든 제품이며, 기존에 음료용기로 사용되어 왔던 PET를 대체하거나 혼합되어 사용되고 있다.
Bio-PP(Polypropylene)도 Bio-PE와 마찬가지로 사탕수수를 통해 만든 폴리프로필렌(PP)이며, 포장재와 일반 소비재에 사용된다. 다른 제품들 대비 기술적 장벽이 높아서 아직 시장 규모는 미미한 편이다.
→ 바이오 기반 플라스틱의 향후 5년간 성장세(CAGR 3.9%)를 주도적으로 이끌 제품은 Bio-PE와 Bio-PP이다.
Bio-PE는 유연 포장과 강성 포장 등의 늘어나는 포장재 수요에 발맞추어 CAGR 7.5%를 달성할 것으로 전망되고, Bio-PP는 물성 구현에 기술적 어려움이 있어 점유율이 낮았지만 이후 상업화 설비가 본격적으로 생기면서 CAGR 34.3%로 가장 빠른 성장세를 보일 전망이다.
4. 생분해 플라스틱 - (1) Starch blends
일반 플라스틱이 자연에 의해 분해되는데 약 500년의 시간이 소요되는 반면, 생분해 플라스틱은 1년 채 되지 않는 짧은 기간 내 분해될 수 있다.
바이오 플라스틱 시장은 2025년까지 36% 성장하는데, 연평균으로 따지면 CAGR 6.4%이다. 바이오 플라스틱 중 생분해 플라스틱 시장은 CAGR 8.0%의 성장세를 보일 것으로 전망되고, 난분해 플라스틱 시장은 CAGR 3.9%에 달할 것으로 전망된다.
이렇듯 바이오 플라스틱 시장은 생분해 플라스틱 위주로 성장할 것으로 보인다. 그 이유는 석화 업체들이 바이오 플라스틱을 생산하는 이유에 우선순위를 따졌을 때, 탄소 저감효과보단 폐기물 처리에 훨씬 더 큰 우선순위가 있기 때문이다.
생분해 플라스틱은 연료의 유래에 따라 화석연료 계열로는 PBS, PBAT가 있고, 바이오매스 계열로는 Starch blends, PLA, PHA가 있다.
(1) Starch blends는 전분을 다른 합성고분자에 혼합하여 만든 생분해 플라스틱이다. 전분(Starch)이란 많은 수의 포도당들이 화학결합으로 연결된 고분자 탄수화물이며, 감자, 밀, 옥수수와 같은 식물에 다량으로 함유되어 있다. 통상 전분 분말을 가소제로 처리하여 열가소성 전분(Thermoplastic Starch; TPS)으로 제조하고, 이를 바탕으로 생분해 플라스틱을 생산한다.
▶ Starch blends의 장점은 우수한 생분해성, 매우 저렴한 가격, 공급의 용이성, 천연계로서 원료 자체의 무독성 등이 있다. 단점으로는 약한 강도가 있다.
Starch blends의 연평균 성장률(CAGR)은 0.1%에 불과하다. 그 이유는 약한 물성으로 인해 강도가 약해서 산업용, 자동차용 등의 수요를 충족시키기 어렵고, 다른 생분해 플라스틱들이 점차 싸지면서 가격 경쟁력 우위를 잃어버리기 때문이다.
4. (2) PLA
PLA(Polylactic Acid; 폴리젖산 또는 폴리락타이드)는 옥수수나 사탕수수와 같은 바이오매스로 생산하는 생분해 폴리에스터이다. 옥수수나 사탕수수 전분을 발효하여 젖산(Lactic Acid)을 만들어 내고, 여기에 화학반응을 가했을 때 PLA의 원재료인 락타이드(Lactide)가 제조된다. 락타이드에 중합 반응을 거치면 PLA가 완성된다.
PLA는 Starch blends가 다른 고분자와 합성임을 감안했을 때 단일 제품 기준으로 가장 큰 시장 규모를 보유하고 있다.
▶ PLA의 장점은 투명성 및 생체적합성이 뛰어나고, 우수한 열 가공성을 보유해 다양한 방식의 가공이 가능해 여러 분야에 두루 쓰일 수 있다. 단점으로는 약한 내열성 및 내충격성, 일반적인 조건에서 분해 속도가 느린 점 등이 있다.
PLA의 2025년까지 CAGR은 7.2%로, 높은 성장세를 보일 것으로 전망된다. 그 이유는 높은 가격경쟁력과 넓은 활용범위에 기인한다. PLA는 생분해 플라스틱 중에서 가장 상용화가 빨랐고, Starch 다음으로 가격이 가장 낮다(kg당 2~3달러). 또한, 우수한 열 가공성으로 인해 다양한 용도로 쓰이고 있어 전방 수요의 증가에 따라 같이 성장할 것으로 전망된다.
4. (3) PBAT 및 PBS
생분해 플라스틱 중 PBAT와 PBS는 화석연료 기반이라는 점에서 앞서 다룬 제품들과는 차별성이 있다.
▶ 바이오매스 기반의 제품들은 원료 곡물에 대한 확보가 우선시 되기 때문에, 전통적인 화학업체들의 독자 진입이 쉽지 않다. 따라서 기존의 석유화학 업체들에게 PBAT와 PBS는 현재 영위하고 있는 사업을 확장하는 선에서 플라스틱 폐기물 문제를 대응할 수 있다는 점이 매력적으로 여겨진다.
PBAT는 아디프산(Adipic Acid)과 BDO, DMT 등으로 이루어진 생분해 플라스틱이다. 장점으로는 우수한 인장 및 인열 강도, 시간에 따른 적절한 생분해도, 뛰어난 가공성 등이 있고, 단점으로는 높은 생산 비용, 낮은 열적 특성 및 강도가 있다. 기존 플라스틱 중에선 LDPE와 유사한 속성을 갖고 있다.
PBS는 석신산(Succinic Acid)과 BDO를 이용하여 제조되며, 100도씨가 넘어가는 용융 온도점을 갖고 있어 내열성이 필요한 분야에 적용이 가능하고, 가공성이 좋아서 공정 적용범위가 넓은 장점이 있다. 단점으로는 높은 생산비용, 약한 물성(가수분해에 대해 낮은 저항성 및 낮은 연성)등이 있다. 기존 플라스틱 중에선 PP와 유사한 속성을 갖고 있다.
각각 전방 수요 비중은 아래와 같다.
PBAT의 CAGR은 6.8%에 달할 것으로 전망되는 반면, PBS의 CAGR은 -0.1% 수준에 그칠 것으로 전망된다.
그 이유로는 전통적인 화학 업체 입장에서 생분해 플라스틱 시장에 진출하고자 할 경우, 화석연료를 기반으로 하는 PBAT를 통해 진출하는 것이 여타 바이오매스 기반의 생분해 플라스틱보다 수월해서, 기존 화학업체들의 PBAT 진출이 보다 활발해질 것으로 예상되기 때문이고, 반면 PBS는 단점으로 꼽히는 약한 물성으로 인해 수요처의 한계로 성장세가 더디고, 다음에 설명할 PHA에 의해 향후 대체될 것으로 전망되기 때문이다.
4. (4) PHA
PHA는 미생물 세포 내에 축적되는 열가소성의 천연 폴리에스터 고분자를 의미한다. 특정 미생물에 설탕이나 식물성 기름을 먹였을 때 미생물이 PHA 물질을 만들어내는데 이를 추출하여 사용하게 되는 것이다. 기존 플라스틱 중에선 PP와 유사한 특성을 갖고 있다. PHA는 순수 미생물 기반으로 제조된다는 관점에서 제품 생산을 위한 공정체계가 여타 제품과 차별화된다.
생분해 플라스틱은 합성방법에 따라 크게 세 가지로 나눌 수 있는데 - (1) 화학 공정을 통해서만 합성, (2) 화학 공정과 바이오 공정을 융합하는 하이브리드 합성, (3) 바이오 공정을 통해서만 합성. 이때, (2)에 PLA, PBAT, PBS, Starch가 속하고, (3)에 PHA가 속하게 된다. 즉, PHA의 공정이 바이오 공정만으로 이뤄졌다는 점은 기존 화학업체들이 진출하기엔 상대적으로 높은 진입장벽으로 작용하고 있음을 시사한다.
▶ PHA의 장점은 생분해를 위한 조건이 상대적으로 가장 용이하고, 구조와 물성을 인위적으로 조절할 수 있다는 점 등이 있다. 다른 생분해 플라스틱은 분해에 특정한 조건들이 필요한데(일정한 온도, 습도 등) PHA는 15~40℃의 상온에서도 분해가 활발히 일어나고, 6개월 전후로 분해가 가능하다. 또, 수온만 맞으면 토양에 매립하지 않아도 해양에서도 생분해가 가능한 특징이 있다.
한편, PHA의 단점으로는 기계적/열적 성질이 불안정해질 수 있다는 점, 여타 제품 대비 높은 생산단가 등을 꼽을 수 있다.
PHA의 전방 수요는 아래와 같다.
PHA의 CAGR은 55.9%로 생분해 플라스틱 중 성장률이 가장 압도적으로 높다.
그 이유는 석화 업체들이 생분해 플라스틱을 만드는 근본적인 동기에서 찾을 수 있다. 앞서 말했듯 생분해 플라스틱을 하게 된 이유는 두 가지 효과(탄소저감, 폐기물 처리)를 노리는 것인데, 우선순위를 따졌을 때, 탄소 저감효과보단 폐기물 처리에 훨씬 더 큰 우선순위가 있기 때문이다. 따라서, 생분해가 제일 잘되고 조건도 용이한 PHA가 가장 성장률이 높을 것으로 전망된다.
≫ 생분해 플라스틱 5 제품을 최종 정리하면 아래 표와 같다.
5. 관련 국내 기업 & 밸류체인 정리
- 국내에선 대표적으로 SKC, LG화학, CJ제일제당이 주요 바이오 플라스틱 사업을 영위하고 있다.
SKC는 완제품 기술 사업으로 PLA를 이용한 필름을 판매하고 있다. PLA를 수입하여 회사가 직접 개발한 이축연신 기술(유연성과 강도가 뛰어나고 인쇄에도 효과적인 필름 제조방식)로 PLA 필름을 제조하여 스타벅스의 베이커리 및 바나나 포장재 및 신선식품용 아이스팩 포장재 등으로 판매하고 있다.
또한, 한국화학연구원으로부터 PBAT 생산기술을 이전받아, 현재 상업생산을 준비하고 있다.
LG화학은 2024년까지 PBAT와 PLA를 상업화할 계획을 갖고 있고, 작년엔 세계 최초로 생분해 신소재(PLH; Poly Lactate Hydracrylate)를 개발했다. 개발한 신소재 PLH는 기존 PLA 대비 유연성이 20배 개선되고, 가공 후에도 투명성을 유지한다는 장점이 있다. 2025년 양산을 목표로 하고 있다.
CJ제일제당은 국내업체 중에서 유일하게 PHA 시장 진출을 준비하고 있다. 2016년에 미국 회사를 인수하여 PHA 관련 연구 시설 및 자산을 획득했으며, 이를 통해 현재 인도네시아에 상업 공장을 건설하고 있다. 2021년에 신설될 해당 설비의 생산능력은 약 5,000톤이다. (PHA 시장에서 가장 큰 업체인 미국의 Danimer의 캐파는 20년 말 1만 톤이다.)
그 외 GS칼텍스, 롯데케미칼, SK이노베이션, SK케미칼 또한 관련 사업을 영위하고 있으나 그 규모가 크지는 않다.
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