4. PET 보틀의 종류

간장, 소스, 드레싱, 식염 등의 조미료류, 액체세제·샴푸·린스 등의 위생용품(토일레트리, Toiletry), 화장품, 술·소주 등 알코올음료에 이르기까지 매우 다양한 종류의 PET 보틀이 생산되고 있다. 이 중에서도 청량음료가 가장 큰 용도를 차지한다. 홍차, 미네랄워터 등과 같이 열殺菌(가열 살균)을 하지 않고 보틀 자체를 약제 살균(藥剤殺菌)하여 충전하는 무균충전(Aseptic Filling) 보틀은 조미료용 보틀과 유사한 형태를 가지나, 일반적으로 음료용 보틀은 각 용도에 맞춘 다양한 설계상의 고안이 더해져 생산된다. 이하에서는 대표적인 음료용 보틀의 종류를 살펴본다(아래 〈그림 5-7〉 참조).

4-1. 내압 보틀(耐圧ボトル, Pressure-Resistant Bottle)

탄산음료와 같이 내압(内圧)이 가해지는 보틀의 경우, 이상적인 바닥(底) 형태는 구상(球状, Spherical)이다. 그러나 완전한 구형 바닥은 자립성(自立性)이 없기 때문에, 실제로는 구(球)에서 5개의 다리(足)가 뻗어 나온 듯한 형상(이른바 페타로이드, Petaloid 바닥)을 블로우 성형 시에 부여하고 있다.

4-2. 내열 보틀(耐熱ボトル, Heat-Resistant Bottle)

과즙 함유 음료, 스포츠음료, 우롱차 등의 차류(茶系飲料), 커피 등은 용기 자체의 살균(容器殺菌)이 필요하다. 따라서 85~95℃의 내용물을 열간충전(熱間充填, Hot Filling)하여 살균을 진행하는데, 일반적인 성형법으로 만든 보틀은 잔류 변형(残留歪)이 커서 충전 시 수축 변형(収縮変形)이 발생하기 쉽다. 이를 방지하기 위하여, 고온의 금형으로 블로우와 동시에 히트세트를 실시함으로써 성형 변형을 제거하고 결정화도를 높여 내열성을 부여한다. 이처럼 통상적으로는 하나의 금형으로 성형이 이루어진다.

내열성을 더욱 높이기 위하여, 1차 금형에서 크게 블로우한 후 이를 가열 수축(加熱収縮)시켜 성형 변형을 제거하고, 2차 금형에서 재차 블로우하여 최종 형상을 부여하는 방식도 활용된다. 연신이 이루어지지 않는 입구(口部) 부분에는 별도 공정을 통해 백색의 열결정화(熱結晶化, 구정晶, Spherulite) 처리를 하여 내열성을 부여한다.

4-3. 내열압 보틀(耐熱圧ボトル, Heat-and-Pressure-Resistant Bottle)

과즙 또는 유산(乳酸)이 함유된 탄산음료는 냉간충전(冷間充填, Cold Filling) 후 65℃에서 10분 이상 가열살균(加熱殺菌)된다. 이러한 음료의 가스볼륨(Gas Volume)은 2.3~3.8 수준으로, 4.0가스볼륨에 달하는 일반 탄산음료에 비해서는 낮은 편이지만, 65℃라는 온도는 PET의 유리전이점에 근접하는 수준이어서 내압 또한 함께 상승하므로 미연신 또는 저연신(低延伸) 상태인 바닥부가 크게 늘어나 변형되기 쉽다.

이에 대한 대책으로 일반 내압 보틀보다 바닥부의 두께를 더 두껍게 설계하기도 한다. 또한 2단 블로우(2段ブロー) 방식으로 바닥부를 연신·히트세트하여 경량화를 도모하면서도 내열압성을 향상시키는 방법도 활용된다(아래 〈그림 5-8〉 참조 — 다음 절에서 상세히 다룸).

4-4. 대형 보틀(大型ボトル, Large-Capacity Bottle)

소주(燒酎)나 위스키(Whisky)용으로 사용되는 4ℓ급 등 용량이 큰 보틀은 인서트 블로우(Insert Blow) 성형 방식을 적용하여, 사출성형으로 별도 제작한 손잡이(把手, Handle)를 부착한다. 또한 낙하강도(落下強度)를 확보해야 하고 프리폼 자체도 두꺼워지므로, 강도가 높고 결정화 속도가 느린 고(高) I.V.의 공중합 PET를 사용한다.

5. PET 보틀의 성능(Performance)

5-1. 특성 개요

PET 보틀이 지니는 특성은 다음과 같이 정리할 수 있다. 첫째, 유리병(Glass Bottle)에 준하는 투명성을 갖는다. 둘째, 유리병의 1/10 이하의 중량으로 매우 경량(輕量)이다. 셋째, 연신블로우 성형에 의해 고강도화가 가능하여 대형 보틀도 경량으로 제작할 수 있다. 넷째, 특별한 첨가제를 필요로 하지 않아 위생적으로 매우 우수하다. 다섯째, 폴리올레핀(Polyolefin)의 1/100 이하에 해당하는 산소·이산화탄소 투과성을 가져 가스바리어성이 우수하다.

여섯째, 다양한 향(Flavor) 성분에 대한 흡착(吸着)·투과(透過)가 거의 없어 보향성(保香性, Flavor Retention)이 우수하다. 일곱째, 다양한 형상으로 성형이 가능하다. 여덟째, 탄소·산소·수소로 구성되어 있어 소각하더라도 독성이 없으며, 연소열(燃焼熱)도 폴리에틸렌의 1/2 수준에 불과하여 소각 처리가 용이하다. 아홉째, 만에 하나 파손되더라도 유리와 같은 위험성이 없다.

5-2. 가스바리어성(Gas Barrier Property)

탄산음료 보틀의 경우, 내용물의 이산화탄소(CO₂) 농도를 저하시키는 요인은 다음 네 가지로 정리된다. 첫째, 보틀 벽면으로의 탄산가스 흡착(吸着). 둘째, 보틀의 크리프(Creep) 변형에 의한 헤드스페이스(Headspace, 보틀 상부 여유 공간)의 증대. 셋째, 보틀 벽면을 통한 탄산가스의 투과(透過). 넷째, 캡(Cap, 마개)을 통한 탄산가스의 누설(漏洩)이다.

이산화탄소 농도 저하를 방지하기 위한 방법으로는 보틀의 육후(肉厚)를 증대시키는 방안이 고려될 수 있다. 이를 통해 보틀 벽면을 통한 탄산가스 투과 및 보틀의 크리프 현상은 억제할 수 있으나, 반대로 보틀 벽면으로의 가스 흡착량은 오히려 증대하게 된다. 따라서 제품의 셀프라이프(Shelf Life, 유통기한)를 고려하여 육후를 적절한 수준으로 설계할 필요가 있다.

또한 보틀의 용량이 작아질수록 내용량(内容量) 대비 표면적(表面積)의 비율이 커지기 때문에, 가스 투과에 의한 손실량이 상대적으로 커지게 된다. 따라서 소용량 보틀일수록 셀프라이프 확보가 더욱 엄격하게(까다롭게) 요구된다.

산소 투과를 저감하기 위한 방법으로는, PET 보틀 표면에 바리어성(Barrier) 코팅막을 형성하거나, 산소흡수성(酸素吸収性, Oxygen-Scavenging) 수지와 다층화(多層化, Multi-layering)하는 방식이 활용된다(아래 〈그림 5-8〉, 〈그림 5-9〉 참조). 특히 차(茶) 음료와 같이 가온판매(加温販売, Hot-Vending, 온장고 판매)를 진행하는 경우 산소 투과가 더욱 커지므로, 대부분의 가온판매용 보틀이 이러한 하이바리어(High Barrier)화를 적용하고 있다.

[그림 10] 도5-8 2단 블로우 내열압 보틀 — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.596). 프리폼 가열 → 1차 블로우 → 히트세트 → 2차 블로우 → 제품의 5단계 공정

5-3. 보향성(保香性, Flavor Retention)

PET는 향(香り) 성분의 투과가 적고, 흡착(吸着) 또한 적은 특성을 가진다(아래 〈표 5-4〉 참조). 또한 PET 자체는 폴리올레핀이나 폴리염화비닐과 같이 이취(異臭)를 발생시키지 않는다는 장점이 있다. 다만 열분해에 의해 생성되는 아세트알데히드가 풍미(Flavor)에 영향을 줄 수 있다. 원료 내에 존재하는 아세트알데히드뿐만 아니라, 사출성형 시 온도에 의한 추가 발생을 방지하기 위해서는 수지의 온도를 낮게 유지하는 동시에, 수지의 체류(滞留)를 방지하는 것이 중요하다.

[그림 11] 표5-4 각종 필름의 향취 투과성 — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.597). 바닐라에센스, 스모크, 콜라, 스트로베리, 오렌지, 아몬드, 레몬, 그레이프, 샴페인사이더, 커리파우더, 진저, 시나몬, 갈릭, 커피, 코코아, 홍차, 일본차, 소스, 간장, 오징어젓갈, 락교초절임 등 21개 향취에 대해 고압법/중압법/저압법 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리아미드, 폴리카보네이트, PET 8종 필름의 투과 소요시간을 비교한 표이며, ○(1시간 이내)·반원(1일 이내)·반흑원(1주일 이내)·대부분흑원(2주일 이내)·흑원(2주일 이상)의 5단계로 표시됨

위 표에서 확인할 수 있듯, PET(표 우측 끝 열)는 거의 모든 향취 항목에서 가장 어두운 표시(즉 2주일 이상 투과되지 않음)를 나타내어, 비교 대상 필름들 가운데 보향성이 가장 우수한 소재임을 알 수 있다.

5-4. 가연성(易燃焼性, Combustibility)

PET의 연소 총발열량(燃焼総発熱量)은 5,500kcal/kgF로, 폴리올레핀의 1/2 수준에 불과하여 소각로(焼却炉)를 손상시키지 않는다. 또한 연소 시 발생가스의 조성은 이산화탄소 4.5%, 산소 15%, 질소 80.5%로, 인체 및 환경에 특별한 문제를 일으키지 않는다.

[그림 12] 도5-9 가온판매용 PET 보틀(옥시블록 층 구성) — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.598). PET층-바리어층-PET층-바리어층-PET층의 5층 구조로, 바리어층이 산소흡수 기능을 담당함