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최근 바이오 플라스틱을 비롯한 바이오 화학제품이 주변에서 쉽게 찾을 수 있을 정도로 눈에 띄는 성장을 보여주고 있다. 바이오 화학 산업은 앞으로 빠른 시간 내에 본격적인 성장기에 접어들 것으로 예상된다. ① 유전체학 발전 및 대량화 기술 개발 등으로 생산 비용이 절감되고 있고 ② 식용자원 한계를 극복할 수 있는 풍부한 비식용자원의 이용 가능성이 대두되고 있으며 ③ 기존 석유 기반 제품 수준의 물성이 확보되고 있을 뿐만 아니라 ④ 고유가가 유지되고 있기 때문이다. 바이오 화학제품을 연료 대체 제품, 석유화학 대체 제품, 정밀화학 대체 제품으로 나눠서 기술 개발 수준 등 여러 요소를 고려해 상대 평가해 본 결과 연료 대체 제품이 성장이 가장 빠르고 그 다음으로 정밀화학 대체 제품, 석유화학 대체 제품 순이 될 것으로 예상된다. 최근 풍부한 성장 가능성을 염두에 둔 많은 서구 기업들이 바이오 화학사업에 적극 진출하고 있으며, 대규모 투자가 요구되는 바이오 리파이너리 건설을 추진하는 기업들도 나타나고 있다. 농업 기업, 바이오 전문 기업 등과의 협력을 통해 종합적인 사업 역량 강화에 나서고 있는 점도 주목할 만하다. 국내 기업도 미래 신사업으로서 바이오 화학제품에 대한 진출을 적극적으로 검토해야 할 시기다.


< 목 차 >

Ⅰ. 바이오 화학제품의 성장 잠재력 평가
Ⅱ. 바이오 화학제품 시장 전망
Ⅲ. 외국 화학기업들의 대응
Ⅳ. 시사점


환경 문제가 심화되고 화석연료 고갈 가능성이 제기되면서 전세계적으로 저탄소 녹색사회로의 전환에 대한 관심이 증가하고 있다. 비록 작년말 코펜하겐에서 열린 기후변화 정상회의가 주요 국가들간의 구체적인 합의를 이끌어 내지는 못했지만 일반 대중들의 환경에 대한 인식을 한 단계 높이는 계기가 되었다고 볼 수 있다. 환경문제에 대한 사회 전반의 인식 수준이 높아지면서 기업들도 다양한 친환경 제품을 출시하고 있다. 특히 일반 소비자들이 접하는 제품들 중에서 “친환경”이라는 문구를 쉽게 접할 수 있다.

화학산업에서도 친환경 추세는 급속히 확산되고 있다. 이를 반영하듯이 최근 들어 바이오 화학제품의 개발 및 사용이 빠르게 확대되고 있는 상황이다. 천연 소재 페인트, 식물성 원료를 사용한 친환경 벽지 등은 이미 상당수 기업이 주력 상품으로 개발하고 있다. 수요산업의 호응도 긍정적이다. 코카콜라에서 만든 음료수 병중 일부는 바이오 기반의 100% 재생 가능한 ‘Plant bottle? 이다. 또한 ‘썬칩’으로 유명한 Frito-lay도 과자 포장에 사용되는 소재를 ‘Ingeo’라는 바이오 플라스틱으로 대체할 예정이다(<사진> 참조).

바이오 화학제품이란 산업 바이오 기술에 의해 생산된 화학제품으로 정의할 수 있으며 크게 연료 대체 제품(바이오 에탄올, 바이오 디젤 등), 석유화학 대체 제품, 정밀화학 대체 제품 등으로 나눌 수 있다. 연료 대체 제품의 경우 주로 수송용 연료인 휘발유나 경유 등을 대체하고 있으며 석유화학 대체 제품은 플라스틱 등을 대체하기 위해 개발되고 있다. 마지막으로 정밀화학 대체 제품은 도료나 화장품 소재 등의 분야에서 개발이 활발하다.

최근 주목받고 있는 바이오 화학제품의 향후 성장성이 어느 정도일지, 어떤 성장 과정을 밟을 것인지 예상해 보고 바이오 화학 산업의 변화가 우리에게 던져주는 시사점이 무엇인지 생각해 본다.


Ⅰ. 바이오 화학제품의 성장 잠재력 평가


대부분의 사람들은 바이오 화학제품이 최근에 개발된 제품이라 생각하겠지만 사실 바이오 화학제품은 석유 기반의 화학제품보다 훨씬 더 오래전에 개발되기 시작했다. 1860년대에 셀룰로이드(펄프를 가공해서 만들며 일용품, 학용품 등에 주로 사용) 합성 기술이 개발되면서 시작된 바이오 화학제품은 1930~40년대에 많은 제품이 개발되었다. 요즈음 여러 화학기업들이 사용하고 있는 바이오 에탄올을 원료로 이용한 에틸렌 생산 기술도 이때 처음 개발된 것이다. 그러나 석유자원의 발견으로 석유를 기반으로 한 다양한 제품들이 쏟아져 나오면서 바이오 화학제품의 경쟁력은 급속히 하락하게 되었다. 석유자원은 바이오 자원에 비해 대규모 생산 및 수송이 가능하기 때문에 생산 비용을 크게 낮출 수 있으며 또한 석유자원에서는 에틸렌, 프로필렌, 벤젠, 부타디엔 등 다양한 기초제품 생산이 가능하고 이들을 원료로 다양한 물성을 가진 제품을 만들 수 있기 때문이었다. 이후 바이오 화학제품은 전분계 플라스틱이나 셀로판 등 일부 제품만 생산되어 왔다.

1990년대에는 플라스틱의 폐기문제가 대두되면서 생분해가 가능한 바이오 화학제품에 대해 관심이 높아지기 시작했으나, 본격적인 성장으로까지 이어지지는 못하였다. 그러나 2000년대에 들어서 고유가 상황이 지속되고 온실 가스 등 친환경 문제가 대두되면서 바이오 화학제품은 새로운 성장의 계기를 맞게 된다. 바이오 화학제품이 기존 석유 기반 제품의 대안으로 부상했기 때문이다. 이후 바이오 화학제품은 다양한 기업들의 참여 하에 급속히 경쟁력을 확보하기 시작했으며 일부 제품들은 대량 생산 체제에 돌입하기도 하였다.

최근의 바이오 화학제품의 성장세는 과거에 찾아보기 힘든 현상이다. 생산 기술, 원료, 물성 등 다양한 측면에서 바이오 화학제품의 성장 요인을 분석하고 이를 바탕으로 장기적 성장 가능성을 검토해 본다.

① 생산 비용 감소

우선 바이오 화학제품의 생산 비용이 예전에 비해 현저히 낮아지고 있다. 최근 급속하게 발전하고 있는 IT 기술 및 유전체학(genomics)을 이용하면서 최적의 바이오 공정을 짧은 기간내에 개발할 수 있는 계기가 마련되었다. 신공정 개발 기간 단축을 통해 초기 투자비를 대폭 낮추게 되었고 최적의 미생물을 얻으면서 생산비용을 절감할 수 있게 되었다. BASF는 유전체학의 도움으로 호박산을 대량 생산할 수 있는 미생물의 개발 기간을 크게 줄일 수 있었으며, 앞으로는 생물정보학(bioinformatics)과 유전체학을 통해 새로운 바이오 촉매 개발이 더욱 용이해질 것으로 예상하고 있다. 바이오 촉매란 화학제품 생산 공정에 사용되는 미생물을 의미하며 바이오 촉매를 사용한 제품의 경우 일반적으로 기존 화학 공정 대비 에너지 효율면에서 유리하기 때문에 친환경적이다. 최근 Genomatica라는 신생기업은 생산하고자 하는 화학 제품에 가장 적합한 바이오 공정을 찾아 주는 시스템을 개발하여 이미 몇몇 화학 제품에 사용될 공정을 개발한 상태이다. 중장기적으로 합성 생물학(synthetic biology) 기술 발전에 힘입어 화학제품 생산 목적에 적합한 바이오 촉매용 미생물을 직접 조작하는 것이 가능해지면 생산 비용을 혁신적으로 낮출 수 있을 것으로 예상된다.

대량생산 기술의 발전도 단위 생산당 비용을 절감하는 계기가 되고 있다. 바이오 플라스틱 중 가장 발전 속도가 빠르다고 할 수 있는 PLA(Poly lactic acid) 의 경우 2000년대 들어서 Natureworks가 14만톤 규모의 생산시설을 건설하였고 추후 30만톤으로 늘릴 계획이다. 이전에는 대부분 바이오 플라스틱 제품의 생산 규모가 실험실 수준에 불과하였지만 대량 생산 기술이 발전하면서 생산 시설의 규모가 점점 확대되고 있는 상황이다. <그림 1>에서 볼 수 있듯이 PLA 외에도 다양한 바이오 플라스틱의 대량 생산 기술이 개발 완료되었으며 이에 따라 앞으로 대량 생산 제품의 등장은 계속 확대될 전망이다.

② 풍부한 비식용자원의 이용

현재 바이오 화학제품 생산에 사용되는 주원료는 옥수수, 콩, 야자 등의 식용자원이다. 최근에는 이들 자원을 에너지로 사용하기 시작하면서 식용자원 가격이 상승하였고, 이에 따라 식량자원을 연료로 사용한다는 점에 대한 거부감이 확산되기 시작했다. BASF의 연구 보고서에 따르면 전세계 식용자원 재배 가능 면적 중 30%를 에너지용으로 사용한다고 하더라도 2030년 기준 석유자원의 10%만 대체가 가능하다고 한다. 도덕적인 문제가 아니더라도 기본적으로 식용자원을 원료로 사용하는 것은 분명한 한계가 있다는 것이다.

자원 사용의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 비식용자원이 대두되고 있다. 현재 비식용자원으로 폐목재나 볏짚과 같은 식물 줄기 등이 거론되고 있으며 기업이나 학계에선 관련 기술 개발에 집중하고 있다. 최근 미국 정부에서 발간한 자료에 의하면 목재 등 비식용자원 및 가용 식용자원(식량 소비 제외)을 전부 감안했을 때 전체 미국 석유 소비량의 30% 이상을 대체할 수 있을 것으로 파악됐다. 이와 같이 풍부한 비식용자원을 이용하면 도덕적인 문제없이도 상당한 수준의 석유를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

최근에는 목재나 식물 줄기외에 해조류가 새로운 원료 후보로 대두되고 있다. 해조류의 경우 재배기간이 짧고 단위면적당 생산량이 많으며 또한 다른 식물과 달리 재배면적을 거의 무한에 가깝게 늘릴 수 있어 차세대 자원의 하나라 할 수 있다. 다만 아직 해조류를 이용할 수 있는 기술이 초보적인 단계이기 때문에 본격적으로 사용되기까지는 상당한 시간이 소요될 것이다.

③ 석유기반 제품과 대등한 물성 확보

현재 대부분의 바이오 화학제품은 생분해성 등 친환경적인 특성을 가지고 있으나 기존 화학제품 대비 물성이 떨어지는 경우가 많다. 예를 들면 식물성 친환경 도료의 경우 건강에 좋긴 하지만 기존 도료 대비 품질이 열악하다. 이런 문제로 인해 최근 바이오 화학제품의 개발 추세는 친환경적 요소를 다소 희생하더라도 바이오 매스를 원료로 이용하여 기존 화학제품과 유사한 물성을 가진 제품을 생산하는 방향으로 전환되고 있다. 예를 들어 바이오 기반 폴리에틸렌의 경우 기존 제품과 똑같은 물성을 가진 제품이다. 석유에서 생산된 나프타가 아닌 바이오 에탄올을 원료로 사용한다는 점이 다를 뿐이다. 비록 다른 바이오 제품과 비교할 때 생분해성 등과 같은 친환경 특성은 없지만 바이오 에탄올을 원료로 사용함으로써 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있기 때문에 여전히 친환경제품이라 할 수 있다. DuPont의 중요 제품인 Sorona의 경우도 기존 석유 기반 제품과 똑같은 제품이지만 바이오 매스(옥수수)를 원료로 사용했기 때문에 바이오 플라스틱으로 인정받고 있다.

PLA의 경우도 한때 대표적인 생분해성 제품으로 분류되었지만 기존 석유 기반 제품을 대체하는 데에 한계가 있기 때문에 최근 생분해성이 거의 없는 PLA 제품이 등장하였다. 일본의 Toray는 PLA의 물성을 개선하여 복사기 같은 OA 제품의 플라스틱 소재를 대체하였고 일본 Mazda는 Teijin의 생산제품인 ‘Biofront’를 사용하여 자동차 내부 시트 등을 제조하였다. 이러한 PLA 제품들이 생분해되기 위해서는 폐기시 별도의 처리과정을 거쳐야 한다.

결과적으로 과거의 바이오 화학제품은 물성 차이로 인해 제한된 시장을 가지고 있었으나 기존 화학제품 수준의 물성을 확보한 제품의 개발이 확대되면서 기존 제품의 대체 범위가 더욱 넓어졌다고 할 수 있다.

④ 고유가와 정책 지원

유가는 2007년, 2008년 배럴당 100달러 이상의 높은 수준이 지속되다가 2009년 세계 경기 침체로 인해 큰 폭으로 하락하였다. 그러나 대부분의 전망기관에서는 향후 유가가 재상승하면서 고유가 상황이 지속될 것으로 예상하고 있다. 최근 자료에 의하면 일부 바이오 제품은 앞으로 유가가 상승하면서 기존 화학제품과 동등한 원가 경쟁력을 갖출 것으로 전망하고 있다(<그림 2> 참조). 예를 들어 브라질과 같이 바이오 매스 수확에서 최종 화학제품의 생산에 이르는 모든 과정이 수직계열화를 이룬 경우 유가가 상승하면서 기존 제품 대비 동등한 수준의 원가 경쟁력을 확보했다. 그동안 석유기반 공정에 밀려 사용되지 않았던 공정인 바이오 에틸렌 생산 공정이 최근 Braskem, Dow와 같은 대형 화학기업들의 주목을 받고 있는 이유도 이러한 경쟁력 확보와 무관하지 않다. Braskem은 브라질 내에 이미 20만톤 규모의 바이오 에틸렌 생산 시설을 건설하고 있으며 Dow도 35만톤 규모의 생산 시설을 건설할 예정이다.

각국의 적극적인 정책 지원도 바이오 화학제품의 성장을 촉진할 것으로 예상된다. 미국 국가정보위원회는 2008년 바이오 연료를 포함한 바이오 화학제품을 2025년까지 경제, 사회, 문화에 대변혁을 가져올 6대 와해성 기술 중 하나로 선정하면서 기술 선점을 위해 기업체, 국가연구소, 대학 등에 연구비를 지원하고 있다. EU도 미래 경쟁력의 핵심이 될 6대 선도 시장 중 하나로 바이오 제품을 지목하면서 지속 가능 화학에 관한 유럽 기술 플랫폼 및 프레임 워크 프로그램을 통해 재생 연료 생산 시스템과 전환 기술 개발을 지원하는 등 기술 확보에 주력하고 있다. 이와 같이 주요 선진 국가들은 바이오 화학제품의 성장 잠재력을 주목하고 적극적인 육성을 추진하고 있다.

이상을 종합할 때 바이오 화학제품은 정책적 요인뿐 아니라 역량 측면에서 과거보다 훨씬 강화된 것으로 평가된다. 최근 바이오 화학제품의 성장은 일시적이기 보다는 근본적인 변화로 보이며 앞으로 바이오 화학제품은 자생적인 경쟁력 확보를 통해 점차 기존 석유 기반 제품을 대체해 나갈 것으로 예상된다.


Ⅱ. 바이오 화학제품 시장 전망


대부분의 전망기관과 기업들은 바이오 화학제품의 성장성을 긍정적으로 평가하고 있다. 그러나 전체 성장규모에 대해서는 매우 다양한 견해를 보이고 있다. 2005년 Cygnus Business Consulting & Research 에서 예상한 세계 바이오 화학제품(의약품 제외) 시장규모는 2005년 212억 달러 (전체 화학시장의 1.7%)에서 2025년 4,830억 달러(약 22%)까지 확대될 것으로 전망하였고 2009년 McKinsey 자료에 의하면 바이오 화학시장(천연고무 등 전통 바이오 사업 포함, 의약, 식품 소재 등 B2C 사업 제외)이 2007년 약 1,000억 달러(전체 화학시장의 5%)에서 2012년 약 1,530 달러(9%)로 늘어날 것으로 전망하였다. 한편 바이오 플라스틱에 대한 전망을 살펴 보면 DuPont의 최고 혁신 책임자 (Chief Innovation Officer)가 향후 10년내에 바이오 플라스틱의 대체규모가 10%미만에 머물 것으로 예상한 반면 DSM 사장은 바이오 기반 플라스틱이 향후 15년 내 전체 수지의 15~20%, 20년 내 25%를 대체할 것으로 전망했다.

바이오 화학제품은 아직까지 성장 초기 단계로 향후 성장 과정에 불확실성이 많은 것으로 보인다. 여기에서는 구체적인 전망 수치를 예상하기 보다는 바이오 화학제품을 연료 대체 제품, 석유화학 대체 제품, 정밀화학 대체 제품으로 구분하고 이들 제품간 상대 비교를 통해 전반적인 성장의 전개 과정 및 향후 모습을 제시해 보고자 한다.

1. 성장요인별 바이오 화학제품 평가

앞에서 살펴보았듯이 바이오 화학제품의 성장을 좌우하는 요소로서 기술 개발 수준, 정책 지원 수준, 소비자들의 친환경 니즈 수준, 원료 확보 용이성 등을 들 수 있다.

① 기술 개발 수준

기술적으로 가장 많이 진척이 된 제품은 연료 대체 제품이라 볼 수 있다. 에탄올의 경우 바이오 화학제품의 기초 화합물에 해당하고 바이오 디젤도 바이오 화학의 가장 기본이 되는 기술을 이용해서 생산된 제품이라 할 수 있다. 또한 휘발유, 경유 등 이들 제품이 대체하는 연료유 시장규모가 워낙 커서 기술 개발의 필요성이 다른 제품 대비 가장 크다고 할 수 있다. 한편 정밀화학 대체 제품의 경우 제품을 개발할 수 있는 다양한 루트가 있으며(<그림 3> 참조) 플랫폼 화합물을 사용하는 루트(<그림 3>에서의 ③번 루트) 등 일부 루트를 제외한 다른 루트는 기술 수준이 높기 때문에 전체적으로 기술력이 상당한 수준에 있다고 볼 수 있다. 석유화학 대체 제품의 경우 타 제품 대비 기술 수준이 낮지만 최근 많이 향상되고 있다. 그동안 소규모로 운영되던 시설들이 기술 개발에 힘입어 수만 톤 규모로 확장되고 있으며 또한 플랫폼 화합물을 바탕으로 다양한 종류의 제품을 개발하고 있다.

② 정책 지원 수준

정책적인 면을 봤을 때도 역시 연료 대체 제품 지원 정책이 다른 제품 대비 우선적으로 추진되고 있다. 바이오 연료의 경우 미국, EU 등 선진국에서 세금 감면 내지 의무 혼합 비율 지정 등을 통해 직접적인 지원 정책이 있는 반면 석유화학 대체 내지 정밀화학 대체 제품에 대한 정책은 주로 기술 개발 지원 등 간접적인 정책 지원 위주로 되어 있다. 향후 석유화학 대체 또는 정밀화학 대체 제품 사용 확대를 위한 정책이 시행되기 위해서는 인증제 등을 통해 기존 화학 제품과의 구별이 필요한데 최근 바이오 화학제품은 바이오 매스를 원료로 사용할 뿐 기존 제품과 품질 면에서 거의 차이가 나지 않기 때문에 구별이 쉽지 않을 것으로 보인다. 즉, 석유화학 대체나 정밀화학 대체 제품 사용 확대를 위한 정책 지원이 여의치 않을 수 있다.

③ 소비자들의 친환경 니즈 수준

정밀화학 대체 제품의 경우 화장품 소재, 식품 소재 등 친환경에 민감한 제품들이 많아 다른 제품에 비해 친환경 니즈가 더 많을 것으로 예상된다. 최근 들어서는 천연 소재 페인트와 같이 도료, 안료 분야에서도 친환경성이 강조되어 정밀화학 대체 제품에 대한 친환경 니즈는 더욱 확산될 것으로 예상된다. 석유화학 대체 제품도 점차 소비자들의 친환경 요구가 늘어나고 있는 상황이다. 미국 최대 유통회사인 Wal Mart에선 식품 포장재에 친환경 제품을 사용한다는 방침을 세웠으며 자동차 회사들은 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차를 중심으로 바이오 플라스틱 제품을 사용하는 등 친환경성이 중요한 제품을 중심으로 석유화학 대체 제품을 사용하는 사례가 점차 늘어나고 있다. 반면 연료 대체 제품의 경우 온실가스 감소라는 측면에서 친환경적이라 할 수 있지만 소비자 입장에서 볼 때 정밀화학 대체나 석유화학 대체 제품 만큼의 친환경성을 요구하지는 않을 것으로 판단된다.

④ 원료 확보 용이성

연료 대체 제품의 경우 옥수수 등에서 녹말을 사용하는 것 외에 바이오 디젤과 같이 식물자원의 오일을 사용할 수도 있다. 반면 석유화학 대체제품의 경우 현재까지 녹말을 이용한 공정 위주로 개발되어 있고 오일을 이용하는 경우는 아직 상업화가 제대로 이루진 경우가 드물다. 따라서 연료 대체 제품의 원료범위가 좀더 넓다고 볼 수 있다. 한편 정밀화학의 경우도 녹말을 이용하는 경우가 많지만 바이오 디젤 생산시 발생하는 부산물을 이용하는 등 다양한 루트(<그림 3>의 4번 루트)가 있기 때문에 석유화학에 비해서는 상대적으로 유리하다고 볼 수 있다.

기존 석유화학 제품의 경우 석유를 가공하면 일정비율의 석유화학 원료가 자동적으로 생산되기 때문에 연료 수요가 많다고 해서 석유화학 원료 생산을 의도적으로 큰 폭으로 줄이는 것은 현실적으로 불가능하다. 반면 바이오의 경우 생산공정을 달리하여 원하는 제품을 생산할 수 있기 때문에 연료 대체 수요가 우선한다면 석유화학 대체나, 정밀화학 대체 제품에 사용할 수 있는 바이오 매스 자원을 의도적으로 줄이는 것이 가능하다. 실제 최근 발표된 EU의 화학산업 보고서는 에너지 생산을 위한 바이오 매스 이용이 증가하면서 상대적으로 바이오 원료를 이용하는 화학산업이 오히려 피해를 볼 수 있음을 지적하고 있다.

이를 종합해 보면 바이오 연료의 대체가 타 제품 대비 가장 빠르게 진전될 것으로 예상된다. 정밀화학의 경우 화장품, 의약품 소재 등을 중심으로 대체가 이루어질 것으로 예상되며 중장기적으로 플랫폼 화합물을 이용한 기술이 개발되면 대체 범위가 급속히 확대될 가능성이 있다. 석유화학 대체 제품은 최근 기술 발전, 고유가 지속 등에 힘입어 과거에 비해 높은 성장을 지속할 것으로 보이나, 다른 제품에 비해 대체 범위가 제한적일 것으로 예상된다(<그림 4> 참조).

2. 바이오 화학제품 분야별 전망

지금까지 기술 수준, 정책 지원 수준, 원료 확보 용이성 등 주로 개별 생산 요소의 관점에서 바이오 화학제품의 분야별 성장성을 비교해 보았다. 이하에서는 연료 대체, 석유화학 대체, 정밀화학 대체 제품별로 향후 10년 후의 모습을 통합적인 시장 관점에서 그려보고자 한다.

① 연료 대체

먼저 연료 대체 제품은 선진국의 경우 적극적인 기술 개발과 정책 지원으로 인해 경쟁력을 확보하면서 2020년 기존 시장의 10% 내외 규모로 성장할 것이며 기타 지역은 선진국보다 시장 규모는 작겠지만 빠른 성장을 바탕으로 기존 니치 시장 규모에서 벗어날 것으로 예상된다. 유럽 지역의 경우 바이오 디젤 생산량이 2008년 기준 15만 배럴/일로서 디젤 수요의 4% 수준이며 2020년까지 수송용 연료 10%를 바이오 연료 등 재생가능 에너지로 대체하겠다는 목표를 세워놓고 있다. 미국은 2007년 부시대통령이 10년내 가솔린 소비를 20% 줄이겠다는 계획하에 2022년까지 바이오 연료 360억 갤런(약 2.3백만 배럴/일)을 생산하겠다는 목표를 세웠다.

원료 측면에서는 자트로파 등과 같은 작물 이외에 폐목재 등 다양한 비식용 자원 이용이 증가하면서 연료 대체 제품 사용을 더욱 촉진할 것으로 예상된다. 켐브리지 에너지 연구소 자료에 의하면 미국의 경우 2022년 바이오 에탄올 생산량 360억 갤론 중 약 210억 갤론이 옥수수 이외의 비식용자원을 사용한 바이오 에탄올일 것으로 전망하고 있다. 비식용자원의 본격적인 이용시점에 대해서는 전망기관마다 조금씩 다르긴 하지만 짧게는 5년 이후 길게 10년 이후에 가능할 것으로 예상하고 있다.

제품별로는 바이오 에탄올, 바이오 디젤외에 바이오 부탄올의 사용 비중도 점차 커질 전망이다. 바이오 부탄올은 바이오 에탄올 대비 효율이 높고 부식성이 낮을 뿐만 아니라 비식용자원에서 생산 가능하다는 장점으로 인해 새로운 대체 연료로서 부상하고 있다. 이에 석유 기업을 비롯하여 일부 화학기업까지 차세대 연료로서 바이오 부탄올 생산 기술 개발에 뛰어드는 추세이다.

② 석유화학 대체

석유화학 대체 제품의 성장은 높게 유지되겠지만 2020년경까지도 대체 수준은 그리 높지 않을 전망이다. 현재 석유화학 대체 제품 규모는 2007년 기준으로 연간 전분계 15만3천톤 및 PLA 15만1천톤을 포함하여 약 33만7천톤으로 전체 플라스틱 수요의 약 0.15% 수준이며 2009년 유럽 바이오 플라스틱 협회에서 발표한 자료에 따르면 석유화학 대체 제품이 연 21.5% 성장을 지속하여 2020년에는 연간 약 441만톤까지 성장할 것으로 전망하였다. 높은 성장에도 불구하고 기존 석유화학 시장 규모가 워낙 커서 대체 수준은 약 1%에 불과하지만 지속적인 성장을 바탕으로 장기적으로는 기존 석유화학 제품과 경쟁하는 수준까지 확대될 것으로 예상된다.

석유화학 대체 제품의 성장은 범용 제품 뿐 아니라 기능성 제품으로까지 대체 범위가 크게 확대될 전망이다. 향후 10년 동안 성장을 주도할 제품으로는 전분계, PLA, PHA(Polyhydroxyalkanoates), 바이오 에틸렌 등 범용 대체 제품과 바이오 PTT(Polytrimethylene terephthalate)와 바이오 에피클로로하이드린 등 고기능 대체 제품이 있다. 범용 대체 제품은 주로 PVC, 폴리에틸렌 등을 대체할 것으로 예상되며 추후 기술 개발을 통해 물성이 개선되면서 PMMA(Polymethyl methacrylate), ABS 등도 일부 대체할 가능성이 있다. 사용 용도로 보면 음식 용기, 의류 또는 장난감 등과 같이 음식 포장, 신체 접촉 제품을 우선적으로 대체할 것으로 예상된다. 한편 고기능 제품인 PTT는 주로 옷 등에 사용되며 바이오 에피클로로하이드린은 에폭시 수지 제조에 주로 사용된다.

③ 정밀화학 대체

정밀화학 대체 제품은 건강, 친환경에 대한 니즈가 강화되면서 식품 소재, 화장품 소재, 의약품 소재 등 건강과 직접적으로 관련된 제품의 성장이 두드러질 전망이다. 또한 이들 제품의 경우 발효, 합성 등의 과정을 거쳐 얻어진 가공성 화합물 외에 특별한 가공없이 생물체에서 유래한 천연 화합물을 이용한 제품이 많아 신제품 개발이 상대적으로 용이하기 때문에 성장에 유리하다고 볼 수 있다. 미국 통계자료에 따르면 2007년 미국내 제약회사의 매출액 중 산업 바이오 기술을 사용한 제품 비중이 이미 30%를 넘었으며 2004년~2007년 미국내 제약회사 전체 판매액이 5% 성장을 보인 반면 제약회사의 바이오 화학제품 판매 성장은 11%에 달하는 것으로 나타났다.

친환경에 대한 요구가 많아지면서 다양한 바이오 제품이 개발되겠지만 스페셜티 제품의 경우는 대체 범위가 제한적일 것으로 예상된다. 스페셜티 제품은 친환경성 보다는 고기능 특성(예를 들면 스크래치 등을 자체적으로 복구할 수 있는 페인트 등)이 중요한데 바이오 제품으로는 이러한 물성을 구현하는 데에 한계가 있기 때문이다.


Ⅲ. 외국 화학기업들의 대응


서구 기업들을 중심으로 많은 화학 기업들은 바이오 화학 사업의 성장 가능성을 인지하고 미래 성장사업으로 육성하기 위해 적극적으로 바이오 화학 사업에 진출하고 있다. 2009년 ICIS에서 석유화학, 정밀화학 등 다양한 화학기업 종사자 약 800명을 대상으로 설문 조사한 결과 응답자의 46%가 기존 공정을 녹말이나 당 또는 바이오 매스 기반의 제조공정으로 전환하는 것이 경제적으로 유리하다고 답했다. 이미 바이오 공정이나 바이오 원료를 사용하고 있다고 한 경우도 전체 응답자의 47%에 달했다. 또한 Chemical &Engineering News 에서 발표한 2008년 세계 매출 규모 Top 10 화학기업 중 바이오 화학 사업에 참여하고 있거나 적극적으로 기술 개발을 하고 있는 기업은 Dow, BASF를 비롯하여 총 6개나 된다. 이와 같이 이미 상당수의 화학기업들이 바이오 화학 사업에 진출하고 있으며 이러한 참여 추세는 점차 확대될 것으로 예상된다.

바이오 리파이너리 개념의 다양한 제품 확대에 초점

최근 들어 대형 화학기업들을 중심으로 석유의 리파이너리 개념(석유를 정제하여 석유화학 원료, 휘발유, 경유 등 다양한 제품을 생산하는 공정)을 도입한 ‘바이오 리파이너리’ 위주로 사업을 확대하는 경향이 나타나고 있다. 바이오 리파이너리를 도입하게 되면 제품 하나하나를 따로 개발하는 것이 아니라 플랫폼 화합물을 바탕으로 다양한 제품을 동시에 생산하는 것이 가능하기 때문에 기술 개발 완료시 사업 확대가 매우 용이하다고 할 수 있다. 다만 이를 위해 다양한 분야의 기술력이 필요하기 때문에 기술 개발에 상당한 투자가 필요하다. 이러한 바이오 리파이너리 개념을 적극 도입하는 회사로서 BASF, DuPont, DSM 등을 뽑을 수 있다. <그림 5>에서 볼 수 있듯이 BASF는 바이오 리파이너리를 통해 기초 원료를 확보하고 다양한 제품 개발에 집중하고 있다.

이들 기업들은 바이오 리파이너리의 도입으로 연료 대체 제품도 생산 가능하지만 최종 생산 제품으로 석유화학 대체 내지 정밀화학 대체 제품 개발에 집중할 것으로 예상된다. DuPont의 경우 연료 대체인 바이오 부탄올 개발을 위해 독자적으로 움직이기 보다는 석유 기업인 BP와 협력하고 있으며 DSM도 연료 대체 기술 확보를 통해 직접 생산 보다는 기술 판매에 초점을 맞추고 있음을 밝힌 바 있다.

농업, 화학 등 관련 기업간 협력 관계 구축

바이오 화학사업을 성공하려면 단순 화학 관련 기술을 확보하는 것 외에 원료 확보, 농업 재배 기술, 당 분해 기술 등 다양한 분야의 역량이 필요하다. 과거에는 시장내 주요 기업이 바이오 전문 기술을 가진 벤처기업들이었기 때문에 식물자원 확보 또는 판매망 구축 등이 거의 불가능하였다. 그러나 최근 대형 화학기업이 고유의 가공기술 및 마케팅 역량을 바탕으로 이러한 바이오 전문 벤처기업과의 협력을 통해 바이오 플라스틱 생산 기술을 확보하고 또한 농업기업과의 협력을 통해 원료 재배 및 당 분해 기술을 확보함으로써 바이오 플라스틱 상의 모든 핵심 역량을 구축할 수 있게 되었다. 이러한 역량 구축을 통해 결국 대량 생산 및 원가 절감을 이루게 되어 바이오 플라스틱 확산에 기여하게 된다고 볼 수 있다.

<그림 6>에서 볼 수 있듯이 대부분의 서구 대형 화학기업들은 농업 또는 바이오 전문 기업과의 협력을 통해 바이오 화학제품의 대량 생산을 위한 기틀을 마련하고 있다. 조인트 벤처를 설립하여 공동 운영하거나 단순히 농업기업으로부터 원료를 제공받는 계약을 체결하는 등 다양한 형태의 협력이 이루어 지고 있으며 앞으로 이러한 기업간 협력은 더욱 확산될 것으로 예상된다.


Ⅳ. 시사점


최근 바이오 화학 관련 연구기관 종사자 및 산업 종사자를 대상으로 한 설문 조사를 보면 최고의 경쟁력을 가진 미국을 10점으로 보았을 때 현재 국내 바이오 화학 기술은 약 6 정도에 불과한 것으로 나타났다. 제품별로 보면 석유화학 대체 제품 기술은 6.0이고 정밀화학 대체(식품, 의약, 화장품 소재의 경우) 기술은 6.2 그리고 바이오 연료 등을 생산할 수 있는 기반 기술은 5.9로서 특별히 우수한 기술을 보유한 제품이 없는 것으로 평가되었다.

국내 기업들의 활동을 보면 화장품이나 식품 소재 등 일부 정밀화학 대체 제품은 참여 기업이 34개가 되는 등 비교적 활동이 활발한 편이나 석유화학 대체 제품의 경우 일부 기업에서 주로 PLA를 이용한 컴파운딩이나 블랜딩 등을 통한 물성 개선 연구만 하고 있을 뿐 기초 연구 내지 다른 제품에 대한 연구는 아직 미미한 상황이다. 연료 대체 제품은 현재 디젤의 2%를 바이오 디젤로 혼유하고 있어 바이오 디젤을 중심으로 일정 규모의 시장이 형성되어 있는 상황이지만 생산 기술의 경우 선진국에 비해 미흡한 상황이다. 차세대 기술이라 할 수 있는 비식용 자원을 이용한 바이오 연료 생산 기술 개발도 활발하지 않다.

사실 국내 기업들은 그동안 식물 자원 확보의 어려움 등으로 인해 바이오 화학 산업에 대해 회의적인 입장을 보여 왔다. 그러나 앞에서도 언급했듯이 비식용자원 등 다양한 자원을 개발하려는 노력이 진행되고 있고 대형 화학기업들의 농업기업과의 협력을 통해 자원 문제를 적극적으로 해결하는 모습을 볼 때 국내 기업들의 입장도 변해야 할 시기라 생각된다. 국내 기업들도 바이오 화학 사업의 성장 가능성을 인식하고 미래 성장 사업의 하나로서 바이오 화학 사업을 적극 검토할 필요가 있다. 또한 보다 장기적인 관점에서 바이오 화학 산업이 탈 석유 시대의 대안이 될 수 있음을 감안해서 아직 성장 초기 단계인 지금부터 기술 역량 등 핵심 역량 확보에 관심을 가져야 할 것이다. <끝>