지속가능한 발전이라는 새로운 패러다임의 등장으로 환경오염 사전예방에 대한 중요성이 강조되면서 공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키기 위한 노력이 증가하고 있다[1]. 공정 시스템과 제품의 설계 단계에서 환경적 영향을 미리 고려한다면 설치, 운영, 사용, 폐기 단계 등의 전과정에서 발생하는 환경부하와 비용을 효과적으로 저감시킬 수 있다[2]. 환경 선진국에서는 환경오염 사전예방 활동의 장점을 적극적으로 활용하기 위하여 다양한 형태의 환경정책과 환경인증제도를 도입하고 있으며, 기업이 환경경영 활동으로 친환경적인 공정시스템과 제품을 개발하도록 유도하고 있다[3]. 소비자들도 환경에 대한 인식이 점차 높아짐에 따라 시장에서 친환경제품의 경쟁력이 점점 높아지고 있어 기업에서는 공정시스템과 제품의 친환경설계를 적극적으로 도입하기 위해 노력하고 있다[2].

청정생산과 친환경제품의 개발을 통한 환경오염 사전예방 활동이 전세계적으로 확산되고 있다. 선진국에서는 제품의 설계시 환경경제효율성(eco-efficiency)을 고려하여 경제성과 환경성을 동시에 향상시킬 수 있도록 하였다[4]. 특히, 생태산업단지(eco-industrial Park), 에코디자인(eco-design)과 같은 개념을 바탕으로 친환경적인 제품, 공정시스템, 서비스 등의 개발에 역점을 두고 있다[3,5-8]. 지구온난화 문제를 해결하기 위한 기후변화협약도 산업부문에서 온실가스 발생량을 감축할 수 있도록 요구하고 있다[9]. 한국에서는 “저탄소녹색성장 기본법”을 제정하여 이산화탄소·에너지 목표관리제와 배출권거래제를 추진하여 국내 산업구조를 친환경 체제로 변환시키고자 노력하고 있다[10]. 이와 같이 친환경 공정시스템과 제품을 개발하기 위한 정책적 노력이 증대되고 있기 때문에 친환경설계는 우리사회의 지속가능성을 높이는데 많은 기여를 할 것으로 예상된다.

친환경설계는 공정시스템과 제품의 전과정과 공급사슬에서 발생되는 다양한 환경영향의 발생 잠재력을 고려하기 위하여 전과정평가(life cycle assessment, LCA)를 적극적으로 활용할 필요가 있다[11]. Figure 1에 나타난 것처럼, 공정시스템과 제품의 환경영향은 원료채취, 수송, 제조, 설치, 사용, 운영, 폐기 단계와 같은 전과정과 공급사슬에서 직접적, 간접적으로 발생하기 때문에 모든 단계를 고려할 수 있는 전과정평가의 적용이 필요하다. 환경부하는 설계 방법에 따라 설치, 운영, 폐기 단계들 사이에서 서로 전이되거나 상충될 수 있기 때문에 전과정을 동시에 고려하여 친환경설계를 해야 한다[12]. 전과정평가는 다양한 환경영향(예를 들면, 지구온난화, 자원고갈, 산성비, 광화학스모그 발생, 인체 및 생체 독성 영향 등)을 정량적으로 평가할 수 있기 때문에 공학적, 관리적으로 적용성과 응용성이 우수하다[13]. 전과정평가는 정량적인 특성으로 인해 공정시스템과 제품의 주요 설계인자를 쉽게 규명하는데 이용할 수 있으며 수학적이고 공학적인 응용이 가능하다.

본 리뷰 논문의 목적은 공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키기 위하여 전과정평가를 친환경설계에 적용하는 방법론을 제시하고, 용수네트워크시스템과 휴대폰의 친환경설계에 대한 전과정평가의 활용 사례를 소개하는 것이다. 공정시스템에 대한 친환경설계 방법론은 전과정평가를 적용하여 공정시스템의 환경부하를 정량적으로 평가한 후 환경부하의 주요인자를 규명하고, 이 주요 인자들의 환경영향을 최소화하기 위해 전과정평가를 수학적 최적화 모델에 접목시키는 것이다. 제품에 대한 친환경설계 방법론은 제품에 포함되어 있는 물질이 폐기단계를 통해 인체나 생태계에 미칠 수 있는 영향을 전과정평가를 이용하여 평가하고, 독성이 있는 물질의 사용량을 저감시키거나 친환경 물질로 대체할 수 있도록 제품 개발과 관련된 다양한 전문가들이 협력을 하는 것이다. 본 리뷰 논문에서 소개된 친환경설계의 방법론과 사례들은 다양한 분야의 공정시스템과 제품에 응용될 수 있기 때문에 우리 사회의 환경성과 지속가능성을 향상시키는데 기여할 수 있다.

공정시스템의 환경성을 향상시키기 위한 방법론은 Figure 2와 같다. 공정시스템의 친환경 설계를 위해서는 시스템의 각 구성요소가 발생시키는 환경부하를 정량적으로 평가분석하고, 환경 영향력이 큰 주요 구성요소의 환경부하를 수식화하여 환경영향을 최소화할 수 있도록 수학적 최적화 모델을 개발하여야 한다. 공정시스템에서 발생하는 환경부하를 계량화하기 위하여 전과정평가를 이용한다. 기존 공정시스템에 대하여 전과정평가를 실시하여 시스템 구성요소에서 발생하는 환경부하량을 다양한 환경범주별로 평가한다. 이 결과를 바탕으로 환경부하를 효과적으로 저감시키기 위하여 고려해야 할 주요 인자의 우선순위를 규명한다. 선정된 주요 인자들의 환경부하량을 수식화하기 위해서는 에너지 및 자원 사용량, 오염물질 배출량 등을 변수로 하고 전과정평가에서 사용되는 특성화인자(즉, 단위 사용량/배출량에 대하여 발생하는 환경영향)를 매개변수로 사용한다[14]. 시스템내의 물질과 에너지에 대한 수지식과 더불어 현장 상황과 제한사항을 수식화하고, 저감하려는 대상 환경부하를 최소화하기 위하여 목적함수를 수식으로 나타내어 공정시스템의 설계를 위한 수학적 최적화 모델을 도출한다. 수학적 최적화 모델의 최적해를 구하기 위하여 GAMS[15] 등과 같은 소프트웨어를 사용할 수 있다. 수학적 최적화 모델로부터 도출된 최적해를 바탕으로 친환경 공정시스템의 설계가 완성된다. 친환경 공정시스템에 대해서도 전과정평가를 실시하여 환경부하량이 큰 주요 구성요소가 기존의 공정시스템에 대한 것과 같은지 비교평가하여 검증할 필요가 있다. 만약 친환경 공정시스템의 주요 구성요소가 기존 공정시스템의 것과 다르다면 추가된 구성요소에 대한 환경부하를 수식화하여 수학적 최적화 모델을 보완하여야 한다. 수학적 최적화 모델의 목적함수를 공업용수의 사용량이나 비용을 최소화하도록 설계한 공정시스템에 대해서 전 과정평가를 실시함으로써 환경영향에 대한 주요 인자를 미리 알아내는 것도 효율적인 설계를 위해서 필요하다.

용수네트워크시스템의 설계는 공장에서 발생하는 폐수를 재이용하여 사용되는 공업용수의 유량과 비용을 최소화하기 위하여 사용되어 왔다[16]. Figure 3은 이러한 용수네트워크시스템의 개념을 도식화하여 나타낸 것이다. 용수네트워크시스템은 깨끗한 용수만을 사용하는 기존의 용수공급시스템에 용수와 폐수를 혼합할 수 있도록 배관과 펌프를 추가로 설치함으로써 생산공정에서 요구하는 수질의 물을 공급할 수 있다[5]. 이렇게 폐수 재이용을 활용하여 공업용수의 사용량을 감소시키면 용수의 전과정과 공급사슬(즉, 취수, 이송, 처리, 공급, 폐수처리 등)에서 발생하는 환경부하와 용수의 경제적 비용을 함께 저감시킬 수 있다[12]. 이러한 용수네트워크시스템을 설계하기 위해서는 공업용수 유량과 수질관리 항목에 대하여 물질수지를 작성하여 공업용수의 사용량을 최소화시킴으로써 시스템 요소를 최적화할 수 있는 수학적 모델을 개발하여야 한다[12,16].

용수네트워크시스템의 친환경설계를 위한 첫 번째 단계로서, 환경부하를 많이 발생시키는 주요 구성요소를 규명해야 한다. Figure 4는 제철공장에서 운영되는 기존의 용수공급시스템을 폐수 재이용이 가능한 시스템으로 변경한 설계의 결과를 보여준다[11](여기에서 사용된 자세한 수학적 최적화 모델은 [11]를 참고). 이 용수네트워크시스템에서는 공업용수 대신 폐수를 일부 이용함으로써 공업용수 사용량과 폐수 발생량을 동시에 감소시켰다. 하지만, 폐수를 재이용하기 위해서는 배관과 펌프의 설치가 추가적으로 필요하고 펌프 가동을 위한 전기도 소모된다. 따라서, 기존의 용수공급시스템과 새로 설계된 용수네트워크시스템에서 각각 요구되는 설계인자의 물리량(예, 용수 및 전기 사용량, 배관 필요량 등)을 서로 비교해서는 환경성이 어떻게 변화되었는지 판단하기 어렵다. 이러한 문제점을 해결하고 환경성을 정량화하기 위하여 전과정평가가 필요하다. Figure 4에 나타난 두 시스템의 전과정 지구온난화영향을 평가하기 위하여 CML 2001 방법[11]을 적용한 결과를 Figure 5에 나타내었다. 두 시스템으로부터 발생하는 지구온난화영향의 대부분은 공업용수, 순수, 전기의 사용으로 발생하였으며, 용수네트워크시스템은 기존의 용수 공급시스템보다 기후변화 대응 능력이 우수함을 알 수 있다 [11]. 이러한 경향은 지구온난화영향 범주뿐만 아니라 다른 환경영향 범주에도 유사하였다[11]. 여기에서 규명한 주요 환경부하의 유발인자들은 친환경설계를 위한 수학적 최적화 모델을 개발하기 위하여 사용된다.

용수네트워크시스템의 친환경설계를 위해 필요한 수학적 최적화 모델을 개발하기 위한 구체적인 방법과 절차를 Figure 6에 나타내었다. 주요 환경영향 인자로 규명된 공업용수, 순수, 전기 사용량을 수식화하여 수학적 최적화 모델의 목적함수를 도출한다. 본 사례에서는 다양한 환경범주의 부하들을 동일한 단위로 통합하여 나타내기 위하여 EPS 2000 방법[12]을 사용하였다. 이 방법은 환경부하와 같은 외부비용을 화폐가치로 환산하기 위한 것으로서 환경경제학에 이론적 바탕을 두고 있다. EPS 2000 방법을 이용하면 모든 종류의 환경영향은 환경부하단위(environmental load unit, ELU)으로 표현된다[12]. 따라서, EPS 2000 방법을 이용하면 수학적 최적화 모델의 목적함수에 포함되어 있는 주요 인자들의 다양한 환경부하를 단일 단위로 수식화할 수 있다. 수학적 최적화 모델을 개발하기 위해서는 공업용수와 폐수가 공급될 수 있는 모든 경우의 수를 고려하여 용수네트워크를 구성할 수 있도록 온구조(superstructure model)를 이용하여 물질수지를 수식화한다[12]. 제철 공장내의 실제 상황을 고려하기 위하여 공업용수의 최대 공급량, 생산공정의 최소 요구 수질과 유량 조건 등에 대한 제한 조건을 수식으로 작성하여 모델에 포함한다 [12,16].

개발된 수학적 최적화 모델의 최적해를 구하여 환경부하가 가장 낮은 용수네트워크시스템을 도출할 수 있다. Figure 7은 용수 사용량과 환경부하량을 각각 최소화할 수 있도록 설계한 용수네트워크시스템이다[12]. 이러한 용수네크워크시스템은 사용하는 용수의 유량과 발생할 수 있는 환경부하를 최소화하도록 개발한 목적함수를 각각 적용하여 도출할 수 있다. 이 두 시스템에 대하여 주요 인자들의 환경영향지수를 평가하면 Figure 8과 같다[12]. 환경부하를 최소화한 용수네트워크시스템(environmental impactminimized water network system, EIWNS)은 순수 사용과 폐수 재이용을 위해 직접적, 간접적으로 필요한 전기 사용량을 감소시킴으로써 용수 사용량을 최소화한 시스템(freshwater flowrate-minimized water network system, FFWNS)보다 효과적으로 환경부하를 저감할 수 있었다. 즉, EIWNS에서는 공업용수의 사용량이 FFWNS보다 증가하지만 순수와 전기 사용량을 감소시켜 환경부하의 상충(tradeoff)을 최적화시킴으로써 시스템의 전체 환경부하를 최소화할 수 있었다. 이와 같이 전과정평가를 공학적 최적화 기법에 응용함으로써 공정시스템뿐만 아니라 제품에서도 환경부하를 효과적으로 저감할 수 있을 것이다.

전자통신 기술의 발전과 더불어 다양한 콘텐츠가 개발됨에 따라 소비자의 욕구를 만족시키기 위해 새로운 전자제품들이 개발되고 있다. 이러한 현상은 소비자가 전자제품을 교체하는 주기를 짧게 만들어 전자폐기물의 발생량을 급속히 증가시킴으로써 인체와 생태계에 대한 독성 영향과 희귀 자원의 고갈 문제를 가중화시키고 있다. 선진국에서는 전자제품을 교체할 때 기존 제품을 판매대리점에서 회수하는 시스템을 구축하여 적극적으로 재사용과 재활용을 위해 노력하고 있으나, 대부분의 개발도상국에서는 폐전자제품을 도시 생활쓰레기와 함께 매립하거나 소각시킴으로써 많은 환경 문제를 일으키고 있다. 특히, 선진국에서 후진국으로 수출된 폐전자제품들이 낙후된 재래식 기술로 재활용됨에 따라 작업자와 지역주민의 보건과 주변 생태계에 악영향을 끼치고 있다. 또한, 첨단 기술의 발달로 새로운 기능과 물성을 가진 전자재료의 사용이 점점 증가하여 희토류 금속과 같은 자원이 부족할 수 있는 위험에 처하게 되었다. 전자제품과 관련된 환경문제에는 생산과 사용 단계에서의 에너지 사용과 관련된 환경영향도 고려되어야 한다. 이렇게 전자제품과 관련된 환경영향은 매우 다양하나, 본 논문에서는 전자제품에 포함된 물질이 폐기 후 환경에 배출되어 야기시킬 수 있는 인체와 생태계의 독성 영향에 초점을 맞추었다.

전자제품이 폐기 단계에서 부적절하게 처리되었을 경우에 발생할 수 있는 독성영향 문제를 사전예방하기 위하여 전자제품의 친환경설계 방법론이 필요하다. Figure 9는 친환경 전자제품을 개발하기 위한 방법과 절차를 나타낸 것이다. 첫 번째 단계에서는, 전자제품에 사용되는 물질의 종류와 양을 평가분석하여 환경영향을 크게 발생시킬 수 있는 주요 물질을 규명하여야 한다. 두 번째 단계에서는, 전자제품의 생산에 관여하고 있는 다양한 엔지니어가 함께 참여하여 전자제품에 포함된 주요 물질의 함량을 줄이거나 환경영향이 적은 물질로 대체할 수 있는 방법을 도출하여 환경성이 우수한 전자제품을 설계해야 한다. 이 방법론은 앞서 언급한 공정시스템의 친환경설계 방법론과 유사하나, 전자제품의 복잡다양성으로 인해 환경공학 엔지니어와 다양한 분야의 엔지니어들간의 협력이 강조된다.

먼저 전자제품에 포함된 유해물질의 함량을 평가하기 위해서는 산용액을 이용하여 전자제품을 용해시킨 다음 기기분석을 실시한다. 예를 들어, 전자제품에 포함된 중금속의 함량을 평가하기 위해 미국 캘리포니아 주의 total threshold limiting concentrations (TTLC)[14]를 이용할 수 있다. 이 분석법의 결과는 캘리포니아 주의 유해성 폐기물 지정 기준으로 활용되기도 한다[14].

전자제품에 포함된 물질이 폐기단계에서 환경에 배출되어 인체와 생태계에 미치는 영향을 평가하기 위하여 전과정평가를 이용한다. 전자제품에 들어 있는 다양한 물질들은 소각이나 매립과 같은 폐기물 처리 공정을 통하여 수계, 대기, 토양 등과 같은 매체를 통하여 환경을 오염시키기 때문에 물질의 이동경로와 독성학적 특성을 고려하여 물질의 독성영향을 평가하는 것이 필요하다[17]. 전자폐기물이 처리되는 대표적인 과정을 고려하기 위해서 국가와 지역의 폐기물 관리 현황을 반영하여야 하고 물질의 독성학적 특성을 반영하기 위해서는 전과정평가의 특성화 인자를 사용할 수 있다[14]. 폐전자제품에 포함된 물질의 환경부하는 특성화 인자, 물질 함량, 제품 질량을 이용하여 계산한다[14]. 이렇게 정량적으로 평가된 물질의 환경영향을 서로 비교하면 환경영향이 큰 물질을 규명할 수 있다.

전자제품의 환경성을 향상시키기 위해서는 전자제품의 생산과 관련된 다양한 분야의 엔지니어들이 공동으로 노력해야 한다. 전자제품은 복잡하고 다양한 부품과 재료로 이루어져 있기 때문에 여러 전문가의 참여 없이는 친환경설계가 불가능하다. 전자제품의 환경성 평가는 주로 환경공학 엔지니어가 실시하지만, 제품 개선을 위해서는 전자, 기계, 화학, 재료 공학을 전공한 엔지니어가 기술적으로 해결 방안과 대안을 도출하여야 한다. 이를 효율적으로 진행하기 위해서는 여러 분야의 엔지니어들로 이루어진 태스크포스(task force) 팀을 구성할 필요가 있다. 이 팀에는 설계를 담당하는 엔지니어뿐만 아니라 영업, 재무, 구매 담당자와 협력업체도 함께 참여함으로써 제품 생산과 관련된 기술적 타당성과 경제성을 제품 환경성과 함께 고려할 수 있다. 기술적 개선 방안이 제품의 환경성을 얼마나 향상시킬 수 있는지를 모든 팀원들이 공유할 수 있도록 환경공학 엔지니어와 다른 팀원간의 긴밀한 의사소통이 매우 중요하다. Figure 10은 제품의 친환경설계를 위한 태스크포스팀의 일반적인 구조를 나타낸 것이다.

휴대폰의 환경성을 향상시키기 위하여 휴대폰에 포함된 중금속 물질이 인체와 생태계에 미치는 영향을 평가하였다. TTLC를 이용하여 휴대폰에 일반적으로 많이 포함되어 있는 중금속의 질량은 Figure 11과 같다[18]. 중금속의 질량을 기준으로 비교평가할 때, 휴대폰에는 구리가 가장 많이 포함되어 있었다. 구리 다음으로는 아연, 납, 니켈, 바륨, 주석 순서대로 많이 포함되어 있었으며, 나머지 중금속의 질량은 무시할 정도이다. 하지만 각 중금속의 독성학적 성질이 달라 구리의 독성이 가장 크다고 할 수 없기 때문에 중금속의 독성학적 특성을 고려한 추가 평가가 필요하다.

전자폐기물에 포함되어 있는 다양한 종류의 중금속은 폐기물 처리 시설을 통하여 공기와 물 등의 매체를 통해 인체 보건과 생태계에 영향을 줄 수 있다. Figure 12는 폐전자제품에 함유되어 있는 중금속의 이동경로를 나타낸 것이다[17]. 소각되는 폐전자제품에 포함되어 있는 중금속은 열역학적 특성으로 인해 Figure 13과 같은 비율에 따라 연소가스, 비산재, 바닥재로 이동된다[17]. 연소가스에 포함되어 있는 중금속은 대기에 배출되어 공기 중으로 확산되고, 매립된 폐전자제품에 들어 있는 중금속은 침출수를 통하여 수계로 배출될 수 있다. 매립지에 설치된 차수막에 의해 중금속의 누출이 차단될 수 있지만, 매립처리의 개념이 자연이 정화할 수 있는 수준의 오염물질을 오랜 기간을 통해 주위 환경으로 조금씩 배출시키는 것이기 때문에 오염물질이 지하수와 같은 환경으로 결국 배출될 수 밖에 없을 것이다. 공기와 물에 배출된 오염물질들은 각 물질이 가지고 있는 독성학적 특성에 따라 이동, 분해, 생물축척, 인체 및 생물에 대한 노출, 독성 영향 등의 성질이 달라지기 때문에 이를 고려할 수 있는 전과정평가를 이용하여 오염물질의 환경영향 잠재력을 평가할 필요가 있다. 휴대폰에 포함된 중금속이 인체와 생태계에 미치는 환경영향을 평가하기 위하여 전과정평가 방법론의 하나인 미국 EPA의 Tool for the Reduction and Assessment of Chemical and other environmental Impacts (TRACI)[19]를 이용한 결과를 Figure 14에 제시하였다[18]. 인체의 발암성 영향에 대하여 비소와 납이 가장 큰 영향을 끼쳤다. 인체의 비발암성 영향에 대한 주요 성분은 물 매체에 대해서는 구리와 납이었고, 공기 매체에 대해서는 납이었다. 물을 통하여 생태계 독성영향에 미치는 주요 성분은 구리였으나, 공기 매체에 대해서는 수은이었다. 총 16가지의 중금속 중에서 4가지 중금속이 독성과 관련하여 환경영향이 큰 것으로 나타나 이 주요 중금속들을 중점적으로 저감시키거나 대체시킬 필요가 있다.

휴대폰의 친환경설계를 위해 구성된 태스크포스팀은 휴대폰에 포함된 중금속의 독성영향 평가분석 결과를 유용하게 활용할 수 있다. 예를 들면, 납은 printed circuit board (PCB) 기판과 전자부품 사이의 전기적 전도 특성을 유지할 수 있도록 하는 땜납(solder)에 사용되고 있기 때문에 납이 포함되지않는 땜납(Pb-free solder)을 사용함으로써 휴대폰의 환경성을 향상시킬 수 있다[18]. 수은은 몇 년 전까지 휴대폰 모니터의 CCFL (cold cathode fluorescent lamp)에 포함되어 사용되었으나 최근에는 LED (light-emitting diode)의 사용으로 휴대폰에는 더 이상 사용되지 않아 수은의 함량을 획기적으로 줄일 수 있었다[20]. 따라서, LED의 적용은 에너지 절감뿐만 아니라 독성 영향을 저감시킬 수 있는 친환경설계의 좋은 예라고 할 수 있다. 구리는 전도성이 우수한 물질로서 PCB뿐만 아니라 다양한 소재로서 사용되고 있다. 구리를 대체할 수 있는 물질을 찾은 것은 단기적으로 쉽지 않기 때문에 기판 회로에 사용되는 구리의 함량을 줄일 수 있도록 회로 설계를 해야할 것이며, 장기적으로는 구리선이 광케이블로 대체되고 있는 것처럼 구리를 대체할 수 있는 새로운 친환경재료의 개발이 필요하다[17].

전과정평가를 친환경설계에 적용하여 공정시스템과 제품의 환경성을 향상시키기 위한 방법론을 제시하고, 이에 대한 이해를 돕기 위하여 용수네트워크시스템과 휴대폰의 사례를 보여 주었다. 전과정평가를 이용함으로써 공정시스템과 제품에서 발생하는 환경부하를 전과정과 공급사슬 관점에서 평가분석하여 환경성을 향상시킬 수 있는 방안을 모색하여 설계에 반영할 수 있다. 제품과 생산공정을 대상으로 하는 환경규제가 전세계적으로 강화되고 있고 기업에는 사회적 책임을 다하기 위해 지속가능성을 높이려는 노력이 증가되고 있기 때문에 전과정평가를 이용하는 공정시스템과 제품의 친환경설계는 향후 기업의 생존을 위한 필수 요소가 될 것이다.