플라스틱 쓰레기와 미세플라스틱에 의한 생태계의 위협이 대두되면서, 기존의 플라스틱을 대체하기 위한 다양한 해결방법들이 모색되고 있다. 그중에 플라스틱의 가공성, 내구성, 기계적 성질을 유지하면서 추가로, 분해성이라는 기능이 부가되어 미세플라스틱의 발생없이 자연분해가 될 수 있는 생분해성 플라스틱의 수요가 증가하고, 이에 따른 개발 연구 역시 빠른 속도로 확대되고 있다.

초기 분해성 플라스틱의 개발은 기존의 플라스틱에 전분과 같이 자연적으로 분해되는 물질을 혼합한 생붕괴성 플라스틱으로 시작하였으나, 최근에는 천연의 식물자원을 사용하고, 자연계 내에서 미생물에 의해 물과 이산화탄소로 완전히 분해될 수 있는 2세대 생분해성 플라스틱이 주류를 이루고 있다. 하지만, 플라스틱의 물성, 제조 단가 측면에서 기존 석유기반 플라스틱 소재들의 장점을 갖지 못하여 활용성 면에서 많은 제한이 있는 것 또한 사실이다.

현재 실용화 되고 있는 생분해 플라스틱은 지방족 폴리에스테르 및 전분과 지방족 폴리에스테르를 혼합한 플라스틱들이고, 이 중 가장 잘 알려진 PLA, PHA, PBS에 대한 연구가 활발하다. 따라서 멀지 않은 미래에 경제성과 산업성, 그리고 활용성이 우수한 바이오 플라스틱 소재들이 시장에 다수 등장할 것으로 예측된다. 그리고 이를 활용하여 지속 가능한 순환형 플라스틱 대체재의 생산 시스템이 구축 될 수 있도록 중장기적인 과학기술정책이 필요한 시점이다.

이에 본지에서는 5개 섹션에 걸쳐 연재함으로 국내 및 해외의 플라스틱 제조, 소비, 재활용, 환경오염 등 플라스틱 산업과 관련된 실태를 알리고 함께 고민하며 현안 해결 방법 찾기에 초점을 맞추고자 한다.

자료 제공: 한국과학기술한림원

Ⅰ. 플라스틱의 종류와 오염실태

1. 플라스틱 개요

가. 플라스틱의 정의

플라스틱(plastic)은 그리스어 플라스티코스(plastikos)에서 유래한 것으로, ‘조형이 가능한’ 또는 ‘금형으로 가공이 가능한’이라는 의미를 지니고 있다(진정일, 2013). 원하는 모양으로 가공이 가능한 물질을 뜻하는 것으로 인류가 오랫동안 사용해 왔던 전통적인 소재인 돌, 나무, 금속, 유리에 비해 가공성이 뛰어났기 때문에 이러한 명칭이 사용된 것으로 보인다.

플라스틱은 탄화수소 혹은 바이오매스(biomass)1)를 원료로 가공공정을 거쳐 제조한 유기합성고분자화합물(synthetic polymer)2)을 통칭하는 광의의 개념으로 사용되기도 하고, 협의의 개념으로 합성고분자화합물 중 합성수지(synthetic resin) 혹은 합성수지와 합성섬유만을 지칭하는 개념으로 사용되기도 한다. 해양의 미세플라스틱 오염 등을 지칭할 경우 플라스틱은 합성수지와 합성섬유를 포괄하는 개념으로 사용되고 있다.3) 본 보고서에서 플라스틱은 별도의 언급이 없을 경우에는 합성수지를 지칭하는 용어로 사용하고, 합성수지와 합성섬유, 합성고무를 포괄할 경우에는 합성고분자화합물이라는 용어를 사용하도록 한다(<그림 1.1> 참조).

고분자화합물은 분자량이 10,000 이상인 화합물로서, 천연고분자화합물과 합성고분자화합물로 나눌 수 있다. 합성고분자 화합물은 합성수지, 합성섬유, 합성고무로 세분된다. 현재 우리가 사용하는 합성고분자화합물은 대부분 석유를 원료로 만든 것으로 석유를 정제하는 과정에서 발생한 나프타(납사)를 분해하여 에틸렌, 프로필렌 등 기초유분을 생산한 후 중합반응 등의 공정을 거쳐 다양한 합성고분자화합물을 생산한다. 합성고분자화합물은 각종 생활용품에서부터 컴퓨터, 자동차, 건설 등에 이르기까지 다양한 용도로 사용되고 있다(<그림 1.2> 참조).

플라스틱은 뛰어난 기능성으로 인해 ‘신이 내려준 물질’ 혹은 ‘기적의 소재’라는 찬사를 들으며 산업과 생활의 각 분야에서 기존의 천연소재를 대체하여 광범위하게 사용되고 있으며, 사용범위와 사용량이 지속적으로 확대되고 있다.

인류의 역사를 석기시대, 청동기시대, 철기시대로 구분한다면, 현대는 플라스틱 시대라고 말할 수 있을 정도로 플라스틱은 현대문명을 지탱하는 핵심소재로 사용되고 있다.

나. 플라스틱의 종류

플라스틱 분자구조의 핵심이 되는 탄소는 화석연료 혹은 바이오매스로부터 원료를 조달하며, 분자의 결합구조 및 성형가능성에 따라 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱으로 구분된다(<그림 1.3> 참조).

열가소성 플라스틱은 선형 혹은 가지형 구조로 결합력이 약하기 때문에 열을 가하면 분자구조가 변하면서 쉽게 변형이 가능한 반면, 열경화성 수지는 고분자 사슬이 교차하면서 그물구조를 이루기 때문에 열을 가해도 변형이 일어나지 않는다(<표 1.1> 참조). 열가소성 플라스틱은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리카보네이트 (Polycarbonate, PC) 등으로써 전 세계에서 생산된 플라스틱의 91%를 차지하고 있다(CISION, 2015).

섬유 및 로프용으로 사용되는 합성섬유는 대부분 폴리에스테르(Polyester)가 차지하지만, 그 외 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리아미드(Polyamide, PA), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 등이 있다(<표1.2> 참조). 대부분의 합성섬유는 화석연료를 원료로 만들며, PET 섬유(폴리에스테르 섬유의 한 종류)의 경우에는 PET 수지로 만들고 있다(UNEP, 2018). 전 세계 합성섬유 시장에서 폴리에스테르 섬유의 시장점유율이 83%를 차지하여 압도적이며, 면섬유를 대체하여 생산량이 증가하고 있다(UNEP, 2018).

반(半)합성고분자 섬유 및 필름(Semi-synthetic fibers and films)은 바이오매스, 특히 셀룰로오스를 원료로 하여 만든 고분자물질이다(<그림 1.4> 참조). 셀룰로오스는 농업계 폐기물, 우드칩, 대나무 등을 원료로 만든 것이다.

반(半)합성고분자(semi-synthetic)라는 용어는 바이오매스를 원료로 하여 다양한 화학적 공정을 사용하여 만든 것으로, 가황고무, 레이온 섬유, 셀로판, 셀룰로오스 아세테이트 섬유 및 필름을 포함한다(UNEP, 2018). 이러한 반(半)합성고분자는 바이오매스를 원료로 하기 때문에 폐기물로 배출될 경우 분해가 가능하다는 장점이 있다고 예상되었지만, 바다쓰레기 모니터링 결과에 의하면 레이온 섬유 및 셀룰로오스 아세테이트 담배필터가 그대로 검출되고 있어, 이들 폐기물이 자연환경에서 분해되는 것이 한계가 있다는 것을 보여준다(UNEP, 2018).

바이오 플라스틱(bio-plastics)은 크게 두 가지 종류로 구분된다. 생분해 플라스틱(biodegradable plastics)은 미생물의 분해작용에 의해 물과 이산화탄소로 분해(호기성 조건에서 호기성 분해)되거나 물과 메탄으로 분해(혐기성 조건에서 혐기성 분해)될 수 있는 플라스틱을 말하며, 바이오매스를 원료로 하거나 화석연료를 원료로 하여 만들고 있다. 바이오 기반 플라스틱(bio-based plastics)은 사탕수수나 사탕무, 옥수수, 감자, 곡물, 식물성 기름 등을 원료로 만들며, 바이오 기반 플라스틱 중 생분해가 되지 않는 플라스틱도 있다(<그림 1.5> 참조). 어떤 종류의 바이오 기반 플라스틱은 화석연료로 만든 플라스틱과 동일한 화학적 성질을 가지고 있기 때문에 화석연료로 만드는 플라스틱 생산라인에서 화석연료로 만든 플라스틱 원료와 혼합하거나 대체할 수 있지만, 생분해는 되지 않는다. 바이오 플라스틱은 현재 대략 21 종류가 생산되고 있거나 개발 중에 있으며, 플라스틱 시장에서 시장점유율이 1% 미만에 불과하고, 바이오 플라스틱 중 생분해 플라스틱의 비율은 23.2%로서, 대부분 바이오 원료가 첨가된 PET 혹은 PE 형태로 생산되고 있다(OECD, 2018).

다. 플라스틱의 분해

모든 플라스틱은 유기성 화합물이기 때문에 자연환경 내에서 분해가 가능하지만, 통상적인 화석연료로 만든 플라스틱의 경우 수백 년 이상의 기간이 필요하다. 따라서 플라스틱 종류 중 생분해 플라스틱의 구분 및 생분해 플라스틱의 재활용성을 평가하기 위해서는 개념정의가 필요하다. 분해는 미생물뿐만 아니라 광분해(자외선 노출), 산화분해 등과 같이 여러 환경적 요인의 작용에 의해 플라스틱의 색깔이 변하거나 작은 파편으로 쪼개지는 것까지를 포함하는 것으로 플라스틱이 물과 이산화탄소/메탄으로 궁극적으로 분해되는 것만을 의미하는 것은 아니다(<표 1.3> 참조). 생분해는 정해진 시간 및 조건 속에서 분해가 일어나는 것을 말하는 것으로, 생분해성을 측정할 수 있는 보편적으로 합의된 기준은 현재 없으나, 퇴비화가능 플라스틱에 대해서 대략 58±2℃ 조건에서 6개월 이내에 중량 기준으로 최소 90% 이상이 생분해가 되어야 하고, 12주 이내에 2mm 미만으로 쪼개져야 하는 것으로 기준으로 하고 있다. 생분해 조건을 충족시킬 경우에는 퇴비화 시설에서 퇴비화 방식으로 재활용이 가능할 수 있지만, 현실적으로 현재 상업적 퇴비화 시설의 경우에 경제성을 확보하기 위해서는 퇴비화 기간이 8주에 불과하기 때문에 생분해 플라스틱이 퇴비화 시설에서 퇴비화로 재활용이 되는 것은 어려움이 있을 것으로 예상된다(OECD, 2018).

라. 미세플라스틱(microplastics)의 정의

본 보고서에서는 플라스틱 오염에 의한 문제 중 최근 생태계와 인체에 중대한 위협이 되고 있는 미세플라스틱에 초점을 맞추고, 그로 인한 문제점에 대해 현황을 정리하고 앞으로의 대책을 심도 깊게 모색하고자 한다. 이번 장에서 미세플라스틱의 발견과 정의에 대해 간략히 소개하고, 다음 장에서 미세플라스틱의 독성 및 위해성 현황에 대해 자세하게 다루도록 한다.

바다표면을 떠다니는 작은 플라스틱 조각은 1970년대 초반부터 학계에 보고되기 시작하였으나, 2000년대 초반까지는 미세플라스틱에 대한 명확한 정의는 없었으며, 2000년대 후반에 기준이 제시되었다. 통상적으로 현미경으로 관찰할 수 있는 정도의 크기를 지칭하는 용어로 사용되었고, 밀리미터 크기에서 그 이하의 미세한 크기까지의 플라스틱 조각을 말하는 것이었다(GESAMP, 2015). ‘미세플라스틱’이라는 용어는 2004년 영국의 Thompson이 현미경 수준에서 식별되는 미세플라스틱의 양이 해양환경에서 증가하고 있다는 연구결과를 Science 지에 발표하면서 처음으로 사용되기 시작하였다(Thompsonet al., 2004).

미세플라스틱 크기에 대한 정의는 2008년 미국 해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)에서 주최한 바다 미세플라스틱 영향에 대한 국제 워크숍에서 처음으로 논의되었으며, 생물군에 의해 쉽게 섭취될 수 있고, 다양하게 생태계에 위협을 가할 수 있는 플라스틱 조각 크기의 기준으로 5mm 미만이 채택되었다(GESAMP, 2015)4) (<그림 1.6> 참조).

해양 플라스틱 폐기물은 1미터가 넘는 대형크기에서 나노미터 단위의 미세한 크기까지 다양하다. 밧줄, 그물, 비닐봉투와 같이 크기가 큰 플라스틱 폐기물은 대형 해양생물이 먹거나 그물에 걸려서 죽게 만드는 피해를 야기하는 반면, 크기가 작은 플라스틱 폐기물은 주로 해양생물들이 섭취를 통해 생태계 먹이사슬을 따라 광범위한 피해를 야기할 수 있다.

미세플라스틱은 발생기인(origin)에 따라 1차 미세플라스틱(primary microplatics)과 2차 미세플라스틱(secondary microplastics)으로 구분된다. 1차 미세플라스틱은 세정용으로 사용되는 알갱이, 플라스틱 성형에 사용되는 플라스틱 분말, 화장품에 사용되는 마이크로비드, 산업용으로 다양하게 사용되는 나노입자들, 플라스틱 제품의 원료가 되는 펠렛을 말한다(GESAMP, 2015). 2차 미세플라스틱은 플라스틱이 환경에 노출되면서 작은 입자로 쪼개진 것을 말하며, 플라스틱 폐기물이 환경에 노출되었을 때 햇빛, 미생물 등의 작용에 의해 쪼개지면서 발생한다(GESAMP, 2015).

2. 플라스틱 폐기물 발생현황

가. 플라스틱 생산량

1) 전 세계 플라스틱 생산현황

전 세계 플라스틱 생산량은 1950년 연간 2백만 톤에서 2015년 407백만 톤5)으로 65년 동안 2백배 이상 증가하였다. 플라스틱의 용도별 사용량(2002~2014년)을 보면 포장용으로 가장 많이 사용(45%)되고 있으며, 그 다음으로 건축용(19%), 소비재 제품(12%) 순으로 많이 사용되고 있다(<그림 1.7> 참조). 플라스틱의 재질별 사용량(2002~2014년)을 보면 PE(36%), PP(21%), PVC(12%), PET(10%) 순으로 사용되고 있다(Geyer et al., 2017) (<그림 1.8>,

<표 1.4> 참조). 현재의 추세대로라면 2050년이 되면 플라스틱 생산량은 1,503백만 톤6)이 될 것으로 보고 있다. 2015년 기준으로 전 세계 석유소비의 6%가 플라스틱 생산에 사용되고 있지만, 2050년이 되면 20%가 사용될 것으로 예상이 된다. 따라서 현재 전 세계 탄소배출량의 1%가 플라스틱 생산 및 소비로 인한 것이지만, 2050년이 되면 20%로 증가할 것으로 예상이 된다(World Economic Forum, 2016).

2016년 기준 지역별 플라스틱 원료 생산현황을 보면, 아시아 지역에서 전 세계 생산량의 50%를 차지하고 있으며, 특히 중국이 전 세계 생산량의 29%를 생산하고 있다(<그림 1.9> 참조). 플라스틱 원료 생산량은 중국 및 기타 아시아 지역에서 지난 10년 동안 지속적으로 증가하였으며, 유럽 및 북미지역은 2008~2009년 경제위기로 인해 생산량이 급격하게 감소한 후 현재 경제위기 전 수준으로 회복한 상황이다(PlasticsEurope, 2017 ; OECD, 2018).

2) 국내 플라스틱 생산 및 사용현황

국내 합성고분자화합물 원료 사용량은 2016년 기준으로 11.2백만 톤이며, 이 중 플라스틱(합성수지) 원료 사용량은 6.2백만 톤이다(한국석유화학협회, 2017) (<그림1.10>, <그림 1.11> 참조). 국내 합성고분자화합물 원료 소비량은 전 세계 사용량의 약 3%를 차지하고 있다(<그림 1.11>, <그림 1.12> 참조).

2015년 기준으로 국내 1인당 연간 플라스틱 원료 소비량은 132.7kg으로 세계 최고 수준(EUROMAP, 2016)이지만, 이것은 국민 1인당 최종 플라스틱제품의 소비량을 의미하는 것이 아니라 플라스틱 원료를 사용하는 생산자의 원료 소비량을 말한다(<그림 1.12> 참조). 플라스틱 원료로 플라스틱 최종제품(플라스틱 제품, 자동차, 전자제품 등)을 생산한 후 수출하는 양이 많기 때문에 이를 감안하면 플라스틱 최종제품이 국내에서 소비되는 양은 미국, 일본 등과 비교하여 높지는 않을 것으로 판단된다.

나. 플라스틱 폐기물 발생현황

Geyer et al.(2017)은 1950년부터 2015년까지 플라스틱 생산량과 플라스틱 제품 용도별 수명 분포함수를 이용하여 플라스틱 폐기물 발생량을 추정하였다(<그림 1.13> 참조). 포장재로 사용되는 경우에는 1년 이내에 소비되기 때문에 연간 생산량을 폐기물 발생량으로 볼 수 있지만, 건축용 제품과 같이 수십 년 이상 사용되는 내구재의 경우에는 수명 분포함수를 이용하여 폐기물 발생량을 추정하고 있다.

Geyer et al.(2017)의 연구결과에 따르면 2015년 기준으로 전 세계 플라스틱 폐기물 발생량은 302백만 톤으로, 전 세계 폐기물 발생량(70~100억 톤)의 약 3~4%를 차지하고 있다(OECD, 2018). 2015년 플라스틱 폐기물 발생량 중 포장재 폐기물 발생량이 47%로 가장 많고, 섬유폐기물이 14%, 기타 13%, 건설폐기물이 12%를 차지하고 있으며(<그림 1.14> 참조), 재질별로는 PE가 32%로 가장 많고, PP가 18%, PPA 섬유가 14%, PET가 11% 순으로 많다(Geyeret al., 2017) (<그림 1.15> 참조).

2015년까지 8,300백만 톤의 플라스틱이 생산되었고, 이 중 5,800백만 톤이 폐기물로 배출되었다(<그림 1.16> 참조). 플라스틱 폐기물 중 4,600백만 톤은 바로 매립 혹은 투기되었고, 700백만 톤은 소각되었고, 500백만 톤은 재활용되었다. 재활용된 양 중 100만 톤은 다시 한 번 재활용이 되었고, 300백만 톤은 매립 혹은 투기되었고, 100백만 톤은 소각되었다. 재활용이 된 후 다시 재활용되거나 소각 혹은 매립된 양까지 포함할 경우 플라스틱 폐기물 발생량은 6,300백만 톤이며, 이 중 600백만 톤이 재활용되었고, 4,900백만 톤이 매립 혹은 투기되었고, 800백만 톤이 소각되었다. 현 추세대로 갈 경우 2050년까지 소각되는 양은 12,000백만 톤, 매립 혹은 투기되는 양은 12,000백만 톤, 재활용되는 양은 9,000백만 톤이 될 것으로 예상된다(Geyer et al., 2017) (<그림 1.17> 참조).

국내 폐기물통계에 따르면 2016년 기준으로 폐합성 고분자 화합물의 발생량은 연간 약 1,000만 톤이다(<표 1.5> 참조). 이 중 폐합성수지 발생량은 7백만 톤으로 폐합성 고분자 화합물의 약 70%를 차지하고 있다(<표 1.6> 참조). 연간 발생하는 폐합성고분자화합물 중 1백만 톤은 매립되고 있고, 4백만 톤은 소각되고 있으며, 5백만 톤은 재활용되고 있다(<표 1.5> 참조). 재활용량 중 1.5백만 톤은 물질로 재활용되고 있으며, 3.3백만 톤은 에너지로 회수되고 있다(<그림 1.18> 참조). 불법으로 처리되는 양과 환경에 투기되는 양도 있을 것으로 보이지만, 정확한 양에 대해서는 파악할 수 없는 실정이다.

<본문 내 각주 설명>

1) 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체 및 균체와 이를 섭취하는 동물체를 포함하는 생명체의 양. 나무와 농산물, 사료작물, 농산폐기물, 해양생물 등에서 추출된 재생가능한 재료로서 에너지로의 전환이 가능한 유기물질을 말한다. 2) Polymer란 분자량이 큰(poly) 개체(mer)란 뜻이다. 3) 해양에서 검출되는 미세플라스틱 종류로 폴리에스테르 섬유까지 포괄하고 있다.  4) 미세플라스틱 크기 기준에 대해서 학술적으로 엄격한 기준을 설정하기 어렵기 때문에 실용적(pragmatic) 관점에서 임의적(arbitrary)으로 설정되었다. (GESAMP, 2016 ; UNEP, 2018)  5) 플라스틱 원료(resin) 생산량은 2015년 기준으로 연간 381백만 톤이지만, 첨가제 사용량(약 7%)까지 포함한 플라스틱 생산량은 407백만 톤이다. 6) 플라스틱 원료 생산량 기준이며, 첨가제 사용까지 포함한 플라스틱 생산량은 이보다 많다.

<다음에는 3. 플라스틱 및 미세플라스틱의 환경오염 실태가 이어집니다>