산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_22.8 특집 요약 (p35-61)

수지의 바이오 시프트
탄소중립의 실천 모드 돌입

제조의 최전선에서 재료의 대폭적인 전환이 진행되고 있다. 탄소중립(온난화가스 배출량 실질 제로) 선언이 실천 모드로 들어가면서 재료 분야에서 이산화탄소를 대폭 삭감하는 움직임이 나타난 것이다. 가장 주목받는 것이 플라스틱(수지)이다.

석유 유래 원료에서 바이오매스 유래 원료로 대체하는 것이 필수가 되고 있다. 제조하기(재료업체 시점), 사용하기(사용자 시점), 되돌리기(생분해성 시점)의 3가지 시점에서 ‘바이오화’되는 수지의 최신 기술을 소개한다.

Part 1. 허락되지 않는 지연
도요타 공장이 탈탄소 시기 앞당기고, 재료도 설계도 바이오 매스로

“앞으로는 바이오 플라스틱을 적극적으로 채용해 나간다”(도요타자동차에서 재료 기술을 담당하는 간부 사원). 자동차 업체가 재료의 대변혁을 추진하고 있다. 탄소중립을 실현하기 위해서는 피할 수 없게 되었기 때문이다.

일본의 자동차 업체는 2050년까지 탄소중립을 실현한다고 이미 발표했다. 하지만 그 달성 시기 목표를 앞당기기 위해 움직이고 있다. 예를 들어 도요타자동차는 2021년 6월에 '2035년까지 세계의 자사 공장에서 이산화탄소(CO₂) 배출을 실질적으로 제로로 만들겠다'고 선언했다. 서둘러 달성 시기 목표를 15년이나 앞당긴 것이다.

이 목표를 앞당기기 위해 선택된 것이 수지의 바이오화이다. 식물을 비롯해 재생 가능한 생물 유래의 유기성 자원(화석자원 제외)인 바이오매스를 적극적으로 원료로 사용하는, 이른바 ‘수지의 바이오 시프트’가 자동차 업계의 최전선에서 일어나고 있는 것이다.

-- '반년 후에는 정량 목표가 나온다' --
목적은 바로 CO₂ 배출량의 대폭적인 삭감에 있다. “자동차의 제조 단계에서 발생하는 CO₂ 배출량의 90% 이상은 재료나 부품의 원료가 차지하고 있다. 따라서 수지를 비롯해 원료 단계부터 CO₂ 배출량을 억제하지 않으면, 자동차 업체는 탄소중립을 실현할 수 없는 것이 현실이다”(스미토모 베이크라이트).

자동차 업체의 이러한 움직임을 내다보고 1차 부품업체들은 ‘수지 단계부터 CO₂ 배출량을 낮추지 않으면 조만간 자동차 업체의 채용/조달 기준을 충족시킬 수 없게 될 것이다’라고 생각하기 시작했다. “자동차 업체가 1차 부품 업체에 대해 CO₂ 삭감에 관한 구체적인 스케줄을 제시하는 것은 지금부터다. 하지만 명확한 정량 목표는 올해(22년)부터 내년(23년)에 걸쳐 나올 것이다”(스미토모 베이크라이트).

탄소중립의 실현에 대한 목표가 선언에서 실천 단계로 전환된 지금, 수지의 바이오 시프트는 가속화될 뿐이다.

-- 고객의 뜨거운 시선 --
바이오매스 재료를 사용한 수지를 채용하고 싶다는 목소리가 나오는 것은 자동차 업계에 국한되지 않는다. 예를 들면, 바이오 폴리카보네이트(PC)를 전개하는 미쓰비시 케미칼은 “전기 업계에서는 스마트폰이나 노트북, 프린터의 케이스 등에서 문의가 증가하고 있다.

선글라스는 환경 문제에 민감한 고객을 위한 제품으로, 다소 가격이 비싸더라도 구매하는 고객이 있다. 은행의 캐시 트레이와 같이 고객의 눈에 노출되는 제품은, 친환경 기업임을 홍보할 수 있기 때문에 적극적으로 채용하는 경향이 보인다”라고 말한다.

고객에 대해 제품의 매력을 높이는 요소가 되기도 한다. 사실 화학업체인 DIC는 “바이오 플라스틱은 (영업상) 매우 인상적이고 기억하기 쉬운 말이다. 자동차나 가전, 가구 분야에서 제품의 어필 포인트가 되고 있다”라고 말한다.

일반 소비자에게 상품을 판매하는 슈퍼나 양판점과 같은 소매업계에서는 “환경 부하가 낮은 재료를 사용해 주세요”라는 고객의 소리가 용기 업체나 성형 업체에 전해지고 있다. 석유 유래 플라스틱에 대한 역풍은 일반 소비자 사이에도 불기 시작했다.

엔지니어링 플라스틱을 개발하는 미쓰비시 엔지니어링 플라스틱스(도쿄)는, 고객의 개발 현장에서 엔지니어링 플라스틱에도 바이오화를 요구하는 목소리가 증가하기 시작했다고 말한다. 바이오 시프트는 강도나 내열성이 높은 엔지니어링 플라스틱에까지 확산되고 있는 것이다.

“10여 년 전에는 바이오 플라스틱 이야기를 해도 가격이 비싸다는 사실을 알면 고객(자동차 업체나 1차 부품업체)은 외면했다. 그러나 지금은 오히려 바이오 플라스틱과 같은 이야기에 적극적이다”라며 고객의 변화에 놀라고 있다.

-- 앞질러 개발하는 재료 업체 --
이러한 비즈니스 기회를 확실히 파악하기 위해 재료 업체는 고객의 표면적/잠재적인 요구에 부응하는 새로운 재료를 속속 개발, 제공하기 시작했다. 스미토모 베이크라이트는 "직접적인 고객인 1차 부품업체보다 앞질러, 그 위에 위치하는 자동차 업체들의 동향을 보고 개발을 진행하고 있다"라고 말했다.

미쓰비시 케미칼은 “탄소중립에 대한 공헌이 회사의 방침이다. 앞으로는 바이오에 대한 대응이 제품(재료) 설계의 토대가 될 것이다”라고 말한다. 재료 업체는 지금까지 석유 유래 플라스틱의 개발에 주력해 왔지만, 미쓰비시 케미칼은 석유 유래 제품을 줄여 나간다.

주력 제품에 대해서도 가능한 것은 전부 바꿔 나간다. “비용이 높아져도 바이오화를 진행시킨다. 그리고 그만큼의 가치를 인정받을 수 있도록 해야 한다”(미쓰비시 케미칼).

천연물인 바이오매스 유래 원료는 석유 유래 원료와 비교해 복잡한 분자 구조의 화합물이 많아 다른 화합물로 유도하기 어렵다. 이 기술 개발의 번거로움이 비용을 높이는 큰 요인이 되고 있다.

그러나 많은 재료 업체는 “오랜 동안의 석유 유래 플라스틱 개발로 길러 온 분자설계 기술이나 모노머의 합성 기술을 보유하고 있다. 이러한 기술들을 응용해 보다 효율적으로 바이오화에 대응할 수 있게 되었다”(DIC). 재료 업체들은 재료의 대변혁에 맞춘 ‘체질 개선’을 착착 진행하고 있다.

-- 유저의 활용도 능숙하게 --
이러한 신재료의 등장과 더불어 유저 측의 활용 기술 수준도 향상되고 있다. 예를 들면, 스즈키나 마쓰다는 바이오 PC를 사용한 자동차 부품을 적극적으로 채용하고 있다. 바이오 PC 가격은 범용 수지인 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)의 34배 수준으로 비싸지만 ‘도장’ 없이 사출 성형만 한 마감으로, 오히려 전체적인 비용을 낮추고 있다.

그 때문에 바이오 PC의 특성을 잘 이끌어내면서 도장을 생략해도 성립하는 고품위의 외관이 되도록 디자인이나 설계에 많은 연구를 하고 있다.

제조 공정부터 비용을 억제하려는 대응도 하고 있다. 도요타방직은 케나프 섬유와 폴리프로필렌(PP)을 섞어 만드는 자동차 내장재 전용의 발포 보드 재료(발포성 케나프 보드)를 개발한다. 제조 공정에서 초음파를 활용하여 발포제의 마이크로 캡슐을 보드 내에 균일하게 분산시키는 건식 함침 기술을 개발. 탈수/건조 공정을 불필요하게 하여 제조 시 비용 절감 및 폐수 리스를 실현하였다.

이 외에 파나소닉은 셀룰로오스 강화 플라스틱을 개발해 자사의 청소기 등에 채용하고 있다.

-- 궁극은 생분해로 자연으로 되돌리는 것 --
CO₂ 배출량의 삭감이 기대되는 수지의 바이오화가 진행됨에 따라, 흙이나 바닷속 등에서 CO₂와 물로 분해되는 생분해성 플라스틱에 대한 주목도도 증가하기 시작했다. 기존의 해양 플라스틱 쓰레기 문제에 더해 일본에서는 19년 용기 포장 재활용법 개정과 22년 4월 1일 '플라스틱 관련 자원순환 촉진 등에 관한 법률(플라스틱 자원순환법)'의 시행이 크다.

전자는 ‘비닐봉투의 유료화’, 후자는 ‘일회용 숟가락의 유료화’로 일반인에게 널리 알려지게 되었다. 이것들을 계기로 일본바이오 플라스틱협회(JBPA)가 교부하는 바이오 플라스틱의 인증 마크는 신청 건수가 급증했다고 한다.

그 기세는 국내에 그치지 않는다. 생분해성 플라스틱의 세계 시장은 예상을 웃도는 속도로 성장하고 있다. 유럽바이오플라스틱협회(EBPA)는 21년 세계 생분해성 플라스틱 생산 능력이 약 155만t이라는 전망을 내놓았다.

이는 20년에 발표한 예상을 14% 정도 웃도는 수치다. 게다가 EBPA는 22년 이후 예상도 대폭 상향 조정하였다. 예를 들면, 25년의 생산 능력 예상은 20년에 발표한 180만t에서 21년에는 458만t으로 약 2.5배 늘었다.

-- 국산 생분해 랩, 세계에서의 약진에 기대 --
생분해성 플라스틱의 대표격인 폴리유산(PLA)이나 해수 중에서도 분해되는 높은 분해 성능이 특징인 폴리-3-하이드록시부티레이트-3-하이드록시헥사노에이트 (PHBH)에서는 세계 시장에서도 활약을 기대할 수 있는 국산 소재가 양산을 앞두고 있다.

화학업체인 가네카는 19년 12월부터 연간 5,000t 규모의 실증 플랜트에서 PHBH 생산을 시작해 지금까지 나이프, 포크, 스푼 등의 커트레이 제품에 응용해 왔다. 현재는 “유럽이나 미국의 고객과 연간 1,000t 규모의 대형 안건을 진행하고 있는 중이다”(가네카의 미와(三輪) 이사). 24년에는 연간 2만t, 30년에는 10만~20만t으로의 증산을 계획하고 있다.

제지 업체인 오지 홀딩스(王子 Holdings)는 제지 기술을 응용해 수목에서 추출한 펄프를 원료로 한 PLA나 바이오 폴리에틸렌의 합성에 성공. 펄프는 옥수수나 사탕수수 같은 식용식물과 달리 식량 위기에 영향을 주지 않는다는 점에서 보급을 바라는 목소리가 크다.

기존의 제지용 설비를 활용할 수 있기 때문에 초기 투자를 대폭 줄일 수 있고 가격을 낮출 수 있는 장점도 있다. 25년의 사업화를 목표하고 있다.

수지 제품은 대체할 수 있는 것은 점점 바이오화하고 있고, 도저히 바꿀 수 없는 석유 유래 플라스틱에 대해서는 철저히 재활용을 하고 있다. 이 흐름을 타지 못하는 기업은 뒤처지는 시대가 왔다.

Part 2. 제조하는 기술
신소재로 바이오 시프트를 개척, 탈탄소 물결에 재료 업체 빠르게 대응

신소재 개발에는 오랜 시간이 필요하다. 몇 년에서 십 수 년의 개발 기간도 흔하다. 때문에 재료 업체는 미래에 필요한 소재를 마음껏 상상하며, 항상 앞서는 연구 개발을 진행시키고 있다.

Part 3. 사용하는 기술
치환만으로는 실현 불가, 설계 제조의 활용에 지혜를 모으다

재료를 사용하는 제조업체 입장에서도 피할 수 없는 바이오 시프트. 하지만 바이오 플라스틱이 있다고 해서 석유 유래 재료를 단순히 대체할 수 있는 것은 아니다.

Part 4. 되돌리는 기술
지구온난화와 해양 쓰레기 모두에 대응, 일본의 생분해 플라스틱에 세계가 주목

세 번째인 바이오 플라스틱 열풍. 그 중에서도 환경 문제 대책으로 가장 바람직한 소재가 바이오매스 유래 생분해성 플라스틱이다. 구체적으로는 폴리유산(PLA)이나 폴리-3-하이드록시브틸레이트-3-하이드록시헥사노에이트(PHBH)가 해당된다.

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