▲ 출처=pixabay  © 특허뉴스

 

코로나19로 인한 음식 배달, 온라인 쇼핑 등의 증가로 플라스틱 특히 식품 포장재로 사용되는 PET 사용량이 급격하게 증가했다. 이러한 플라스틱 사용에 따른 폐기물은 대부분 중국으로 수출되었으나, 중국 정부는 자국 내 환경오염이 심화되면서 폐플라스틱 수입금지 조치를 시행하였고, EU시장에서는 2030년까지 포장 폐기물의 재활용률이 70%가 되도록 목표를 설정하고 있으며, 국내에서는 넘쳐나는 플라스틱 쓰레기를 줄이기 위해 식품 용기에 쓰인 PET병을 세척 파쇄한 뒤 다시 식품 용기로 순환해 활용하는 이른바 ‘보틀 투 보틀(Bottle to Bottle, 이하 ‘B to B’)’ 방식의 재활용이 올해부터 도입되면서, PET를 재활용하기 위한 노력과 기술 개발이 빠르게 진행되고 있다. 특허뉴스는 지식재산 전문기업 윕스에서 발행한 ‘소중한 자원, PET 재활용’ 이슈리포트를 정리하며, PET 기계적 재활용 기술 중, 재활용 PET의 품질 향상을 위해 오염물질을 제거하는 기술 또는 재활용 PET의 물성 향상을 위한 기술에 관한 특허 동향의 전체적 흐름을 분석하여 PET 기계적 재활용 기술 방향과 현재 위치를 확인해 보았다.

 

PET 재활용, 왜 필요한가

 

PET 수지는 식품 포장재 등으로 주로 적용되어 왔으나, 코로나19로 인한 음식 배달, 온라인 쇼핑 등의 증가로 2019년 상반기에 733톤이었던 플라스틱 쓰레기 배출량이 1년 만에 848톤으로 약 15.6%가 증가했다. 이러한 플라스틱 폐기물의 대부분은 중국으로 수출하였으나 지난 2018년에 중국 정부는 미세플라스틱에 의한 수질오염과 같은, 자국 내 환경오염이 심화되면서 폐플라스틱 수입금지 조치를 시행하면서 국내의 플라스틱 재활용 기술에 대한 개발이 가속화되고 있다. 또한, 환경부와 식품의약안전처는 탄소중립을 위한 순환경제를 이행하고자 기존에 식품용으로 재사용 가능한 화학적 재활용 방식의 재활용 PET와 함께 물리적 재생원료를 이르면 2022년 1월부터 식품용 원료로 적용하기로 발표했다.

 

▲ 고품질의 재활용 PET flake를 제조하기 위한 오염물질 제거 기술(출처=윕스 / 소중한 자원, PET 재활용 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

PET 폐기물은 크게 기계적 재활용과 화학적 재활용으로 나뉜다. 지금까지의 재활용 방식은 기계적 재활용 방식으로 분쇄-세척-선별-혼합 등의 단순한 기계적 처리 공정을 통해 flake 형태로 재활용되며, 상업화가 완료되어 폐플라스틱의 90% 이상이 적용되고 비교적 적은 비용으로 탄소 발생률이 낮은 것이 특징이다. 그러나 기계적 재활용 방식은 원재료 플라스틱에 비해 품질이 낮은 단점이 있으며, 상대적으로 품질이 우수한 화학적 재활용 방식은 상용화까지의 기술 개발이 어려우며 초기 투자비용이 많이 들어 현재 시장에서 비효율적이다. 현재 생산된 재활용 PET flake는 낮음 품질로 인해 약 80%가 부직포, 인형 솜 등의 단섬유 등에 한정되어 있으며, EU의 규제를 맞추기 위한 글로벌 기업들의 니즈를 충족하기 위해서는 품질 향상이 요구되는 실정이며, 특히 고품질의 재활용 PET flake를 제조하기 위해 오염물질을 제거하는 기술이 필수적이다.

따라서 기술적 우위를 갖기 위해 선행기술 동향 분석을 통한 연구투자 방향 설정 및 연구목표 설정이 필요하다.

 

▲ [표] 기계적 재활용 vs 화학적 재활용(출처=윕스 / 소중한 자원, PET 재활용 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

PET 기계적 재활용 기술 특허 동향은

 

PET 재활용 기술 중, 재활용 PET의 품질 향상을 위해 오염물질을 제거하는 기술 또는 재활용 PET의 물성 향상을 위한 기술에 관한 특허 분석을 출원연도에 따른 특허 활동도를 살펴보면, 1999년~2000년에 정점을 보였으나 이후 감소하는 추세를 보이다가 2010년대 들어서면서 증감을 반복하며 2018년 이후 급격히 증가하는 경향이 나타났다.

 

▲ 기술 세부 분류(출처=윕스 / 소중한 자원, PET 재활용 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

1990년대 이전부터 일본, 미국, 유럽 중심으로 특허 출원을 시작하여, 1996년~2000년에 특허 출원의 절정을 이룬 후 감소하는 추세를 보였으나 2010년대부터 현재까지 중국, 한국, 미국에서의 출원이 증가되는 양상을 나타낸다.

 

▲ 출원연도에 따른 특허 활동도(출처=윕스 / 소중한 자원, PET 재활용 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

▲ 주요시장국에 따른 구간별 특허 출원 추세(출처=윕스 / 소중한 자원, PET 재활용 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

한국의 SKC가 25건의 특허를 출원하여 1위에 랭크되었으며, 다음으로 URRC(US), ILLINOIS TOOL WORKS(US), KRONES AG(DE), PHOENIX TECHNOLOGIES(US) 순으로 주로 재활용 PET 제조기업이 상위에 포함되어 있다.

 

출원인 국적별 특허 출원 현황을 살펴본 결과, 미국(US) 국적의 출원인이 가장 많은 특허를 출원하였으며 이어 한국(KR), 일본(JP), 중국(CN), 독일(DE) 순으로 나타나고 있다.

 

▲ 주요출원인의 주요시장국별 특허 출원 현황(출처=윕스 / 소중한 자원, PET 재활용 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

▲ 출원연도에 따른 기술분류별 특허 현황(출처=윕스 / 소중한 자원, PET 재활용 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

▲ 출원인 국적별 특허출원 점유율(출처=윕스 / 소중한 자원, PET 재활용 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

기술분류와 관계없이 1990년대 후반에 가장 많은 특허 현황을 나타내며, 이후 감소세 속에 오염물질 제거기술이 대부분을 차지하였으나 2018~2019년에 재활용 PET의 물성 향상을 위한

기술이 증가하고 있다.

 

오염물질 제거방법 현황을 살펴보면, 용융압출 및 세척에 특징이 있는 특허가 각각 26건으로 가장 많은 특허건수를 나타내었으며, 다음으로 기타, 고상중합, 건조-분쇄 순으로 나타나고, 용융압출 공정의 구체적인 수단으로 공정조건 개선이 17건, 장치 개선이 8건, 용융압출 전 PET 플레이트 전처리 방법이 1건이 도출되었으며, 용융압출 공정을 통해 아세트알데히드, 톨루엔 등의 휘발성 물질을 제거하고 있다. 또한, 세척 공정의 구체적인 수단으로 공정조건이 13건, 세척 조성물이 9건, 장치 개선이 4건으로 나타났으며, 세척 공정을 통해 접착제, 기타 수지성분 등을 제거하고, 기타 특허는 용제추출, 열처리, 장치개선(예시: 오염물 처리장치 도입), CO2처리 등을 포함하고 있다.

 

▲ (출처=윕스 / 소중한 자원, PET 재활용 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

대상 물성을 살펴보면, 고유점도 향상에 관한 특허가 38건으로 가장 많은 특허건수를 나타내었으며, 다음으로 색상, 기타, 클럼핑분율 순으로 나타나고, 고유점도 향상을 위한 구체적인 수단으로 고상중합조건(SSP 조건)이 10건이 도출되었으며, 용융압출과 관련된 수단으로 첨가제 9건, 압출조건 4건, 압출장치 2건이, 이외 열처리 3건, 세정조성 및 감압도 조절이 각각 2건으로 도출되었다. 또한, 변색(황변) 억제를 위한 색상 개선을 위한 수단으로 첨가제 3건 및 열처리 1건이 도출되었으며, 열처리를 통해 클럼핑 분율이 개선된 특허가 2건 도출되었고, 기타 물성으로 내충격성, 펠릿 성형성, 용융지수 등을 포함하며, 그 수단으로 각각 첨가제, 열처리, 압출장치 개선 등을 포함하고 있다.

 

▲ 출처=pixabay  © 특허뉴스

 

지식재산 전문기업 윕스 IP기획팀 문재원 팀장은 “넘쳐나는 플라스틱 쓰레기를 줄이기 위해 식품 용기에 쓰인 PET병을 세척 파쇄한 뒤 다시 식품 용기로 순환해 활용하는 이른바 ‘보틀 투 보틀(Bottle to Bottle, 이하 ‘B to B’)’ 방식의 재활용이 올해부터 국내에 도입된다. 환경부 고시안에는 ‘B to B’ 재활용을 위한 관련 업체 시설 기준과 재생원료 품질기준이 담겨있다. 기존 페트병 재활용은 버려진 PET병을 모아 주로 부직포나 인형 솜, 완충재 등 저부가가치 원료를 만드는 방식이었는데, 이렇게 만들어진 재활용 제품이 버려지면 추가 재활용이 불가능해 쓰레기로 소각 또는 매립되어 왔다”며 “때문에 재활용은 맞지만 지속가능하지 않다는 비판을 받아왔다. 따라서 PET 재활용 그 중에서도 많은 부분을 차지하고 있는 기계적 재활용 기술의 최근 국내외 개발현황과 각 적용 대상에 따른 비용분석 등 기초 자료가 면밀히 요구되며, 재활용 PET의 품질 향상을 위한 적극적인 기술개발 및 정책 지원이 필요한 것으로 판단된다”고 밝혔다. 

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