[단독][르포]플라스틱 '무한 재활용' 현실로…LG화학 연구팀 일냈다

[대전=이데일리 김은경 기자] ‘신의 물질’로 불렸던 플라스틱. 가볍고 튼튼한 데다 원하는 대로 모양을 내기 쉬운 덕에 우리 생활 곳곳을 파고들며 편리함을 제공했지만, 썩지 않는 이 물질은 이제 환경 파괴 주범으로 인류를 위협하고 있다. 만약 화학 기술을 통해 플라스틱을 ‘원료’ 형태로 되돌려 다시 쓸 수 있게 된다면 어떨까. 되돌려 낸 원료로 새 플라스틱을 만들고, 이 플라스틱에서 다시 원료를 회수하고. 이 공식만 적용되면 폐플라스틱을 소각하거나 매립하지 않고 무한으로 재활용하는 ‘제2의 플라스틱 혁명’이 가능해진다.

LG화학(051910) 연구팀은 이론으로만 존재했던 이 기술을 실제 생산라인으로 구현해 내는 데 성공했다. LG화학은 지난 25일 대전기술연구원 내부에 구축한 폴리카보네이트(PC) 화학적 재활용 파일럿(시범생산) 라인을 이데일리에 처음으로 공개했다.

LG화학 연구원이 폴리카보네이트(PC) 화학적 재활용 설비를 점검하고 있다.(사진=LG화학)

쓰레기서 원료 뽑아 쓰는 ‘제2의 플라스틱 혁명’

PC는 열가소성 플라스틱으로 주변에서 흔히 찾아볼 수 있다. 고충격, 고내열 플라스틱 합성수지인 PC는 휴대폰, 태블릿과 같은 전자기기나 투명한 고글 렌즈, 자동차 내외장재 원료로 사용하며 쌀 입자 크기의 투명한 알갱이 형태로 생산한다.

LG화학은 오랜 연구 끝에 폐 PC를 원료 형태로 되돌리는 기술을 개발해 냈다. 더 나아가 지난해 5월 전 세계 최초로 시범 생산라인을 구축해 대규모 양산 가능성을 검토하는 단계에 와 있다. 이 생산시설에서 폐 PC가 원료인 비스페놀A(BPA)로 되돌아가는 과정을 직접 확인해 볼 수 있었다.

그동안 PC를 재활용하는 기술은 ‘기계적 재활용’에 머물러 있었다. 기계적 재활용은 버려진 플라스틱 중 깨끗한 PC만 골라내 분쇄하고 세척해 다시 사용하는 물리적인 방식이다. LG화학은 이미 2008년부터 이 기술을 개발해 재활용 PC를 생산해 오고 있다. 지난해 전사 기준 1만3000톤(t)의 재활용 플라스틱을 판매했으며 향후 판매량을 지속해서 확대한다는 목표도 세웠다.

하지만 이 방식은 재활용을 거듭할수록 플라스틱 소재 내 화학적 분자가 훼손돼 2~3번 쓰면 재활용이 불가능하다는 한계가 있다. 구현할 수 있는 색상, 투명도 범위도 제한적이다. 애초에 너무 더러워지지 않은 PC만 선별해 재활용해야 한다는 점도 생산량을 늘리는 데 걸림돌로 작용한다.

이를 극복하기 위해 LG화학은 2020년 9월 첨단소재사업본부 엔지니어링사업부 내 피닉스팀을 출범하고 플라스틱을 원료로 되돌리는 방식인 ‘화학적 재활용’ 연구에 뛰어들었다. 그 결과 2021년 5월 화학적 재활용 PC 공정 기술 2종을 개발하는 데 성공했다. 현재 PC 화학적 재활용 프로젝트의 홍무호 연구위원을 중심으로 30여명의 인력이 관련 연구를 진행 중이다.

플라스틱 순환 경제 과정(왼쪽)와 폴리카보네이트(PC) 화학적 재활용 기술 도표.(자료:LG화학)

특허만 50건…관련 기술 ‘퍼스트 무버’ 도약

LG화학이 개발한 기술은 ‘비분해 공정’과 ‘분해 공정’으로 나뉜다. 비분해 공정은 말 그대로 해중합(화학적 재활용 기술방식) 과정 없이 폐 PC에 섞여 있는 첨가제 등 불순물을 분리·정제해 재활용 가능한 PC만 선택적으로 추출하고 정제·회수하는 방식이다. 최종 결과물은 하얀 가루인 PC 파우더로 나오는데, 이를 압축해 알갱이로 만드는 펠렛화 작업을 거치면 투명한 알갱이 형태인 재활용 PC 펠렛을 얻을 수 있다.

분해 공정은 해중합을 거쳐 더 까다롭다. 폐 PC에 알코올을 첨가해 해중합을 거친 후 원료인 BPA로 되돌리는 방식이다. 하얀 가루 형태인 BPA는 중합을 거쳐 순도 높은 ‘버진 PC’로 재탄생한다. 분해 공정은 화학적 재활용의 궁극적 목표인 ‘원래 플라스틱과 똑같은 성질을 띠게 한다’는 점에 더 부합하고 원료 버진 퀄리티를 유지하는 게 가장 큰 장점이나, 기술 구현 난이도가 매우 높다.

LG화학이 대전에 세운 파일럿 라인은 높이 4m에 면적 200㎡(제곱미터) 2층 규모로 오른쪽은 분해 공정, 왼쪽은 비분해 공정이 들어서 있다. 가운데 유틸리티실은 작업에 필요한 오일과 물을 공급하고 관리하는 시설로, 전체 라인의 심장 역할을 했다.

라인 전체에는 거대 압력밥솥처럼 생긴 반응기 수십 개가 줄지어 놓여 있다. 안을 들여다보니 쓰레기였던 폐 PC가 꾸덕꾸덕한 검은색 액체로 변형돼 기계로 저어지고 있었다. 옆 반응기로 갈수록 최종 물질인 원료가 정제 과정을 거친 하얀 가루 형태로 완성됐다.

LG화학은 해당 분야 기술에서 가장 앞선 것으로 파악된다. 관련 특허만 50여 건에 달한다. 홍무호 연구위원은 “PC 해중합 기술 자체는 1963년도에 일본에서 발표돼 있지만, 아직 상업화한 곳은 없다”며 “일본의 한 회사가 올해 8월 파일럿 전 단계인 벤치를 완공한다고 발표했는데 우리가 1~2년 앞서 있는 것으로 판단하고 있다”고 말했다.

LG화학 폴리카보네이트(PC) 화학적 재활용 공정의 중간체.(사진=LG화학)

친환경 규제 발맞춰 기술 역량 선제적 확보

참고할 만한 시범 사례가 없는 만큼 기술 개발이 순탄치는 않았다. 홍 연구위원은 “처음 연구를 시작할 때 화학적 재활용 시장이 크게 불붙은 상태가 아니었고, 시범 사례도 없어서 상업화에 대한 의구심이 많았다”고 회고했다. 뚝심 있게 연구를 밀고 나간 건 시장이 반드시 개화할 것이라는 확신과 함께 회사, 팀원들의 지지와 헌신 덕분이었다고 홍 연구위원은 강조했다.

그는 화학적 재활용 기술을 전기차(EV) 시장에 비유했다. 홍 연구위원은 “전기차 시장 역시 초기에는 너무 비싸고 성능이 낮아 지지부진하다가 어느 순간 비약적으로 성장했다”며 “화학적 재활용도 향후 여러 기업이 뛰어들면서 커지고, 그때가 되면 LG화학이 가장 먼저 시장에 진출했다는 사실이 빛을 발하게 될 것”이라고 말했다.

상업화까지 아직 넘어야 할 산은 많다. 홍 위원은 “화학적 재활용 PC 상업화를 위해 가장 중요한 과제는 결국 ‘버진 퀄리티’ 품질과 가격(단가) 경쟁력 확보”라며 “다만, 최근 친환경이 트렌드가 되면서 조금 더 비싸더라도 재활용 소재를 요구하는 고객들이 나타났고 프리미엄을 인정해 주는 분위기가 생기고 있어 긍정적”이라고 설명했다. 이미 국내외 복수의 대기업에서 LG화학에 화학적 재활용 PC 관련 협업 문의를 해 온 것으로 전해졌다.

산업계 전반에서 재활용 플라스틱 사용을 확대할 수 있도록 정부의 제도적 지원도 필요하다고 홍 연구위원은 당부했다. 그는 “PC뿐 아니라 재활용 플라스틱 시장이 활성화하기 위해서는 우선 원활한 폐플라스틱 수거 시스템이 구축될 필요가 있다”며 “정부 차원에서 미국, 유럽 등과 같이 재활용 소재를 사용하는 기업에 세제 혜택을 주는 등의 지원도 도움이 될 것”이라고 언급했다.

LG화학은 2025년 이후 각국의 친환경 규제 강화에 따라 화학적 재활용 PC 수요의 급격한 증가가 예상되는 만큼 상업화 역량을 선제 확보한다는 목표를 세웠다. 올 연말 상업화 직전의 실증(데모) 플랜트 설계에 착수하고 2026년 완공할 계획이다. 상업화를 위한 양산시설은 2030년 준공을 목표로 하고 있다.

LG화학의 화학적 재활용 기술이 적용된 폴리카보네이트(PC) 원료 및 제품 샘플.(사진=LG화학)