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롯데케미칼과 CJ제일제당이 PLA(Polylactic Acid)를 자체 기술로 2019년까지 상업화할 계획이다.
CJ제일제당은 2011-2013년 환경부가 주관한 「바이오매스 유래 기질을 이용한 PLA 원료물질 제조공정 기술개발」 과제를 수행해 Lactic Acid의 균주와 Lactide 합성 및 정제기술을 개발했다.
PLA 원료 개발에 이어 2014년 산업통상자원부 주관으로 「바이오플라스틱(PLA) 원스톱 융합공정 기술개발」 과제에 롯데케미칼, 대구광역시, 대구테크노파크, 바이오헬릭스, 신풍섬유, 오성전자, 그린케미칼 등과 공동참여하며 2019년 상업화를 추진하고 있다.
하지만, PLA는 성장이 둔화되고 있고 내열성, 내충격성 등을 회복하지 못하면 상업화에 성공해도 시장 진입이 어려울 것으로 예상되고 있다.
NatureWorks는 북미, 동남아에서 원료부터 수직계열화를 구축하고 메탄(Methane) 등을 원료로 사용하기 위해 R&D (연구개발) 투자를 지속하면서 코스트 절감에 총력을 기울이고 있다.
CJ제일제당과 롯데케미칼은 2017년까지 시제품 생산을 완료하고 2018년부터 응용제품에 투입할 예정이나 코스트 절감 및 품질 개선이 동반되지 않으면 파일럿 테스트에 그칠 것으로 우려되고 있다.
NatureWorks, PLA 시장 30년간 독점
PLA는 1990년대 초 DuPont, Chronopol, Cargill이 상업화했으며 Cargill과 PTT Global Chemical이 합작한 NatureWorks가 글로벌 시장을 장악하고 있다.
글로벌 시장규모는 18만7000톤 수준으로 NatureWorks 15만톤, 중국 Hisun Biomaterials 1만5000톤, 네덜란드 Synbra Technology 5000톤으로 집계되고 있다.
NatureWorks는 PLA의 원료인 Lactic Acid 및 Lactide를 자체 수급하고 있으며, Purac은 PLA의 모노머인 Lactide를 7만5000톤 생산해 Synbra Technology 등에게 공급하고 있다.
Hisun Biomaterials는 Purac, Synbra Technology로부터 Lactic Acid 및 Lactide를 공급받고 있다.
PLA는 유럽 수요가 대부분으로 공략할 필요성이 제기되고 있으나 메이저가 장악하고 있을 뿐만 아니라 저가 공세 및 품질 개선이 요구되고 있어 진입이 어려운 것으로 판단된다.
유럽은 정책적으로 바이오기업을 지원하고 있어 독일, 이태리, 영국을 중심으로 성장세를 계속하고 있다.
아시아는 중국의 성장세가 가파를 것으로 예상되나 최근 환경문제에 대한 중요성을 최근 인식하기 시작해 일본 외에는 수요가 미미한 것으로 파악되고 있다.
하지만, 아시아 시장은 메이저들이 투자를 확대하고 있어 2020년까지 5년 동안 연평균 20% 수준 성장할 것으로 예상되고 있다.
국내 PLA 수요는 5000톤 수준으로 국산화를 시도하고 있으나 상업화할 기술까지 도달하지 못한 것으로 판단되고 있다.
CJ-롯데, 정부와 PLA 상업화에 500억원 투입
CJ제일제당과 롯데케미칼은 PLA 상업화를 위해 대구광역시 등과 바이오화학 산업화 발전협약을 위한 양해각서(MOU)를 체결했다.
2014년 10월부터 2019년 9월까지 정부 157억원, 지방자치단체 75억원, 민간자본 235억원이 투입되며 PLA 상업화와 성능 개선 후 응용제품에 투입할 예정이다.
CJ제일제당은 전체 사업을 총괄하며 참여기관들의 협력체계를 주도하고 PLA의 원료인 Lactic Acid 발효, 고순도 정제, Lactide 합성 기술 구축 등의 R&D를 수행한다.
롯데케미칼은 Lactide 정제, PLA 중합, 고내열성을 개선하고, 바이오헬릭스는 쇄미, 쌀겨, 볏짚, 쌀 도정 부산물 등 저렴한 바이오자원을 이용해 당화·발효율을 향상시킨다.
롯데케미칼은 상업규모의 엔지니어링 디자인패키지를 확보하면 장기적으로 6만톤 이상 바이오플래스틱을 생산할 수 있는 상용화 공장을 구축할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
대구시와 대구테크노파크 바이오헬스융합센터는 실증공장 조성하고 부지를 관리하며 신풍섬유, 오성전자, 그린케미칼 등 지역 중소기업과 협력해 친환경 의료용 섬유, 친환경 IT 제품, 생분해성 포장재 등을 생산할 계획이다.
CJ제일제당, PDLA 생산해야 시장경쟁력 확보
CJ제일제당은 PLA를 상업화하기 위해 원료인 Lactic Acid와 Lactide를 개발했으며 정부 과제를 통해 실증 작업을 계속하고 있다.
상대적으로 부족했던 내열성 및 내충격성을 보완하기 위해 PLLA(Poly L-lactic Acid)와 PDLA(Poly D-lactic Acid)를 50대50으로 혼합할 계획이다.
PLLA계는 NatureWorks가 생산하며 기존 폴리머에 비해 내열성, 내충격성 등이 부족해 응용제품 개발이 어려웠던 것으로 파악되고 있다.
CJ제일제당은 PDLA가 내열성, 내충격성을 보완할 수 있다고 판단하고 롯데케미칼과 함께 성능 개선에 주력하고 있다.
PLA는 내열온도가 50-60도 수준으로 취약해 100도 이상으로 개선할 필요성이 나타나고 있으며 CJ제일제당과 롯데케미칼은 80도 수준까지 내열성을 보완한 것으로 알려졌다.
대부분 식품포장용 필름, 비닐봉투 등에 공급하지만 내열성, 내충격성 등이 강화되면 섬유, 가전제품 채용이 확대될 것으로 기대되고 있다.
당화·발효 공정에서는 수율을 개선하기 위해 중성 발효를 산성으로 전환할 필요성이 나타나고 있어 pH 3에서 발효가 가능한 기술을 연구하고 있다.
CJ제일제당과 롯데케미칼은 성능 개선과 코스트 절감을 동시에 완료하기 위해 Lactic Acid-Lactide-PLA로 이어지는 전체공정을 수직계열화할 예정이다.
내열성·내충격성 보완하면 PC·ABS 대체 가능
CJ제일제당과 롯데케미칼은 PLA 시제품을 생산하고 2019년 응용제품을 생산할 예정이다.
기존 PLA는 내열성과 충격강도가 기존 폴리머에 비해 떨어져 일부 생분해성제품 외에는 적극적인 응용이 어려웠으나 내열성과 내충격성을 개선하면 투입이 가능할 것으로 기대되고 있다.
신풍섬유는 기존 면, 폴리에스터(Polyester) 섬유 대비 흡수성이 우수한 PLA 친환경섬유를 개발하고, 오성전자는 가정에서 사용하는 PLA 전자제품 소재 개발, 그린케미칼은 내열성과 충격강도가 개선된 식품용 내열 포장재 개발할 예정이다.
PLA 섬유는 기존 면, 폴리에스터에 비해 흡수성이 뛰어나 신축성 직물을 개발해 의료용. 유아용으로 투입할 예정이다.
PLA는 난연성을 보유해 전자소재로서 적합성이 높으며 내열성, 충격강도, 결정화속도를 보완하면 전자제품에 적용이 가능해 PC(Polycarbonate), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 등을 대체할 것으로 기대되고 있다.
정부 과제 외에도 PLA는 생체적합성 의료용 소재, 3D 프린팅 필라멘트에도 적용이 확대되고 있다.
의료용 소재는 신체 거부반응을 최소화하는 생체적합성이 중요하며 최근 체내에서 분해, 흡수, 배출 등이 가능한 생체분해성 소재에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.
생체분해성 의료용 소재는 흡수성 봉합사, 조직접합제, 골 접합재, 약물전달체 등 다양하게 응용되고 있다.
3D 프린트는 잉크 대신 필라멘트를 투입해 출력하고 있고 결정화 속도와 내열성이 향상된 PLA를 적용하면 3D 프린팅 필라멘트 시장에서 성장이 가능할 것으로 기대되고 있다.
PLA 응용 비중은 포장재 70%, 섬유 28% 수준이나 2020년까지 섬유, 자동차, 건축, 전자제품 등 다양한 소재로 응용 가능할 것으로 예상되며 주로 신선·가공제품 포장, 필름 및 라벨, 발포제품, 자동차 내장재 등 응용제품 개발이 기대되고 있다.
롯데케미칼, 대규모화로 코스트 절감 “과욕”
Natureworks는 코스트 절감을 위해 PLA 원료 개발을 선도하고 있다.
Natureworks는 100만달러를 투입해 2016년 초 연구소를 개소했으며 온실가스인 메탄으로 Lactc Acid를 생산하는 발효공정을 개발하고 있다.
메탄 베이스 Lactic Acid는 NatureWorks와 Calysta Energy가 2013년부터 협력해 새로운 촉매를 개발해 랩 테스트에서 생산이 가능한 것으로 검증했으며 2016년부터 상업화에 돌입한다.
NatureWorks는 2018년까지 미네소타에 2만5000평방피트의 파일럿 공장을 건설하고 매출 5000만달러의 준상업화 공장을 건설해 2025년까지 메탄 베이스 Lactic Acid를 상업화할 계획이다.
PLA는 제조코스트 절감을 통해 석유화학 베이스 폴리머와의 경쟁에서 우위를 점할 필요성이 제기되고 있어 원료에서 생산까지 이어지는 수직계열화 및 대량생산이 검토되고 있다.
동남아, 브라질, 북미, 중국 등은 사탕수수, 옥수수 등 원료를 직접 PLA에 투입해 제조코스트를 절감하고 있으나 국내기업들은 기초원료를 수입에 의존하고 있기 때문에 대량생산 및 공정개선에 초점을 맞추고 있다.
특히, 동남아는 팜유와 사탕수수를 바이오화학 원료를 사용하는데 관심이 높아 타이, 말레이지아, 인도네시아 정부가 정책적으로 육성하고 있다.
롯데케미칼도 PLA를 대량생산으로 상업화하기 위해 원료 수급이 가능한 지역에 공장을 건설해야 할 것으로 요구되고 있다.
롯데케미칼은 장기적으로 PLA 500톤 파일럿 공장이 상업화되면 최대 6만톤 공장을 구축할 방침이나 국내에 PLA 공장을 건설하면 제조코스트 절감이 어려울 것으로 판단되고 있다.
롯데케미칼은 엔지니어링 디자인을 통해 파일럿 공장을 건설하고 과제 이후 대규모화 투자도 검토하고 있으나 수율 문제로 대량생산에 한계를 나타내고 있어 2019년까지 정부과제 성과가 주목되고 있다.
국내수요는 5000톤에 불과해 1만톤 수준의 공장을 건설한 후 점차 생산능력을 확대해 수익성 악화를 최소화할 필요성이 제기되고 있다.
하지만, 코스트 경쟁에서 우위를 점하기 위해서는 대량생산이 필수적인 것으로 나타나 투자전략을 고심하고 있는 것으로 알려졌다.
롯데케미칼 관계자는 “파일럿 공장을 정상적으로 가동하는데 집중할 계획”이라며 “대규모 공장 투자는 구체적으로 가시화된 것이 없다”고 밝혔다.
CJ제일제당은 원료를 상업화하는데 성공했으나 높은 코스트를 줄이기 위해 롯데케미칼과 연구를 계속하고 있는 것으로 알려졌다.
2017년 공장 건설이 완료돼 2018년 조기생산이 가능할 것으로 기대했으나 엔지니어링 디자인에 차질이 발생해 계획대로 2019년 상업화가 가능할 것으로 예상되고 있다.
국내수요는 10년 동안 5000톤 수준에 머물러 있고 성장세가 둔화돼 수출이 불가피하나 기존 PLA에 비해 가격이 저렴하거나 품질이 확보되지 않으면 시장에서 도태될 가능성이 높은 것으로 지적되고 있다.
시장 관계자는 “NatureWorks도 10년 동안 증설하지 않았고 후발기업들도 1만톤 수준에서 생산을 검토하고 있다”며 “6만톤 생산이 상업화되면 규모화로 코스트 절감이 가능하지만 시장 확보가 어려워 풀가동이 힘들 것”이라고 밝혔다.
CJ제일제당과 롯데케미칼은 기존 PLA 가격이 kg당 3000-4000원을 유지하고 있어 4000원대 수준으로 상업화가 가능하면 시장 진입이 가능할 것으로 판단하고 있다.
대부분 바이오플래스틱 생산기업들이 1000톤 미만 파일럿 테스트에서 생산능력을 확대하고 있어 롯데케미칼도 대량생산을 위해서는 점차적으로 생산능력을 확대해야 할 것으로 판단되고 있다. <허웅 기자: hw@chemlocus.com>
표, 그래프 : <세계 PLA 생산능력>
<화학저널 2016년 10월 24·31일>
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