친환경적이고 지속가능한 제품에 대한 관심이 증가하고 있는 가운데 재생가능한 폴리우레탄(PU) 소재 제품에 대한 수요도 계속해서 늘고 있다.
한때 알키드(alkyd) 페인트의 천연재료로 사용돼 온 대두, 야자열매, 피마자열매, 해바라기씨 등 천연식물유에서 합성해 내는 바이오폴리올(NOPs)과 설탕(sorbitiol과 sucrose)은 이제 자동차 전장부품 생산을 위한 폴리우레탄(PU)폼을 만드는데 사용되고 있다. 또한 바이오 기반의 폴리에스터-폴리올로 만들어지는 열가소성 PU소재(TPUs)는 스포츠용품, 특히 신발과 의료용 장비 생산에 많이 사용되고 있으며 소비자들의 인기를 누리고 있다.
성능이 우수하고 가격경쟁력에서도 강한 면모를 보이고 있는 바이오 폴리올-폴리우레탄은 특히 재생 가능한 소재라는 면에서 앞으로 친환경제품으로 그 성장이 지속될 것으로 보인다.
자동차 경량화 부품용으로 역할 기대
최근에 등장한 바이오 폴리올은 기존에 사용돼 온 폴리올을 완전히 대신하는 ‘대체품’으로 부각될 것으로 보인다. 우선 바이오 폴리올의 장점은 기존의 폴리올과 화학구조나 재원에서 꼭 같으면서도 화학제품이 아니라 재생 가능한 천연소재라는 점이다. 따라서 보다 더 다양한 종류의 제품을 만드는데 사용될 수 있을 것으로 전망된다.
바이오 폴리올의 소재로는 기존의 천연식물유와 설탕뿐만 아니라 숙신산(또는 호박산, succinic acid)과, 이보다 분자량이 큰 ODDA(C18, octadecanedioic acid)가 사용되고 있다. 뿐만 아니라 1,3-프로판디올(propanediol PDO), 1,4-부탄디올(buthanediol BDO), 그리고 이가산(二價酸 diacid) 등으로 만든 폴리올도 사용되고 있다.
전문가들은 PU와 폴리올의 재원이 아주 밀접한 연관성이 있기 때문에 바이오 폴리올도 기존과 마찬가지로 PU소재에 적용하는데 문제점이 없을 것으로 판단하고 있다. 이 또한 바이오 폴리올이 갖고 있는 커다란 장점 가운데 하나다”
“따라서 이러한 소재의 개발로 인해 친환경적인 이점은 물론, 바이오 폴리올 시장이 더욱 활성화 될 것으로 확신한다. 또한 가공처리 과정에서도 이전과 비교해서 거의 같거나 비슷하기 때문에 그 어떤 특별한 개선 작업이 필요하지 않다”고 미국의 신소재업체 노보머(Novomer)의 피터 셰퍼드(Peter Shepard) 대표가 말했다.
셰퍼드 대표는 새로 개발된 폴리올-폴리우레탄은 “만약 ‘그린 프리미엄(green premium)’으로 값을 올리려다가는 시장 확보에서 낭패를 볼 수도 있다”고 지적하면서 “대체품목이 될 기존의 제품과 비슷한 가격을 제시해야만 성공을 거둘 수가 있다”고 말했다.
지속 가능한 친환경적 제품개발이 전반적인 흐름
Elevance Renewable Sciences社의 셀린 디프란시아(Celene DiFrancia) 수석 부회장은 “오늘날 시장을 좀 더 확보하려면 초점을 지속 가능한 상품 개발에 모아야 한다”고 설명하면서 “이러한 아이디어는 특별한 고급 폴리올 제품에도 적용돼야 할 것”이라고 조언했다.
디프란시아 부회장은 또한 “성공하기 위해서는 기술은 제품에 가치를 부여할 수 있어야 한다”고 주장하면서 “NOP 대체품목들은 친환경적인 상품으로 관심을 끌고 있을 뿐만 아니라 부가가치를 창출해 낼 수 있으며, 또한 꼭 같은 환경 하에서 가격경쟁력도 높다”고 말했다.
한편 옥수수 발효를 통해 PDO를 생산하고 있는 미국의 거대 화학회사 듀폰(Dupont)은 순도 100%의 바이오 폴리에스테르-폴리올을 생산하기 위해 바이오 숙신산과 그 외 다른 바이오 화학제품 제조업체들과의 제휴를 통한 공동 작업을 진행하고 있다. 미국의 재생 화학원료 전문기업인 제노마티카(Genomatica)는 작물로 만든 설탕을 발효시켜 바이오 BDO를 상업적으로 생산한 첫 회사다. 그러나 지금은 독일의 글로벌 화학회사 바스프(BASF)를 포함한 다른 회사들도 퓨락(Purac), 미리안트(Myriant), 바이오앰버(BioAmber), 그리고 메타볼릭스(Metabolix)와 같은 글로벌 업체들과의 합작투자를 통해 이러한 생산 및 가공처리를 하고 있다.
바스프는 바이오 숙신산을 생산하고 있으며, 바이오앰버와 레베르디아(Reverdia)는 이미 바이오 숙신산을 시장에 출시했다. 바이오앰버社는 폴리프로필렌 숙신산염(polypropylenesuccinate(PPS)과 폴리부틸렌 숙신산염(PBS) 등으로 만든 100% 재생 가능한 폴리에스테르-폴리올 제품이 기능성과 지속 가능성에서 뛰어나며 경제성도 함께 갖추고 있다고 주장했다.
레베르디아의 제품 ‘바이오 숙시니엄(Biosuccinium)’은 TPU와 미세포구조의 PU와 같이 역학적, 그리고 화학적인 면에서 뛰어난 기능을 갖추고 있다. 따라서 기존의 석유를 원료로 한 PU 생산에 사용되는 아디프산(adipic acid)과 같은 전통적인 이가산을 대체할 수 있는 잠재력이 있다는 게 전문가들의 평가다.
Renewable Sciences社는 2013년 9월 ‘Inherent Ci8’이라는 이가산의 생산을 시작했다. ODDA로 만든 폴리에스터-폴리올은 수분흡착력, 화학적 내구성, 선명도, 전기적 특성(electrical properties), 그리고 이중재료(dissimilar materials, 유사하지 않은 물질) 간의 접착력이라는 차원에서 기존의 TPU 소재에 커다란 도전이 될 것으로 예상된다.
미국 보스턴에 위치한 신소재 벤처기업인 노보머(Novomer)는 지난 5월 PU제품에 사용될 ‘Converge’라는 폴리프로필렌 카보네이트(PPC) 폴리올을 생산하기 시작했다. 폐 CO2와 에폭시드(epoxide) 화합물의 중합반응(polymerization)을 통해 상업적으로 이용할 수 있는 수천 톤의 생산능력을 갖추고 있다.
‘CO2 드림 프로덕션’ 프로젝트 성공으로 탄력 받아
폴리올은 매트리스 소비자들을 타깃으로 탄력성이 풍부한 PU 폼을 생산하기 위해 고안된 소재다. ‘CO2 드림 프로덕션(Dream Production)’ 프로젝트가 끝나자 독일의 바이엘 머티리얼사이언스(BMS)社는 2016년부터 CO2기반의 폴리올을 본격적으로 시장에 출시할 계획이다. 이 회사는 현재 소규모의 예비실험용의 분량 생산에 만족하고 있다. 그러나 대규모의 산업용 가공생산품을 만들어 낼 계획이다. (역자 주: ‘CO2 드림 프로덕션’은 BMS가 독일 정부의 지원 하에 독일 아헨공과대학과 에너지회사 RWE와 함께 이산화탄소에서 탄소만 추출해 폴리우레탄 폼의 기초물질인 폴리올 전구체를 생산하는 기술을 개발하는 프로젝트다. 시험용으로 생산된 폴리우레탄 폼은 자체 실험결과 안전성이 뛰어나고 기존에 사용되던 화석연료로 생산한 소재와 동일할 정도로 우수한 성능을 가지고 있는 것으로 확인됐다)
폴리에스터 우레탄 원료인 바이오 기반의 이소시아네이트(isocyanate) 개발 역시 많은 관심의 대상이다. 왜냐하면 만약 개발이 성공적으로 이루어진다면 100% 바이오 PU를 얻을 수 있기 때문이다. 또한 이소시아네이트가 전혀 들어가지 않은 소재 개발도 연구 중에 있다. 성공적으로 개발이 이루어 진다면 그 때는 PU제품에서 이소시아네이트와 관련된 유독성 문제는 사라질 수 있기 때문이다.
*출처:한국바이오안전성정보센터(KBCH)『바이오화학산업동향(TWB)』
