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2018년 12월 13일 (목) 17:27 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 셀룰로오스, 키토산, 벤토나이트를 이용한 생분해성 필름 제조

영문 : Biodegradable Film Production with Cellulose, Chitosan, Bentonite

과제 팀명

인벤져스

지도교수

장*일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20139200** 문*림(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20148900** 김*원

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 박*안

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 홍*진

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 플라스틱의 긴 분해기간, 미세플라스틱의 인체 유해성 등을 개선하기 위한 생분해성 플라스틱의 개발이 요구되고 있다. 플라스틱 중에서도 필름의 경우, 농업에서는 멀칭필름, 산업에서는 기저귀, 밴드 등으로 많은 수요가 존재한다. 이 필름을 생분해성 필름으로 대체함으로서 위의 문제점들의 해결을 모색할 수 있다.

◇ 천연 고분자인 셀룰로오스와 키토산을 이용하여 자연에서 생분해되는 필름을 제조한다.

◇ 셀룰로오스를 이용해 기존 필름 수준의 기계적 성질을 꾀하고, 벤토나이트를 첨가함으로써 필름에 기계적 물성을 증대하고 통기성의 기능을 추가한다.

◇ 생성된 키토산 초산수용액에 앞서 셀룰로오스가 분산된 용액을 서서히 첨가한다. 이때 첨가하는 키토산과 셀룰로오스 비율을 달리하여 가장 최적의 비율을 찾는다.

◇ 위의 용액을 일정시간동안 교반시켜서 키토산/셀룰로오스가 혼합 첨가되어 있는 필름 제조원료액을 생성한 후, 벤토나이트 넣는다. 제조된 필름 제조원료액을 유리판에 부은 후 실온에서 건조기에서 닥터 블레이드를 사용하여 필름의 두께가 40 내지 150μm가 조절한 다음 70°C를 유지하면서 건조시켜 필름을 제작한다.

◇ 제품 요구사항으로는 생분해도, 기계적 성질(인장강도, 신율), 방수성(수분 투과도), 온실가스 감축이 있으며, 각각은 SEM 등의 기기를 이용하고 Warm tool등의 예측모델을 이용하여 측정한다.

개발 과제의 배경

◇ 21세기는 플라스틱의 시대라고 불릴 정도로 전 세계적으로 많이 생산되고 소비되고 있다. 현재까지 생산된 플라스틱의 총량은 83억 톤에 육박하며 이 중 75%인 약 63억 톤이 쓰레기로 배출됐다고 한국해양수산개발원에서 발표했다. 그러나 폐기된 쓰레기 중 9%만 재활용 되었으며, 12%는 소각되고 나머지 79%는 매립되거나 자연에 버려져있다.

◇ 플라스틱 폐기물은 적게는 6개월부터 길게는 500년 이상의 분해기간을 필요로 한다. 그 동안 플라스틱은 각종 유해물질을 배출하기도 하며 생물들이 먹이로 오인해 섭취하거나 폐어망이나 봉지에 걸려 이동이 자유롭지 못하게 되면서 결국 죽음을 초래한다.

◇ 더불어 아직까지 인체 영향은 규명되지 않았지만, 지름 5mm이하로 분해된 미세플라스틱은 먹이사슬에 의해 생체 내 축적이 되면서 해양 생물에 악영향을 주고 있다.

◇ 이에 따라, EU에서는 플라스틱 배출량을 감소시키기 위해 해변에 있는 쓰레기 중 70%를 차지하는 플라스틱 빨대, 물티슈 등의 10가지 품목을 금지하는 방안을 추진하고 있으며, 바이오매스를 이용한 생분해성 플라스틱의 연구와 제조가 점점 활발해지고 있다.

◇ 우리나라의 경우, 2017년 ‘재활용 쓰레기’ 최대 수입국인 중국이 수입을 중단하면서 그에 따른 대책을 수립하지 못한 채 2018년 4월 우리나라에서 폐플라스틱 수거 대란이 일어났다. 중국에 폐지, 폐플라스틱 처리를 의존해 온 수출국 중 우리나라는 다른 나라에 비해 비닐 사용량이 매우 높은데, 독일의 6배, 아일랜드의 20배, 핀란드의 100배 수준이었다. 따라서 환경부는 재활용 업체의 수거 비용을 경감시키는 것과 수거, 선별 과정에서 잔재 발생을 최소화하는 관련 규정 개정을 추진하였다. 그러나 사용량이 월등히 높은 만큼 궁극적으로 사용량을 줄여야 하는 실정이다.

◇ 이에 우리는 전 세계적으로 부상한 플라스틱 이슈와 함께 버려진 볏짚과 갑각류에서 추출한 셀룰로오스와 키토산으로 생분해가 가능한 LDPE를 대체할만한 필름을 개발해보고자 한다. 또한, 벤토나이트를 첨가함으로써 생분해성 필름이 갖는 약한 물성을 보완하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. 산업과 농업에서 버려지는 폐기물을 활용함으로써 폐기물의 양을 감소시킨다.

수산 가공 산업에서 버려지는 게와 새우 등의 갑각류의 껍질로부터 키토산을 농업에서 버려지는 볏짚, 목재 산업에서 발생하는 폐목재 등에서 셀룰로오스를 추출할 수 있다. 따라서 폐기물로부터 추출 가능한 키토산 및 셀룰로오스를 이용하여 생분해성 필름을 제작할 것이다.

2. LDPE를 대체할 수 있는 생분해성 필름을 제작함으로써 분해가 안 되는 플라스틱의 사용량 및 전체 쓰레기 배출량을 감소시키고, 그로 인해 발생하는 환경오염을 방지한다.

전국폐기물통계조사(2016~2017년)에 따르면 생활계 폐기물 중 필름류 포장재의 총 원단위 발생량은25.87g/일/인이다. 또한, 한국보건산업진흥원이 실시한 ‘국내 범용 포장재의 사용실태 조사’에 따르면, 국내 범용 포장재 중 PE 재질이 61.4%로 우리나라 인구수를 이용해 계산해보면 2017년에 배출된 PE 필름 포장재만 약 3천억 톤에 다다른다. 또한, 한국 환경공단의 영농폐비닐 자료조사에 따르면 2007년부터 2010년까지 발생한 멀칭용 LDPE필름은 매년 평균 10만 톤이었다. 따라서 1년 동안 우리나라에서 발생하는 LDPE 필름만 해도 매우 방대한 양임을 알 수 있다. 이를 모두 생분해성 필름으로 대체한다면 석유계 플라스틱으로부터 발생하는 토양 및 수질 오염, 생태계 악영향을 방지할 수 있을 것이다.

3. 기존의 생분해성 필름이 갖는 약한 물성을 Nanofiller인 벤토나이트를 첨가함으로써 개선시킨다.

앞서 언급한 전 세계적으로 플라스틱의 문제점이 부상하자, 많은 국가와 연구기관에서 생분해성 플라스틱에 관한 관심이 높아지고 있다. 그러나 천연물질계 생분해성 플라스틱의 경우 기존 석유계 플라스틱에 비해 인장강도 등의 물성이 부족한 문제점이 있다. 석유계 플라스틱을 제조할 때에도 부족한 물성을 보완하고 제품의 생산 단가를 낮추기 위하여 충전제를 첨가하는데 이미 Nanofiller인 점토광물에 대한 연구가 활발한 실정이다. 이에 우리 조는 충전제로서 Nanofiller인 벤토나이트를 첨가함으로써 기존 LDPE필름 수준으로 물성을 보완하고자 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ <ACS sustainable chemistry and engineering>에 실린 연구에 따르면, 조지아 공과대학연구팀은 게 껍데기 성분인 키틴질의 나노섬유는 양전하, 목재의 셀룰로오스는 음전하를 띠는 성질을 이용하여 키틴과 셀룰로오스를 교대로 쌓아 더 견고한 필름을 개발하였으며, 기존의 페트병에 비해 산소투과율이 67%가 감소해 음식을 더 신선하고 오래 보관할 수 있다고 밝혔다.

◇ 울산대 진정호·KAIST 배병수·UNIST 박장웅 교수 연구팀이 오징어 연골의 주 구성물질인 키틴 나노섬유와 누에고치에서 추출한 실크단백질을 혼합하는 방법으로 제작한 나노종이가 Advanced Functional Materials 최신호 표지논문으로 게재되었다. 나노종이는 디스플레이나 플렉시블 소자 기판재료로 각광받고 있는데, 연구팀이 개발한 나노종이는 고성능 합성 플라스틱과 유사한 강도와 높은 투명성을 가진 소재로서 스마트 컨텍트 렌즈와 스마트폰 강화유리 등에 널리 쓰일 것으로 전망된다.

◇ 섬유공학학회지의 PLA/PBAT 혼합물의 기계적 특성과 생분해 거동을 연구한 논문에 따르면, chain extender를 적용하면 PLA/PBAT 혼합수지의 인장강도 및 연장이 크게 개선되며, PBAT의 비율이 높은 혼합물(PLA/PBAT 40/60)이 PLA 비율이 높은 혼합물(PLA/PBAT 60/40)보다 분해가 약간 느렸다.

◇ 논문에 따르면, 폴리비닐알코올(PVA)와 에틸렌글리콜(EG) 두 종류의 첨가제를 사용하여 만든 셀룰로오스 블렌드에서 첨가제의 양에 따라 블렌드 필름의 물성이 변화하였다. 이성분계에서는 PVA와 EG가 각각 30wt%, 10wt% 포함되었을 때 셀룰로오스 블렌드 필름의 최종 인장 강도와 초기 탄성률은 가장 높은 값을 보였다. 용액 블렌딩법을 이용하여 EG를 셀룰로오스 블렌드(셀룰로오스/PVA (70/30=w/w))에 섞은 삼성분계 필름에서는 EG가 40wt% 포함되었을 때 기계적 물성이 가장 높은 값을 가졌으며, 산소투과도(O2TR)는 EG 함량이 증가할수록 일정하게 감소하였다.

◇ 최근에는 기존 생분해성 플라스틱의 단점을 보완하고 내열성, 강도 등의 물리적 특성과 가공성을 개선하기 위한 블랜드 기술이 개발되고 있으며, 제조가 감소와 품질개선으로 바이오 플라스틱이 상용화되고 있다.

◇ 현재 햇빛과 산화작용, 미생물에 의해 분해되는 정도를 조절하여 용도에 맞는 광분해, 생분해, 화학 분해 등 복합 분해도를 가지는 복합 물질을 만드는 방향으로 연구가 진행 중이다.

• 특허조사

◇ 생분해성 키토산/셀룰로즈 복합체 필름의 제조방법 (PROCESS FOR PREPARING BIODEGRADABLE CHITOSAN CELLULOSE FILM)
(소멸, 출원인 : 전동원, 출원번호/일자 : 1019940019856 (1994-08-12), 등록번호/일자 1001599760000 (1998-08-14))

- 특허내용: 본 발명은 키토산과 셀룰로즈를 서로 혼합하여 우수한 강도 및 생분해성을 갖는 복합체 필름의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 셀룰로즈 분말을 초산수용액에 분산시켜 셀룰로즈 분산액을 제조하고, 키토산과 폴리비닐알콜(PVA)을 초산수용액에 용해시켜 키토산/PVA 용액을 제조한 후 상기 두 용액을 혼합하여 필름 제조원료액을 생성시키고, 이 원료액을 사용하여 유리판상에서 필름을 성형시킨 후 건조시켜 다시 유기용매중에 침지시킨 후 건조시킴으로써 강도 및내수성이 향상시킨다.

- 유사성 : 생분해성 필름이다.

- 차별성 : 이 특허 항에 없는 벤토나이트가 사용된다.

◇ 생분해성 키토산/ 전분 복합체 필름의 제조방법(BIODEGRADABLE CHITOSAN/STARCH COMPOSITE FILM AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME)
(소멸, 출원인 : 전동원, 출원번호/일자 : 1019940026030 (1994-10-12), 등록번호/일자 1003578450000 (2002-10-09))

- 특허내용: 셀룰로즈는 전분에 비해서 입자의 크기가 크고 불균일하기 때문에 키토산/PVA가 용해된 초산수용액 중에서의 셀룰로즈의 분산성이 비교적 낮다. 키토산/셀룰로즈 복합체 필름에서는 수득된 필름의 표면이 균일하지 않으며 필름의 두께도 어느 한계 이상으로 낮추는 것이 불가능하다. 셀룰로즈 자체가 일정한 길이를 갖기 때문에 전분이 사용되었을 때만큼 얇은 두께의 필름을 수득하기 어려우며 수득되는 필름의 유연성도 바람직하지 않다. 또한, 최종 수득되는 필름의 강도 측면에서 볼때 전분이 사용되었을 때보다 오히려 강도가 낮게 나타나고 있어서 필름의 강도를 상승시키기 위해서는 전분을 사용하는 것이 바람직하다.

- 유사성 : 생분해성 필름이다.

- 차별성 : 전분이 아닌 셀룰로오스가 사용되며 이 특허 항에 없는 벤토나이트가 사용된다.

◇ 통기성과 인장강도가 향상된 통기성 필름의 제조방법(Method of breathable film having improved ventilation and tensile strength) 
(특허권자:(주) 대동, 출원번호 / 일자: 10-2007-0105403 (2007-10-19), 등록번호 / 일자: 10-0885154-0000 (2009-02-17))

- 특허 내용 : 기존의 통기성 필름은 미세한 다공성을 가지고 있는 까닭으로 기존 비통기성 필름 대비 기계적 물성 등이 매우 열악해진다. 지방산류의 제3의 물질을 첨가하면 필름의 물성상의 불균형을 해소할 수 있지만 이러한 제3성분은 대부분 매우 고가이고 분자량이 저분자량인 관계로 가공 시 이상 유동에 의한 두께 불안정 등 필름 가공공정상 부작용이 나타날 수 있다. 폴리에틸렌 수지에 서로 입자 크기가 다른 2종류의 무기 충진재로 구성된 혼합 무기 충진재를 건식 블렌드 시키고 압출기 내에서 용융 훈련하여 컴파운드 펠렛을 제조하고, 이 펠렛을 사용하며 통기필름을 제조함으로써 앞서 언급한 문제점을 해결한 강도가 우수하고 원가가 저렴한 통기성 필름을 얻을 수 있다. 여기서 무기충전재는 탄산칼슘 또는 황산바륨 중 선택된 1종 또는 이들의 혼합물을 의미한다.

- 유사성 : 무기충전재를 사용한다.

- 차별성 : 합성수지인 폴리에틸렌 수지가 아닌 생분해성 되는 키토산, 셀룰로오스가 사용되며, 무기충전재로 탄산칼슘이나 황산바륨이 아닌 벤토나이트가 사용된다.

◇ 연성과 통기성이 향상된 생분해성 필름 (Biodegradable Films Having Enhanced Ductility and Breathability)
(특허권자: 킴벌리-클라크 월드와이드, 출원번호/일자: 10-2003-7013779 (2003-10-22), 등록번호/일자: 10-0847960(2008-07-16))

- 특허 내용 : 생분해성 중합체 및 수용성 중합체를 포함하며, 두께가 약 0.01 내지 약 5 밀(mm?)이고, 통기성, 다공성 및 습윤성이며, 원래 길이의 약 100 내지 약 500%로 연신되며, 수증기 투과율이 약 2500 g/m2/24 시간보다 크고, 파단신율이 약 100%보다 큰, 연신된 생분해성 필름. 생분해성 중합체는 지방족 폴리에스테르인 필름 혹은 폴리카프로락톤; 폴리부틸렌 숙시네이트; 폴리(부틸렌 숙시네이트-아디페이트); 폴리락트산; 테레프탈산, 아디프산 및 1,4-부탄디올의 삼원공중합체; 및 이들의 공중합체 및 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것인 필름을 의미한다. 수용성 중합체는 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 알콜 및 이들의 공중합체 및 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것인 필름 혹은 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌 글리콜 또는 이들의 공중합체인 필름을 의미한다.

- 유사성 : 생분해성 필름이다.

- 차별성 : 사용하는 생분해성 원료가 다르다.

◇ 생분해성 및 통기성이 있는 필름 (BIODEGRADABLE AND BREATHABLE FILM) 

(특허권자: 킴벌리-클라크 월드와이드, 출원번호/일자(국제): 1020127016343 (2010-11-19), 등록번호/일자 1018142180000 (2017-12-26.))

- 특허 내용 : 생분해성 및 통기성이 있는 필름으로, 상기 필름의 중량에 대하여 20중량% 내지 30중량% 범위의 함량으로 존재하는 열 가소성 전분(열가소성 히드록시프로필 전분인 필름)과 상기 필름의 중량에 대하여, 25중량% 내지 35중량% 범위의 함량으로 존재하는, 무기 필러(스테아르산 및 팔미트 산의 블렌드로 코팅된 것인 필름), 유기 필러, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 필러 및 상기 필름의 중량에 대하여, 39중량% 내지 45중량% 범위의 함량으로 존재하는, 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트인 지방족-방향족 코폴리에스테르를 포함하는 생분해성 폴리머 수지를 포함하고 연신된 필름이 2000~2800 g/m2/day의 수증기 투과율을 갖는다.

- 유사성 : 생분해성 필름이다.

- 차별성 : 사용하는 생분해성 원료가 다르다.

• 특허 전략 분석

◇ 최근 무해한 충전제로 연구되고 있는 벤토나이트를 이용하여 필름을 제조한다. 셀룰로오스와 키토산에 벤토나이트를 첨가하면 공기는 잘 통하지만 액체는 통과하지 않는 구조를 가지게 되어 뛰어난 통기성과 방수성을 요구하는 필름에 사용될 수 있다.

◇ 키토산은 N을 다량 함유하여 비료 역할을 할 수 있으므로 토양 개량 역할을 하는 고기능성 멀칭필름으로 사용될 수 있다.

◇ 키토산과 셀룰로오스, 벤토나이트의 가장 물리적 성질이 뛰어난 조성비를 찾는다.

◇ 셀룰로오스와 키토산은 강한 인장강도를 가지는 천연 고분자이다. 셀룰로오스에 키토산을 첨가하게 되면 각 물질의 부분 음전하, 부분 양전하간에 인력이 발생하여 더 견고한 필름을 생성할 수 있다. 또한 셀룰로오스, 키토산은 지구상에서 생산되는 가장 많은 두 생물질들(Biomass)이다.

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용