목질계 폐기물을 이용한 친환경 내 ․ 외장재 개발_65

목질계 폐기물을 이용한 친환경

내 ․ 외장재 개발

성균관대학교 | 강수정 박사

Ⅰ. 개 요 ··········································································· 67

1. 목질계 바이오매스 ···················································· 67

2. 목재 ‧ 플라스틱 복합재 ············································· 68

Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 68

1. 국내 동향 ··································································· 68

2. 해외 동향 ··································································· 69

Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 71

<참고문헌> ········································································· 72

목질계 폐기물을 이용한 친환경 내 ․ 외장재 개발_67

목질계 폐기물을 이용한 친환경 내 ․ 외장재 개발

성균관대학교 | 강수정 박사

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

1. 목질계 바이오매스

최근 통계에 따르면 미국과 유럽의 펄프 제조 공정에서 발생하는 부산물인 목질(木質) 폐기물은

연간 80만 톤에 달하며, 적절한 폐기물 처리방법을 찾지 못해서 대표적인 환경오염원으로 지목

받고 있다. 목질계 바이오매스는 재생 가능 에너지로 활용할 수 있는 모든 유기물 중 셀룰로오스

(Cellulose)와 리그닌(Lignin)으로 구성된 목질계 자원이다.1) 목질계 바이오매스는 천연물질 중에서

가장 분해하기 어려운 물질 중 하나인 리그닌과 결합하기 때문에 이를 효과적으로 당화(糖化)

하기 위해 여러 가지 물리‧화학적 방법을 이용한 연구가 진행되고 있다. 리그닌은 셀룰로오스 및

헤미셀룰로오스(Hemicellulose)와 결합되어 리그노셀룰로오스(Lignocellulose) 상태로 존재하며, 지구

상에 존재하는 탄소 자원으로는 셀룰로오스 다음으로 많은 부존량을 가지고 있다.2)

자료 : 한성옥, “셀룰로좀(Cellulosome)을 통한 효과적인 바이오매스(Biomass)의 대체에너지화”, 생물학분자생물학뉴스, 2007

<그림 1> 리그노셀룰로오스 구성 성분

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리그닌은 주로 펄프 제조 공정의 부산물(흑액, Black liquor)로 생성되고 있으며, 펄핑

(Pulping) 공정 방식에 따라 아세트산 리그닌, 술포(Sulfo) 리그닌 등으로 분류된다. 각종 리그

닌은 천연 리그닌이 분해 및 중축합되어 있는 구조를 갖는 동시에 술폰산 등이 포함되어 있어서

강도가 매우 낮고 성분이 균일하지 않다. 때문에 리그닌 용도는 극히 한정되어 있으며, 시멘트의

분산제나 바인더 등으로만 이용되어 왔다.2)

그러나 최근에 친환경 건축물 및 내‧외장재의 친환경 소재에 대한 관심이 높아지면서 제지공정

에서 발생하는 목질계 폐기물로부터 셀룰로오스, 리그닌 등을 추출 및 합성하여 친환경 건축

자재용 목재‧플라스틱 복합재(Wood Plastic Composite, WPC)로 만드는 연구가 활발히 이루어

지고 있다. 목질계 폐기물을 이용하면 목질 유래 고분자 합성 기술 및 환경오염원에 대한 해결

방안 뿐만 아니라 차세대 카본 뉴트럴계 생체친화형 고분자 개발에 대한 새로운 패러다임을

제시할 수 있다.

2. 목재 ‧ 플라스틱 복합재

목분(Wood flour)과 열가소성 플라스틱의 복합재료인 목재 ‧ 플라스틱 복합재는 목재와 플라스틱

양쪽의 특징을 겸비한 소재로 최근 외장재(Exterior)를 중심으로 확대되고 있는 소재이다. 목분과

플라스틱이 결합한 복합재료는 목재 대체품으로 환경친화성뿐만 아니라 내구성, 내열성까지 뛰어

나다는 점에서 최근 각광받고 있다. 일반적인 목재 복합재 이형(異型) 제품에서는 원재료의 목분

또는 천연섬유 함유율이 50~70% 정도인 제품이 전 세계적으로 사용되고 있으며, 합성수지는

폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀(PO) 계열이 사용되고 있다. 이러한 합성

수지를 포함한 복합소재는 개발 및 생산에 있어서도 기술적인 진보를 거듭하고 있으며, 건축용

이형제품에서 목재제품의 대체품에 이르기까지 다양하게 이용되고 있다.

건축 재료 분야에서는 목재, 플라스틱, 금속, 콘크리트 등 다양한 소재가 이용되고 있으며, 용도

별로 각 소재의 특성을 살린 소재 적용방법이 확립되어 있다. 이 분야에 목재 ‧ 플라스틱을 도입하기

위해서는 가격을 포함하여 대체 재료의 규격을 만족하는가 또는 뛰어난 부가가치를 올리는 소재

인가를 확인해야 한다. 목재 ‧ 플라스틱에서 공업적으로 다양한 성형이 가능한 목분 충전율 한계치는

사용하는 플라스틱 및 첨가제의 종류에 따라 다소 다르다.3)

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

목재 ‧ 플라스틱 복합재는 여러 형태의 목질재료와 용융된 열가소성 수지로 정의되는데 주로

분말 형태의 목분을 이용하여 제조된다. 합성된 복합재는 압출 또는 사출 방법을 이용하여 제조

된다.4)

목질계 폐기물을 이용한 친환경 내 ․ 외장재 개발_69

⇨

(a) 플라스틱원료와 목질보강재 (b) 이축 압출

⇩

⇦

(c) 목재 ‧ 플라스틱 복합재(WPC) 제품 (d) 사출

자료 : 국립산림과학원, “목재·플라스틱 복합재”, 2008

<그림 2> 목재·플라스틱 복합재 제조 공정

목재 ‧ 플라스틱 복합재는 차세대 고성능 재료로 발전 가능성이 높으며, 재활용 플라스틱을

원료로 사용할 수 있다. 따라서 원료는 순수 목분/순수 플라스틱, 순수 목분/재생 플라스틱 및

재생 목분/순수 플라스틱으로 구성된다.

동양 CMI(주), 이건산업(주) 등은 폴리프로필렌과 목분을 혼합한 복합재료를 마루판 등의

바닥재로 제작하여 판매하고 있으며, 동해산업(주)에서는 PVC에 목분을 혼합하여 창틀용으로 판매

하고 있다. 한양소재(주)에서는 폴리프로필렌계 복합시트를 자동차용 트 크 트림 및 매트류 등에

적용하여 판매하고 있다. 기존의 범용 플라스틱의 사용량 증가에 따라 폐(廢)플라스틱의 처리에

따른 환경문제가 지속적으로 야기되어 관련 연구가 증가하고 있으며, 기존의 플라스틱을 대체하기

위한 방법으로 고기능성 생분해성 고분자에 대한 연구개발이 점차 증가하고 있는 실정이다.

국립산림과학원 기능소재연구실에서는 목분, 폴리프로필렌(PP) 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)

수지 이외에 황토와 나노클레이를 이용하여 제조된 복합재 연구가 진행 중인데, 제조된 복합재의

열적, 기계적 및 기능적인 성질을 연구하고 있다.

2. 해외 동향

목재 ‧ 플라스틱 복합재(Wood Plastic Composites, WPC)는 열가소성 수지(폴리에틸렌, 폴리

프로필렌, 폴리염화비닐), 목질보강재(목분, 죽분, 왕겨, 탄산칼슘, 활석 등) 및 첨가제(상용화제,

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항산화제, UV 안정제, UV 흡수제 및 윤활제)를 혼합하여 압출 및 사출 성형한 소재이다.

최근 목재 플라스틱 시장이 폭발적으로 확대되고 있다. 유럽에서는 미국과 달리 내장용 건축

소재를 중심으로 연구 개발을 시작하여 현재 외장재 용도까지 확대되었다. 중국은 베이징 올림픽

(2008), 상하이 만국박람회(2010) 등 국제적 행사를 계기로 환경보호를 위한 목재 플라스틱을

적극적으로 이용하기 시작했으며 유럽에도 수출하고 있다.

한편 일본에서는 1990년부터 SEKISUI JUSHI가 목분 충전율 25% 정도의 외장재용 목재

플라스틱을 상용화한 것을 시작으로 다른 회사들도 목분 충전율 50% 정도의 목재 플라스틱을

외장재 용도로 실용화하였다.

2004년 미국의 목재 ‧ 플라스틱 복합재 사용량은 약 5.5억 톤으로, 2009년에는 8.8억 톤까지

확대되었다. 2008년 우리나라의 목재 ‧ 플라스틱 복합재 시장은 200억 원 규모로 목재 ‧ 플라스틱

복합재는 데크, 사이딩, 펜스, 테라스, 창호재, 가드레일과 같은 건축소재로부터 자동차 및 항공

산업에까지 널리 이용되고 있다. 해외 목재 ‧ 플라스틱 복합재 제조방법은 국내와 마찬가지로 압출

성형과 사출성형이 널리 사용된다.

최근 미국 Oak Ridge National Laboratory(ORNL)의 연구진은 목질계 바이오매스에 존재

하는 리그닌을 추출해 고부가 화합물로 전환하는 기술을 개발하여 포름알데히드와의 축합반응에

의해 고무와 같은 가교성 물질을 개발하였다.5)

자료 : 녹색기술센터, “ORNL(미국), 리그닌 기반 열가소성 수지 개발”, 2012

<그림 3> 목질계 리그닌 기반 열가소성 수지

Oak Ridge National Laboratory 연구진이 개발한 가교성 물질은 페놀-포름알데히드 수지의

제조방법과 유사한 매우 간단한 방식에 의해 제조될 수 있어서 산업에 곧바로 적용할 수 있으며,

이 기술을 바이오리파이너리에 접목할 경우 목질계 바이오매스를 이용한 연료, 화학물질 및 재료

등의 연관기술에 활용할 수 있을 것이다.6)

또한, 미국 콜로라도주에 위치한 신생기업인 Sundrop Fuels는 차세대 바이오연료(Advanced

Biofuel) 분야로 진입하기 위한 전략으로 목재칩(Woodchip)을 휘발유로 전환할 수 있는 공정을

목질계 폐기물을 이용한 친환경 내 ․ 외장재 개발_71

도입하였다. Sundrop은 다른 가스화기와 대비하여 높은 온도인 1,200℃ 이상에서 작동하는

기존의 가스화 기술을 사용하여 바이오매스를 연소하는 것 대신 태양광을 집광하여 이때 발생하는

열을 열원으로 확보하였다. 태양열을 사용함으로써 연료화 될 수 있는 바이오매스의 양을 증가

시킬 수 있고, 대량의 원료물질 운송비용도 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한 고온에서 작동되기

때문에 장비를 막아버리거나 다른 공정에 방해가 되는 타르를 생성하지 않는다.

Sundrop의 CEO인 Wayne Simmons는 ThyssenKrupp의 기술이 Sundrop의 가스화 기술보다

더 많은 비용이 들지만, 이 기술은 상업적으로 입증되었기 때문에 공장 건설시 더 쉽게 대출을

받을 수 있다는 장점이 있다.7)

자료 : 한국과학기술정보연구원, “미국, 목질계를 활용한 차세대 바이오연료(Advanced Biofuel)전략”, 2012

<그림 4> Sundrop의 바이오연료용 파일럿 플랜트 (Pilot plant)

Ⅲ. 향후 전망

최근 건강과 안전에 대한 관심이 높아짐에 따라 건축자재에서 발생하는 휘발성 유기화합물

(VOCs), 유해중금속, 외인성 내분비 교란물질 등 유해 물질에 대한 사회적 비용이 증가하고 있다.

특히, 가정, 사무실 등 실내에서 생활하는 시간이 85~90%를 차지하는 현대인의 생활 패턴

때문에 실내 공기오염으로 인한 아토피, 천식, 알레르기 등의 피해가 증가하여 사회적 문제가 되고

있다. 국내에서 친환경 건축자재에 대한 수요가 급증하고 있으며, 이에 따른 대응으로 고분자 합성

및 난연 기술, 카본 뉴트럴 소재 하이브리드 기술을 통해 환경부하를 줄이는 화학소재, 자연친화적

건축 마감재를 개발하려는 연구가 진행되고 있다. 해외에서는 목재 플라스틱을 포함하여 천연

섬유를 이용한 그린 복합재(Green composite)로 불리는 소재가 외장재 이외의 다른 용도로 사용

되면서 시장이 확대되고 있는 추세이다.

목질계 폐기물을 이용한 친환경 내 ‧ 외장재 개발 기술은 목질계 폐기물에서 기존 수지의 단점을

개선할 수 있는 새로운 목질 유래의 생분해성 고분자 수지를 추출하여 중합할 수 있다. 또한

강화재를 나노 크기 단위까지 박리, 분산시켜 기계적 물성의 극대화 및 투과억제 등 신개념

친환경 건축자재 개발로 새로운 산업적 소재의 개발에 기여하여 복합재료 적용산업(산업용, 자동차용 등)

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확대에 기여할 것으로 예상된다.

앞으로 친환경 소재를 이용한 친환경 건축물 및 내 ‧ 외장재 수요는 점차 커질 것으로 예상되며,

목질계 내 ‧ 외장재의 개발은 폐기물 저감, 재활용, 에너지화, 차세대 친환경 건축 활성화를 위해

지속적으로 진행될 전망이다.

<참고문헌>

1. 경기개발연구원, “목질계 바이오매스의 에너지 활용”, 2012

2. 한성옥, “셀룰로좀(Cellulosome)을 통한 효과적인 바이오매스(Biomass)의 대체에너지화”, 생물학

분자생물학뉴스, 2007

3. 한국과학기술정보연구원, 첨단기술정보분석 “우드 플라스틱”, 2012

4. 국립산림과학원, “목재·플라스틱 복합재”, 2008

5. 녹색기술센터, “ORNL(미국), 리그닌 기반 열가소성 수지 개발”, 2012

6. 이은도, “목질계 바이오매스 가스화 기술 현황 및 전망”, 공업화학 전망, 제15권 제6호, 2012

7. 한국과학기술정보연구원(GTB), “미국, 목질계를 활용한 차세대 바이오연료(Advanced Biofuel)

전략”, 2012.06.14