기후 정책의 환경생산효율성 및 환경생산성 영향 = The Effects of Climate Policies on Environmental Production Efficiency and Environmental Productivity

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Addressing the climate crisis stands as a paramount challenge for sustainable development. Recognizing the gravity of this threat, major nations worldwide have declared 'Net-zero' targets to limit the rise in global average temperature to within 1.5°C relative to pre-industrial levels. To achieve these ambitious goals, governments are implementing diverse climate policies, including carbon pricing mechanisms—such as emissions trading schemes and carbon taxes—and support for low-carbon R&D. While these interventions are expected to fundamentally reshape energy consumption, industrial production, and supply chains, the academic debate regarding their economic impact remains unsettled. The discourse is currently polarized between the 'Porter Hypothesis,' which posits that environmental regulation stimulates innovation and offsets compliance costs, and the traditional economic view that such regulations impose burdens that erode productivity and competitiveness. Consequently, a rigorous empirical examination of how climate policy influences production efficiency and productivity from a sustainable growth perspective is timely and essential.

Existing studies on environmental production efficiency and productivity have generally incorporated pollutants as undesirable outputs within production frontier analysis. However, they frequently fail to adequately address the endogeneity problem inherent in the selection of production inputs. Endogeneity arises when unobserved production determinants—known to the firm but invisible to the econometrician—influence input decision-making processes. Neglecting this issue risks introducing bias into the estimated production frontier and reducing the precision of policy effect analysis. Therefore, this study aims to construct an analytical model that mitigates input endogeneity and to utilize this framework to analyze the impact of climate policy on environmental production efficiency and productivity.

This research establishes a quasi-Bayesian panel model by combining a control function approach to mitigate endogeneity with Stochastic Frontier Analysis (SFA) based on Bayesian Markov Chain Monte Carlo (MCMC) inference. The methodological distinctiveness and academic contributions of this study are threefold. First, it explicitly addresses the potential endogeneity of input variables—a factor often overlooked in environmental efficiency analysis—by applying the control function approach of Amsler et al. (2016). This enhances the statistical robustness and validity of the production frontier estimation by accounting for the correlation between input variables and the error term. Second, to overcome the limitations of linear assumptions in the Battese and Coelli (1995) model, this study applies the 'scaling property' proposed by Simar et al. (1994) and Wang and Schmidt (2002). This property allows inefficiency determinants to influence the scale rather than the shape of the production frontier, thereby reflecting the structural characteristics of inefficiency more accurately. Third, the study ensures the robustness of environmental productivity estimates by simultaneously deriving the Malmquist index and the Hicks-Moorsteen index, utilizing both output and input distance functions.

Empirical analysis of environmental production efficiency across 124 countries from 2005 to 2019 confirmed the validity of the proposed methodology. The model incorporating endogeneity mitigation yielded a lower Deviance Information Criterion (DIC) value—a measure of model fit—compared to conventional models assuming exogeneity, indicating a significant improvement in goodness-of-fit.

Regarding the determinants of inefficiency, the coefficient for carbon pricing stringency (calculated as carbon pricing coverage × carbon price) showed a statistically significant negative value, implying a reduction in inefficiency. This trend remained consistent regardless of whether endogeneity was controlled, suggesting that stricter carbon pricing—achieved through broader coverage and realistic pricing—acts as a driver for efficiency improvement, increasing economic output while reducing greenhouse gases under identical input conditions. This result empirically supports the strong version of the Porter Hypothesis. However, an examination of carbon pricing data reveals that approximately 45% of current schemes operate at prices below 10 USD/tCO2eq, and price volatility has increased since 2005. Such low prices and high uncertainty may constrain the effectiveness of the price signal mechanism.

Environmental productivity was estimated for 28 OECD countries over the 2005–2019 period. Results indicate that 20 of these nations experienced improvements in both the Malmquist Environmental Productivity Index and the Hicks-Moorsteen Environmental Energy Productivity Index in 2019 compared to 2005. Notably, Greece and Italy demonstrated superior productivity gains, driven by simultaneous improvements in technical change and efficiency change. Conversely, South Korea’s performance was estimated to be relatively poor compared to its OECD peers. While Korea showed slight improvement in the Hicks-Moorsteen index, the magnitude was in the lower tier of the OECD, and the Malmquist index deteriorated due to a slowdown in efficiency change. Of particular concern is the finding that Korea’s technical change index fell below 1.0 during the latter part of the analysis period (2017–2019), signaling a regression in technology. This suggests that Korea's environmental productivity gains have relied heavily on efficiency catch-up rather than technological innovation, highlighting an urgent need to pivot towards innovation-driven strategies.

The analysis of climate policy impacts confirmed the efficacy of a policy mix combining carbon pricing with government R&D investment. The interaction term between carbon pricing and public R&D investment in the environment and energy sectors had a statistically significant positive effect on the Hicks-Moorsteen Environmental Energy Productivity Index. This empirically verifies that the simultaneous operation of regulatory policies (carbon pricing) and support policies (R&D investment) generates synergistic effects in terms of environmental management performance.

Based on these findings, this study concludes that well-designed climate policies can enhance environmental management performance, including production efficiency and productivity. Policy recommendations are as follows: Given that carbon pricing stringency drives efficiency, nations should elevate the qualitative level of their schemes, considering their maturity. Policy coverage should be expanded, and prices rationalized in phases to ensure price signals permeate the entire economy, while accounting for economic conditions and social acceptance. Furthermore, conflicting policy factors, such as energy subsidies that distort price incentives, must be rigorously reviewed.

Nations must also design policies that induce technological innovation. The slowdown in environmental production efficiency improvements in advanced economies (OECD) and the narrowing gap with developing nations suggest that efficiency-driven gains may be reaching a saturation point. Since this study confirmed the validity of the carbon pricing and R&D policy mix, policymakers should actively consider such combinations. However, careful coordination is required to define clear targets and anticipate spillover effects to prevent trade-offs and ensure complementarity.

For South Korea, future climate policy should be designed to incentivize a structural transition toward eco-friendly industries and the qualitative enhancement of green R&D. Since 2018, Korea’s environmental production efficiency has fallen below the global average, and despite high R&D expenditure, the country appears to have entered a phase of technological regression since 2017. These results likely stem from a continued structural reliance on carbon-intensive industries (e.g., steel, petrochemicals, semiconductors) and the insufficient technological yield of government R&D. Future policies must therefore be oriented toward simultaneously promoting industrial restructuring and technological innovation.

While this study attempts to enhance the robustness of analysis through methodological improvements in the stochastic frontier model, several limitations remain to be addressed in future research. First, the assumption of a half-normal distribution for inefficiency prevented the estimation of semi-elasticities for policy effects. Second, the study did not employ the 4-Component Stochastic Frontier Model (4CSFM), precluding a deeper decomposition of inefficiency into persistent and transient components. Third, potential endogeneity arising from the correlation between inefficiency determinants and the error term remains unresolved. Fourth, the R&D data utilized encompasses broad technologies (including water and air quality) and even some fossil fuel-related technologies, limiting the precision of climate policy effect measurement. Finally, the non-application of the directional distance function meant that asymmetric changes between desirable and undesirable outputs were not considered. Future studies incorporating diverse inefficiency distributions (e.g., truncated normal), 4CSFM, endogeneity correction for policy variables, directional distance functions, and refined R&D data will contribute to more precise policy design for realizing a carbon-neutral society.

국문 초록 (Abstract)

지속 가능한 발전을 위해 해결해야 할 주요 과제 중 대표적인 것은 기후위기 대응이다. 기후 위기에 대한 심각성을 인지하고 전 세계 주요국가들은 산업혁명 이후 지구 평균온도 상승을 1.5℃ 이내로 억제하기 위하여 ‘탄소중립(Net-zero)’을 선언하였다. 더불어 탄소중립이라는 도전적 목표를 달성하기 위한 다양한 기후 정책을 도입·시행하고 있으며, 구체적인 수단으로 배출권거래제와 탄소세를 포함한 탄소가격제 및 저탄소 기술 R&D 지원 등이 있다. 이러한 기후 정책은 에너지 소비 구조의 전환, 산업 생산 방식의 변화, 공급망 재편 등 실물 경제 전반에 상당한 영향을 미칠 것으로 사료된다. 그러나 환경 규제가 경제적 성과에 미치는 영향의 방향성에 대해서는 학계의 논의가 지속되고 있다. 환경 규제가 기업의 기술 혁신을 유도하여 규제 비용을 상쇄하고 생산 효율성을 높인다는 ‘포터 가설’과 규제 비용이 기업의 부담을 가중시켜 생산성과 경쟁력을 저하시킬 수 있다는 전통 경제학적 견해가 병존하고 있다. 이에 따라 기후 정책이 지속 가능 성장 관점에서 생산효율성과 생산성에 미치는 영향에 대해 정교한 실증적 검증이 필요한 시점이다.
기존의 환경생산효율성 및 환경생산성 연구들은 환경오염물질을 비소망재로 고려하여 생산 경계를 분석을 수행하였으나, 생산 투입 요소 결정 과정에서 발생할 수 있는 내생성 문제를 충분히 고려하지 못하고 있다. 경제학자는 관찰할 수 없으나 기업은 관찰할 수 있는 생산 결정요인이 존재하고, 투입물의 투입에 대한 의사결정 과정에서 이러한 요인들이 영향을 준다면 내생성 문제가 발생한다. 따라서 내생성 문제를 완화하지 않을 경우 추정된 생산 경계의 편의가 발생하거나, 정책 효과 분석의 정밀도가 낮아질 우려가 존재한다. 이에 본 연구는 투입물의 내생성 문제를 완화한 분석 모형을 구축하고, 이를 이용하여 기후 정책이 환경생산효율성과 환경생산성에 미치는 영향을 분석하는 것을 목적으로 한다.
본 연구는 제어함수를 이용하여 내생성 문제 완화를 시도하고 베이지안 MCMC 추론기법에 기반한 확률적 생산 경계 분석(SFA)을 결합하여 준-베이지안 패널 모형을 설정하였다. 본 연구의 방법론적 차별성과 학술적 기여는 세 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 환경생산효율성 및 환경생산성 분석에서 다소 간과되었던 투입물 변수의 내생성 문제를 Amsler et al.(2016)의 제어함수 접근법을 통해 완화하고 시도하였다는 점이다. 투입변수와 오차항 간의 상관관계로 인해 발생될 수 있는 잠재적 내생성 문제를 고려하여, 생산 경계 추정의 적합성과 통계적 강건성을 제고하고자 시도하였다. 둘째, 비효율성 결정요인 반영 방법에 있어 기존 연구들이 주로 차용한 Battese and Coelli(1995) 모형의 선형적 관계 가정이 지닌 한계를 보완하고자, Simar et al.(1994), Wang and Schmidt(2002)가 제안한 스케일링 속성을 적용하였다. 스케일링 속성은 비효율성 결정요인이 생산 경계의 형태가 아닌 규모에만 영향을 미치도록 설정하여, 비효율성 결정요인의 특성을 보다 구조적으로 반영하고자 하였다. 셋째, 산출물 거리 함수와 투입물 거리 함수를 모두 활용하여 맘퀴스트 지수와 힉스-무어스틴 지수를 동시에 추정하여 환경생산성 추정의 강건성을 제고하고자 하였다.
전 세계 124개국 2005-2019년 기간의 환경생산효율성을 추정한 결과, 외생성을 가정한 기존 모형 대비 내생성 문제 완화를 시도한 모형에서 적합도 지표인 DIC 값이 더 낮아 내생성 문제 완화 시도를 통해 모형 적합도가 개선됨을 확인하였다. 즉, 본 연구의 내생성 완화 전략이 유효하였음을 DIC 지표를 통해 확인하였다.
탄소가격제의 엄격성(탄소가격제 배출량 커벌리지×탄소가격)이 환경생산효율성에 미치는 영향을 가늠할 수 있는 비효율성 결정요인 계수는 통계적으로 유의한 음의 값(비효율성 감소)을 보였으며, 이는 내생성 문제 완화 여부와 무관하게 일관된 경향을 보였다. 이는 배출량 커버리지 확대와 탄소가격 현실화 등을 통한 탄소가격제 엄격성 강화가 동일한 투입물 조건 하에서 온실가스를 줄이면서 경제적 산출물을 증가시키는 효율성 개선 요인으로 작용할 수 있음을 시사한다. 즉, 강한 포터가설이 실증적으로 지지됨을 시사하는 결과이다. 그러나 탄소가격제 시행과 관련한 데이터를 살펴 본 결과, 현재 시행 중인 탄소가격제의 약 45%가 10 USD/톤CO2eq 미만으로 비교적 낮은 가격에 형성되어 있으며, 2005년 이후로 살펴보면 가격 변동성 확대가 관측되었다. 이처럼 낮은 탄소 가격 및 가격 불확실성은 탄소가격제의 가격 신호 효과를 제한하는 요인으로 작용할 수 있다.
환경생산성 추정은 OECD 28개국, 2005-2019년 기간에 대해 추정하였다. 추정 결과, 28개국 중 20개 국가가 2005년 대비 2019년 맘퀴스트 환경생산성 지수와 힉스-무어스틴 환경에너지생산성 지수 모두 개선된 것으로 나타났다. 이들 국가 중 그리스와 이탈리아는 맘퀴스트 환경생산성 지수를 구성하는 기술 변화 지수와 효율성 변화 지수가 동시에 개선되어 타국가 대비 높은 생산성 개선을 보였다. 다만 한국의 경우, OECD 타국가 대비 환경생산성 성과가 낮은 것으로 추정되었다. 한국의 힉스-무어스틴 환경에너지생산성 지수는 소폭 개선되었으나 개선 수준이 OECD 국가 중 하위권에 그쳤으며, 맘퀴스트 환경생산성 지수의 경우에는 효율성 변화 지수 변화의 둔화로 악화되었다. 특히 2017-2019년 분석 기간 후반 한국의 기술변화 지수가 1.0 미만으로 추정되었다. 이러한 기술변화 지수 악화는 해당 기간 한국의 기술 후퇴 국면 진입을 시사한다. 분석기간 한국의 환경생산성 개선은 기술 변화 보다 효율성 개선에 의존하고 있을 가능성이 높아 향후 환경생산성을 향상하기 위해서는 기술 혁신에 초점을 둘 필요가 있다.
기후 정책이 환경생산성에 미치는 영향을 살펴본 결과, 탄소가격제와 정부 R&D 투자 혼합 정책의 유효성이 확인되었다. 탄소가격제와 정부의 환경·에너지부문 R&D 투자가 동시 시행을 의미하는 더미변수가 힉스-무어스틴 환경에너지생산성 지수 변화에 통계적으로 유의한 긍정적 영향을 주었다. 즉, 규제 정책(탄소가격제)과 지원 정책(R&D 투자)이 동시에 운용될 때, 환경적 경영성과 측면에서 시너지 효과를 창출될 수 있음을 실증적으로 확인하였다.
본 연구는 실증 분석 결과를 통해, 적절히 잘 설계된 기후 정책은 환경생산효율성, 환경생산성과 같은 환경적 경영 성과를 향상 시킬 수 있음을 보여주었다. 실증 분석결과를 바탕으로 한 정책제언은 다음과 같다. 탄소가격제의 엄격성은 환경생산효율성 및 환경생산성 개선 요인임에 따라, 국가별 탄소가격제의 성숙도를 충분히 고려하며 제도의 질적 수준을 제고할 필요가 있다. 각 국가는 자국의 경제 여건 및 탄소가격제 수용성을 충분히 고려하여, 제도가 실질적으로 영향을 미치는 범위를 확대하고 가격 또한 단계적 현실화하여 탄소 가격 신호가 경제 전반에 미치도록 해야 한다. 더불어 탄소가격제가 시장에서 제대로 작동하기 위해서는 가격 유인이 왜곡되지 않아야 함에 따라, 에너지 보조금과 같이 상충 가능한 정책 요인을 면밀히 점검할 필요가 있다.
각 국가들은 환경 경영성과 향상을 위하여 기술 혁신을 유도할 수 있는 정책을 설계할 필요가 있다. OECD와 같은 선진국의 환경생산효율성 개선은 시간이 흐름에 따라 둔화하고 있으며, 개도국과의 격차 또한 축소되었다. 이러한 경향은 환경생산효율성 개선을 통한 환경 경영성과 향상이 한계에 도달했을 가능성을 내포한다. 본 연구는 4장 실증분석을 통해 환경생산성 향상 수단으로 탄소가격제와 R&D 지원의 혼합 정책이 유효함을 확인한 바 있다. 기술혁신을 통한 환경생산성 개선을 위해 정책 입안자들은 정책 조합 도입을 적극 고려할 필요가 있다. 그러나 각 정책의 목표 및 대상이 명확히 설정되지 않고 정책의 파급효과를 충분히 고려하지 않고 정책을 시행할 경우, 정책 간 상쇄 효과 발생할 우려가 존재하므로 정책들이 상호 보완적으로 작동할 수 있도록 면밀하게 설정할 필요가 있다.
향후 한국의 기후 정책은 친환경 산업 구조로의 전환과 친환경 R&D 투자의 질적 제고를 유인할 수 있도록 설계될 필요가 있다. 2019년 한국의 환경생산효율성은 전 세계 평균보다 낮은 수치를 기록하였다. 또한 OECD 국가 중 상위에 속하는 정부의 친환경·에너지부문 R&D 투자 규모에도 불구하고 2017년 이후 기술 변화 후퇴 국면 진입으로 추정되었다. 이러한 분석 결과는 여전히 한국 경제는 철강·석유화학·반도체와 같은 온실가스 다배출 업종에 의존하고 있으며, 정부 친환경 R&D 투자가 충분한 기술적 성과를 보이지 못함에 따라 나타난 결과일 가능성이 높음에 따라 산업 구조 전환과 기술 혁신을 동시에 촉진할 수 있는 방향으로 정책이 설계되어야 할 것이다.
본 연구는 환경분야에서 적용할 수 있는 확률적 생산경계 모형의 방법론적 개선을 시도하여 분석 결과의 강건성을 제고하고자 하였다. 이러한 방법론적 개선에도 불구하고 본 연구는 아래와 같이 방법론적 한계점이 존재하며 이는 후속 연구에서 보완해야 할 것이다.
첫째, 비효율성의 확률분포를 반정규 분포로 가정함에 따라 정책 효과의 준탄력성을 추정하지 못한 한계가 존재하였다. 둘째, 비효율성을 지속적 비효율성과 가변적 비효율성으로 분리한 4CSFM을 도입하지 않아 비효율성의 구조적 요인을 심층적으로 살펴보지 못하였다. 셋째, 비효율성 결정요인이 오차항 등과 관련됨에 따라 발생되는 잠재적 내생성 문제를 완화하지 못하였다. 넷째, 활용한 R&D 투자 데이터가 수질, 대기와 같은 기후와 상관성이 낮은 기술을 포괄할 뿐 아니라 화석연료 관련 기술을 포괄하고 있어 정책 효과 측정에 있어 한계가 존재하였다. 다섯째, 방향 거리 함수를 미적용하여 소망재 산출물과 비소망재 산출물 간의 비대칭적 변화를 고려하지 못하였다. 앞으로의 연구에서는 절단정규분포등 비효율성 분포의 다양화, 4CSFM 도입, 정책 변수의 내생성 완화 방안 고려, 방향 거리 함수 적용, R&D 데이터 보완 등을 통해 분석을 정교화할 것이다. 이러한 후속 연구들은 향후 탄소중립 사회 실현을 위한 정책 설계에 기초 자료로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 배경 및 필요성 1
• 제 2 절 선행 연구 검토 및 연구의 차별성 2
• 제 3 절 연구 목적 12
• 제 4 절 논문의 구성 13
• 제 2 장 이론적 배경 및 방법론 14
• 제 1 절 기후 정책의 경제적 영향 이론 14
• 제 2 절 확률경계모형의 이론적 기초 15
• 2.2.1 기본 확률경계모형 15
• 2.2.2 패널 확률경계모형 19
• 제 3 절 내생성 문제와 완화 전략 20
• 2.3.1 내생성 문제의 이론적 배경 20
• 2.3.2. 내생성 문제 완화 방법론 21
• 제 4 절 준-베이지안 확률경계모형 구축 28
• 2.4.1 수식구조 및 전제 29
• 2.4.2 베이지안 접근과 사전분포 설계 30
• 제 3 장 탄소가격제의 국가별 환경생산효율성 영향 33
• 제 1 절 개요 33
• 제 2 절 선행 연구 34
• 3.2.1 비효율성 결정요인 반영 34
• 3.2.2 기후 정책의 효율성 영향 분석 38
• 제 3 절 방법론 46
• 3.3.1. 분석 대상 및 정책 변수 46
• 3.3.2. 데이터 52
• 3.3.3. 분석모형 54
• 제 4 절 분석 결과 56
• 제 5 절 소결 69
• 3.5.1. 주요 실증 결과 69
• 3.5.2. 정책적 함의 71
• 3.5.3. 연구의 한계 및 향후 과제 73
• 3.5.4. 맺음말 73
• 제 4 장 탄소가격제와 R&D 투자의 국가별 환경생산성 영향 75
• 제 1 절 개요 75
• 제 2 절 선행 연구 76
• 제 3 절 방법론 82
• 4.3.1. 분석 대상 및 정책 변수 82
• 4.3.2. 데이터 88
• 4.3.2. 분석모형 90
• 제 4 절 분석 결과 94
• 제 5 절 소결 103
• 4.5.1. 주요 실증 결과 104
• 4.5.2. 정책적 함의 105
• 4.5.3. 연구의 한계 및 향후 과제 108
• 4.5.4. 맺음말 109
• 제 5 장 결 론 111
• 제 1 절 연구의 요약 및 시사점 111
• 제 2 절 연구의 기여 및 정책적 함의 112
• 제 3 절 연구의 한계 및 향후 과제 114
• 제 4 절 맺음말 115
• 부록 1 탄소가격제의 환경생산효율성 영향 분석 부속표 및 그림 116
• 부록 2 국가별 생산성 지수 연도별 추정 결과 139
• 참고문헌 149
• Abstract 167