1. 서 론

제지산업의 원료는 펄프와 폐지(재활용 제지자원)인데, 천연펄프의 경우 국내 자급률이 낮아 2017년 기준 전체 천연펄프 사용량의 82.6%인 2,266천 톤¹⁾을 해외에서 수입하여 충당하고 있다. 따라서 우리나라의 경우 펄프의 부족을 해결하기 위하여 폐지를 재활용한 재생펄프를 활용하고 있다. 폐지는 수거 및 분급 등의 과정을 거쳐 폐골판지(OCC, old corrugated container), 폐신문지(ONP, old news paper), 폐백상지(white ledger) 등으로 나뉘어 재활용되며, 2017년 기준 제지산업 총 사용 원료의 78.5%¹⁾를 차지하고 있다. 특히, 산림자원의 부족으로 약 83%의 펄프를 수입에 의존하고 있는 우리나라 상황에서 재활용 제지자원으로서 폐지가 갖는 의미는 매우 크다. 폐지 유통단계는 최초 배출자(가정, 사무실 등), 수집업체(고물상), 원료업체(압축장) 그리고 제지업체로 구분할 수 있다. 폐지의 최초 배출원은 생활권(가정), 산업권(공장), 기타 발생처(사무실)로 나뉠 수 있는데 폐지 발생률은 가정에서 76%, 사무실에서 12%, 공장 등에서 12%가 배출된다.²⁾ 가정, 사무실 공장 등에서 배출된 폐지는 고물상에 의해 수집되고 중간 처리업체로 보내져서 선별과정을 거친 후 압축·포장되어 압축 베일의 형태로 해당 지종의 용도에 맞게 주로 골판지 원지와 신문지를 제조하는 제지업체에 납품된다. 그러나 이러한 폐지는 종종 가정, 사무실, 공장 등과 같은 최초 발생처에서 용도별로 분리가 제대로 되지 않은 상태로 배출된다. 또한, 1차 수집장소인 고물상은 그 시설이 열악하여 폐지에 수분 및 이물질이 다량 포함되어 있다. 이처럼 배출 및 수집단계에서 선별 및 분리가 되지 않은 폐지는 수분과 이물질이 혼입된 상태로 또는 지종별로 구분되지 못하고 다양한 지종이 혼재한 상태로 압축·포장되어 원료로 사용되기 때문에 재활용 제지자원으로서 품질 저하의 원인이 되고 있다.³⁾

우리나라에서는 폐지 중간상인이나 민간 수집업체(고물상)들이 고정 거래처가 없어 당일 가격 조건에 따라 납품처를 결정하는 사례가 많다. 영세 유통업자들이 이물질 제거, 품질 제고의 노력보다는 시세 가격 위주의 거래 습관으로 폐지 품질이 아닌 폐지의 수급 상황에 따라 움직이고 있는 구조이다. 즉, 국내 폐지 가격은 품질보다는 폐지의 수급 상황이 우선시되어 폐지 물량이 가격 결정에 큰 영향을 미치고 있다. 일반적으로 폐지의 가격은 중량을 기준으로 결정되는데 폐지 중량을 늘리기 위해서 가수(加水)행위 및 이물질 삽입 등의 문제가 발생한다. 이렇게 수분과 이물질이 혼입된 폐지가 종이 생산을 위한 원료로 사용될 경우 제지 제조 수율은 낮아지게 된다. 실제 제지공장에서 최종 제품으로 생산되는 제품의 수율이 80%를 넘지 못하고 있으며 이는 원료의 20% 이상이 종이 원료로 사용되지 못하는 폐기물로 배출되어 소각되거나 매립되고 있음을 의미한다.

국내 제지업체의 경우 수분과 이물질을 제외한 실질적인 원료로 사용되는 중량을 검수하기 위하여 감량이라는 방법으로 압축폐지의 중량을 검수하는데 실질적으로 압축폐지 감량에 대해서 객관적으로 신뢰할 수 있는 정확한 기준이 없는 실정이다. 일반적인 납품의 경우에는 납품되는 제품에 하자가 있으면 반품의 형식을 취하지만 제지업계의 경우에는 감량이라는 형식을 통해 납품을 받아준다. 때로는 제품의 품질에 대해서만 감량을 하는 것이 아니고 그 시점에서의 재활용 제지자원의 수급 상황에 따라 감량을 하기도 한다. 결국, 객관적 자료에 근거해서 재활용 제지자원의 가치가 결정되지 못하고 육안판별에 근거한 감량이 시행됨에 따라 수요 공급자 간의 갈등이 초래되고 있으며, 시장의 수요, 공급 상황에 따라 결정된 가격이 유통 기준이 되지 못하고 제3의 요소인 감량에 의해 거래가 이루어지는 상황이다. 재활용 제지자원의 경우는 자연적으로 수분이 함유되어 있고, 또한 타 지종이 혼합되어 있기 때문에 입고된 무게를 인정하지 않고 감량을 하는 것을 원칙으로 하나, 국내의 경우 대부분 수분 함량(함수율)에 따라 감량을 하여 가격을 결정한다.

우리나라 폐지의 수거량은 제조업체에 공급된 재활용 제지자원의 무게를 모두 합산한 것으로, 공급된 폐지 중에는 금속, 비닐, 플라스틱, 유리병 등의 원료로 사용할 수 없는 이물질이 다량 포함되어 있을 뿐만 아니라 원료 내 수분 함량의 불균일하다는 문제점을 갖고 있다. 제지자원 원료로서 폐지의 품질은 공정, 생산, 관리 측면에서 여러 가지 문제점을 발생시켜 재활용 제지자원 이용에 장애, 나아가 제지자원 발전에 큰 저해 요인으로 작용하고 있다. 따라서 폐지 품질에 대한 객관적인 검수, 관리 시스템 구축이 절실하다. 압축폐지의 품질을 검수하는 방법으로 수분 함량 위주로 측정하는 정전용량식, 마이크로웨이브(Microwave) 센서 방식과 수분 함량과 플라스틱 등의 이물질 모두 측정이 가능한 근적외선 방식(NIR, Near InfraRed) 등이 이용되고 있다.

유럽의 경우는 근적외선 측정방식의 센서 측정기와 고주파 측정방식의 마이크로웨이브 센서 측정기 사용을 권장하고 있다.⁴⁾ 그 밖에도 동남아국(필리핀 베트남), 중국 등의 골판지 제지회사 위주로 각 지역 환경 및 회사 상황에 적합한 압축폐지 검수 장비를 도입·설치하고 있다.⁵⁾ 국내의 경우에도 2017년 이후 제지회사 2곳에서 마이크로웨이브 센서 측정방식의 압축폐지 검수 장비를 구축하여 운영하고 있으나 아직까지 널리 보편화되지 않은 실정이다.

이와 같이 국내외적으로 순환제지자원을 활용하면서 그 문제점을 해결하고 자원으로서 가치를 확대하기 위해서는 압축폐지 품질을 객관적으로 평가할 수 있는 검수 장비의 설치가 요구되고 있으며, 특히 국내의 경우 현장 평가를 통해 적용 가능한 압축폐지의 검수 기준을 세우고 기술의 신뢰성을 확립할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 제지공장에 입고되는 압축폐지를 대상으로 근적외선 센서 수분 측정기와 마이크로웨이브 센서 수분 측정기를 활용한 방법과 국제 표준 규격의 함수율 측정 방법을 비교 분석하여 압축폐지 수분 함량 분석기술에 대한 신뢰성을 검증하고 압축폐지 품질 검수를 위한 수분 측정기 장비의 기초 자료를 제공하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

2.1.1 압축폐지

본 연구에서는 휴대용 근적외선 센서 수분 측정기와 고주파를 이용한 마이크로웨이브 센서 수분 측정기의 압축폐지 수분 측정 효율의 비교평가를 위해서 압축장과 제지사에 보관되어 있는 압축폐지와 차량에 적재되어 제지공장에 입고되는 폐골판지, 폐신문지, 혼합폐지(Mixed), 폐백상지 등의 압축폐지를 이용하였다.

2.1.2 압축폐지 수분 측정기

2.1.2.1 휴대용 근적외선 센서 수분 측정기

휴대용 근적외선 센서를 이용한 수분 측정기로는 프랑스 국립펄프제지연구소(CTP, Centre Technique du Papier)의 기술이 적용된 TechPap사 모니터(Monitor)와 독일제지연구소 PTS의 PBS(Paper Bale Sensor) 등이 있다. 압축폐지의 수분과 이물질을 측정하기 위하여 근적외선 파장 중 수분의 파장인 1,440 nm와 1,940 nm가 활용된다.⁶⁾Fig. 1에 본 실험에 사용된 휴대용 근적외선 센서 기반 측정 장비 휴대용 모니터(Portable monitor, TechPap, France)와 압축폐지에 천공을 뚫기 위한 휴대용 코어 드릴 장비를 나타냈다.

Fig. 1.

Portable NIR sensor tester and core drill set for measuring moisture content of recovered paper bale.

2.1.2.2 마이크로웨이브 센서 수분 측정기

마이크로웨이브 센서를 이용한 압축폐지 수분 측정 장비는 Dunakontroll Kft사(Hungary)에서 개발된 HPNA 시스템을 사용하였다. Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같이 HPNA 시스템의 구성은 송신 및 수신 안테나, 트럭의 속도를 감지하고 측정지점을 결정하는 레이저 스캐너 및 웹기반 사용자 인터페이스 유닛으로 구성되어 있다. HPNA microwave 센서 시스템을 이용한 측정 방법은 압축폐지를 적재한 트럭이 5 km/min 미만의 속도로 고주파 송신 및 수신 안테나를 통과할 때 발생되는 915~925 MHz 주파수 범위의 고주파 파장이 투과하는 정도를 측정하여 압축폐지 내 수분 함량을 측정한다. 트럭에 적재된 압축폐지의 70% 이상을 스캔하여 평균값을 도출한다.⁷⁾Fig. 2(b)는 실제 제지공장에 설치된 마이크로웨이브 기반의 수분 측정 장비 이미지이다.

Fig. 2.

Analysis of recovered paper bales by using microwave moisture measurement system.

2.2 실험방법

2.2.1 측정 방법에 따른 압축폐지의 함수율 분석

본 실험에서는 측정 방법에 따른 압축폐지 수분 함량을 비교하기 위하여 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 H사에 입고되는 차량에 적재된 압축폐지를 대상으로 휴대용 코어 드릴을 이용하여 압축폐지에 천공을 하면서 전건법(KSM ISO 287)으로 수분 함량을 측정하기 위한 내부 샘플을 채취한 후, 코어 드릴에 의해 만들어진 천공으로 휴대용 근적외선 센서 측정기를 삽입하여 수분 함량을 측정하였으며, 마이크로웨이브 센서를 활용한 압축폐지의 수분 함량 분석은 2.1.2.2에 나타낸 바와 같이 측정하였다. 각각의 측정법으로 분석한 압축폐지의 수분 측정 결과를 비교 평가하였다.

Fig. 3.

Moisture content of recovered paper bales by using NIR and microwave sensor system.

휴대용 근적외선 센서 기반 측정법과 전건법의 경우 혼합폐지, 폐신문지, 폐골판지는 차량에서 압축베일 2개를 무작위로 선정하여 각각의 압축베일당 1번씩 수분 함량을 측정하였고, 폐백상지는 6개의 압축베일을 무작위로 선택하여 압축베일당 2번씩 수분 함량을 측정하였다. 마이크로웨이브 센서 기반 수분 측정기의 경우에는 차량에 적재된 압축폐지의 70~80%를 마이크로웨이브로 스캔하고, 약 70 cm 간격으로 수분 함량을 분석하여 이들에 대한 평균값을 계산하였다.

2.2.2 보관장소 및 환경에 따른 휴대용 근적외선 수분 측정기 및 전건법에 의한 압축폐지 수분 함량 분석

보관장소 및 환경에 따른 수분 측정기의 유의성을 평가하기 위하여 압축장 1곳, 제지사 3곳을 방문하여 Fig. 4와 같이 휴대용 근적외선 기반 검수 장비를 이용하여 각각의 업체에서 보관 중인 폐골판지 압축폐지의 수분을 측정하였다. 휴대용 코어 드릴(core drill)을 이용하여 압축폐지에 천공을 뚫은 후 천공 내부로 근적외선 센서를 천천히 나선형으로 삽입하면서 천공된 압축폐지 내부의 수분 등을 실시간으로 측정하였다. 그리고 코어 드릴로부터 얻은 압축폐지 내부 샘플을 오븐 드라이어(105℃)에서 24시간 동안 건조하여 함수율을 측정 비교하였다.

Fig. 4.

Moisture content of recovered paper bales by using NIR and microwave sensor system.

3. 결과 및 고찰

3.1 측정 방법에 따른 압축폐지의 함수율 분석

근적외선 센서 및 마이크로웨이브 센서를 적용한 수분 측정기의 유효성을 평가하기 위하여 폐골판지 5종, 폐신문지 1종, 혼합폐지(mixed) 1종, 폐백상지 1종 등 총 8종에 대하여 각 측정법에 따른 압축폐지의 수분 함량을 측정하여 비교 평가하였다. 각각의 측정법에 따른 압축폐지 8종의 수분 측정값을 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5.

Moisture content of the different kinds of recovered paper bales analyzed by NIR sensor, microwave sensor, and oven-drying methods.

Fig. 5에 나타난 바와 같이 압축폐지 지종에 따라 수분 함량 측정값의 유의성이 다르게 나타났다. 폐백상지와 폐신문지의 경우 수분 함량 측정값 간 편차가 1~2%로 수준으로 유의성이 비교적 높았으나 혼합폐지 및 폐골판지는 각 측정법 간 압축폐지의 수분값의 편차가 약 10~20% 수준으로 폐백상지와 폐신문지와 비교하여 유의성이 낮았다.

측정값의 유의성이 높은 폐신문지(ONP) 압축폐지의 경우 근적외선 센서, 마이크로웨이브 센서, 전건법 순으로 38.2%, 36.2%, 38.2%로 측정되었으며 측정법 간 수분값 차이가 약 2% 수준이었다. 폐백상지(White ledger)는 16.9%, 17.4%, 16.8%로 측정되었으며 측정법 간 수분값 차이는 약 1% 수준이었다. 폐백상지(White ledger)는 주로 인쇄용지로부터 발생되는 폐지로서 다른 폐지와는 달리 수분 및 이물질 등 품질 관리가 잘되는 순환제지자원 중 하나이다.⁸⁾ 국내 재활용 제지원료의 운반 및 유통구조를 고려하였을 때 국내 압축폐지의 함수율은 국제적으로 통용되는 일반 대기 상태에서의 압축폐지 함수율 12%에 비해 높게 측정되는데,⁹⁾ 본 연구에서 도출된 분석값은 16~17%로 압축폐지 내 수분이 다른 지종에 비해 상대적으로 적고 균일하게 분포되어 있는 것으로 판단된다. 이와 같이 균일성이 확보된 압축폐지 지종의 경우 근적외선 센서 및 마이크로웨이브 센서 수분 측정기를 통해서도 수분함량을 정확하게 측정할 수 있었다.

폐신문지(ONP) 압축폐지 경우도 각 측정 방법에 따른 수분 함량 분석결과의 편차가 크지 않았지만, 압축폐지 내 수분 함량이 36~38%로 매우 높게 분석되었다. 우리나라 재활용 폐지의 관리 현황 및 환경을 고려하여 압축폐지에 대기 함수율보다 많은 양의 수분이 포함될지라도 수분 함량 분포가 균일하면 검수 장비를 이용하여 폐지 내 수분 함량을 정확하게 측정할 수 있음을 확인하였다.

측정값의 유의성이 낮은 혼합폐지(Mixed)와 폐골판지(OCC#1-OCC#5) 압축폐지의 경우 각 측정법에 따라 수분 측정값 차이가 10~20% 정도로 그 차이가 컸고, 특히 폐골판지(OCC#1-OCC#5) 압축폐지의 경우는 각각의 압축폐지와 비교하여도 수분 함량 편차가 컸다. 그리고 일부 압축폐지의 경우 근적외선 센서 및 마이크로웨이브 센서의 수분 측정값 한계 범위인 50% 및 30% 이상의 수분 함량이 측정된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 불균일한 수분 함량 및 분포는 객관적인 품질 검수를 저해하는 요소로 작용한다고 판단된다.

폐지의 함수율이 높고 압축폐지 내 불균일한 수분 함량 분포를 가지는 경우 측정법 간 편차가 크게 분석되었다. 그러나 이러한 결과는 본 연구에서 측정 가능한 압축폐지 표본 수량이 매우 적은 것으로부터 비롯된 것으로 판단되며, 수분 함량이 높고 불균일한 분포를 나타내는 경우 압축폐지의 경우각 측정 방법에 따른 분석 결과의 유의성을 판단하기에는 한계가 있다고 판단된다. 따라서 향후 압축폐지 검수 장비를 제지사 현장에 도입할 때는 근적외선 센서 및 마이크로웨이브 센서를 이용한 함수율 측정에서 발생할 수 있는 오차 요인을 선별하고 다수의 통계적 데이터를 확보함으로써 검수 장비의 측정 한계에서 발생하는 오류를 최소화하여야 할 것이다.

3.2 보관 환경 및 장소에 따른 휴대용 근적외선 센서 및 전건법에 의한 압축폐지 수분 함량 분석

서로 다른 환경에 놓여 있는 압축폐지에 대한 검수 장비의 유효성을 평가하기 위하여 3개의 제지회사와 1개의 압축장에서 다른 환경에 보관중인 폐골판지 압축폐지를 대상으로 휴대용 근적외선 센서 기반 측정 장비와 전건법으로 수분 함량을 측정하였으며 그 결과를 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Results of moisture content obtained by NIR sensor and oven-drying methods

Company	Items	Unit	Moisture content of recovered paper bales
			1	2	3	4	5	6	7
A	Tester (NIR)	%	42.7	40.2	32.4	13.8
	Oven dryer	%	52.7	46.1	37.1	17.1
	Difference (Tester-O.D.)	%	-10	-5.9	-4.8	-3.3
B	Tester (NIR)	%	25.1	8.5	14.6
	Oven dryer	%	22.6	10.2	14.8
	Difference (Tester-O.D.)	%		-1.7	-0.2
C	Tester (NIR)	%	40.6	16.3	17.7	38.7	14.2	15.3
	Oven dryer	%	32.1	11.8	11.5	39.7	18.3	14.4
	Difference (Tester-O.D.)		8.57	4.49	6.16	-1.0	-4.1	0.9
D	Tester (NIR)	%	32.3	23.0	12.7	31.7	26.3	19.0	16.9
	Oven dryer	%	17.7	30.5	15.6	37.2	23.6	14.7	16.6
	Difference (Tester-O.D.)	%	14.6	-7.5	-2.9	-5.5	2.7	4.3	0.3

압축폐지를 대상으로 한 전건법과 근적외선 센서의 수분 측정값은 최소 0.2%에서 최대 14%까지 차이가 발생하였으며 평균 약 4.45%의 수분 측정값 편차를 나타내었다. 이는 전건법 분석용으로 코어 드릴을 이용하여 압축폐지의 내부 시편을 얻게 되는데, 이때 내부에서 외부로 유출되어 얻을 수 있는 샘플량에 한계가 있기 때문에 천공된 위치의 압축폐지 내부 수분 함량이 모두 반영되지 못한 결과로 판단된다.

비록 압축폐지의 내부 시편 채취 부족에 따른 두 측정법 간 편차가 있지만 Fig. 6에서 보는 바와 같이 전건법과 근적외선 센서의 수분 측정값은 선형적인 상관관계를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터 압축폐지가 무작위적인 보관 장소에 놓여있더라도 보관 환경에 상관없이 수분 측정 장비를 이용하여 객관적으로 유효한 압축폐지의 수분 측정이 가능한 것으로 판단된다.

Fig. 6.

Relationship of moisture content in the recovered paper bales with NIR sensor and oven-drying method.

4. 결 론

본 연구에서는 압축폐지의 대표적인 함수율 검수 장비인 근적외선 센서 측정기 및 마이크로웨이브 센서 측정기를 이용하여 제지현장에 보관하거나 차량에 입고되는 압축폐지의 수분 함량을 측정하고 전건법과 비교, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, 각각의 근적외선 센서, 마이크로웨이브 센서, 전건법으로 혼합폐지, 폐골판지, 폐신문지, 폐백상지 등 압축폐지의 수분 함량을 측정한 결과 폐백상지 압축폐지와 같이 품질관리가 잘된 압축폐지는 측정법에 상관없이 동일한 수분 함량이 측정되어 측정법 간의 유의성이 높았다. 반면 수분 함량 분포가 불균일한 폐골판지 압축폐지는 각 측정법에 따라 수분값의 편차가 높아 측정법 간 유의성이 낮았다. 이는 본 연구에서 측정된 표본 수량의 한계로 차이가 발생한 것으로 판단된다. 상기한 부분은 향후 현장에서 검수 장비 도입에 따른 다수의 통계적 데이터를 확보, 축적하여 검수 장비의 측정 한계에서 발생하는 편차를 최소화하여야 할 수 있을 것으로 판단된다.

둘째, 임의적으로 다른 보관 환경 및 장소에 있는 압축폐지에 대하여 수분 측정기의 유의성을 평가하기 위하여 근적외선 센서 측정기 및 전건법을 이용한 수분값을 비교한 결과 선형적인 상관관계가 나타났다. 즉 보관장소 및 환경에 상관없이 수분 측정 장비를 이용하여 객관적으로 유효한 압축폐지의 수분 측정이 가능함으로 확인하였다.

근적외선 및 마이크로웨이브 센서 수분 측정기 모두 객관적으로 신뢰 가능한 압축폐지의 수분 측정이 가능한 것으로 판단된다. 그러나 기술의 한계를 가지고 있는 것도 사실이다. 근적외선 센서 측정기는 수분뿐만 아니라 플라스틱, 회분(ash), 금속 등의 이물질 함량 측정도 가능하지만 입고되는 차량에 적재되어 있는 압축폐지의 일부만 측정이 가능하기 때문에 장기간의 데이터 축적을 통해 압축폐지의 품질을 관리해야만 하는 한계를 가지고 있다. 마이크로웨이브 센서 기반 측정기는 차량에 적재되어 있는 압축폐지의 70~80% 범위에서 측정이 가능하지만 수분만을 측정하는 한계를 가지고 있다. 압축폐지의 경우 유통단계에서 분리·선별이 미흡한 관계로 수분 외 플라스틱 등 다수의 이물질이 혼합되기 때문에 마이크로웨이브 센서 측정기는 압축폐지 수분 측정 후 이물질 함량 분석을 별도로 실시, 관리해야만 하는 한계를 가지고 있다. 압축폐지의 품질을 검수하는 두 장비의 장단점은 명확하나 신뢰 가능한 객관적인 품질 검수가 가능한 만큼 두 장비의 측정기술의 장, 단점을 고려하여 각 제지회사의 환경과 상황에 맞게 검수 장비 도입이 제안되어야 할 것으로 판단된다.