▲ 노환권 지능형 멤브레인 소재 사업단장.

멤브레인(Membrane)이란 액체 또는 기체 등의 혼합물질에서 원하는 입자만을 선택적으로 투과해 분리할 수 있는 액체 또는 고체막을 말한다. 멤브레인은 수처리, 기체분리, 수소연료전지, 에너지절감공정 등에 사용될 수 있는 다기능 분리특성 고분자 소재로서 다양한 분야에서 대량으로 사용될 수 있는 핵심소재다.

이 때문에 온실가스 증대와 물부족 현상 등 전 지구적인 문제를 해결할 수 있는 해결사로 떠오르고 있으며 세계 각국은 원천기술 확보에 나서고 있고 우리나라도 WPM사업을 통해 본격적인 개발에 나서고 있다.

지능형 멤브레인 소재 사업단(총괄기관 코오롱패션머티리얼)은 △연료전지용 탄화수소계 강화복합막(코오롱패션머티리얼) △다기능성 정수처리용 멤브레인 소재(효성) △저에너지 고효율 담수용 멤브레인 소재 개발(제일모직) △OBIGGS(On Board Inert Gas Generating System, 불활성가스 생성 시스템)용 고투과성 고분자 멤브레인 소재(애경유화) 등을 개발 중이다.

이들 참여 기관들은 1단계 815억원을 시작으로 오는 2018년까지 총 7,709억원을 투자할 예정이다. WPM 사업을 통해 오는 2018년까지 20조원에 달하는 세계 고부가 멤브레인 시장에서 1조2,000억원 매출을 달성하고, 1,050명 신규 고용을 창출한다는 목표를 세우고 있다. 사업단은 기획 단계부터 기술 상용화를 고려해 핵심기술 보유기관과 수요기업을 함께 묶었고 개발한 기술을 적합한 중소기업에게 이전해 사업화를 돕고 있어 보다 빠른 상용화가 기대되고 있다.

■ 수소연료車 시대 앞당긴다

수소연료전지는 화석연료를 기반으로 하는 현 시대를 벗어나 청정에너지인 수소경제시대를 여는 핵심기술로 각광받고 있다. 전기와 열을 발생시키는 가정용·산업용 연료전지를 비롯해 수송용으로 개발 중이다.

수소연료전지의 발전성능을 좌우하는 핵심소재는 탄화수소계 강화복합막이다. 강화복합막의 전기적 성능인 수소이온전도 성능에 따라 발전효율이 결정되며 연료전지 사용내구연한에 직접적인 영향을 미친다.

실례로 현재 수소연료전지차의 엔진에 해당하는 스택의 핵심 소재는 강화복합막으로 전량 미국에서 수입하고 있다. 또한 수소연료전지 소재부품의 가격 중 강화복합막이 많은 비중을 차지하고 있어 수소연료전지차의 상용화를 위해선 국산화가 필수적이다.

WPM사업 1단계를 통해 코오롱패션머티리얼과 참여기관들은 다공성·내열성·내화학성이 우수한 멤브레인 소재와 0.15S/cm 이상 수준의 이온전도도를 가지는 고성능 이온전도체를 개발하는데 성공했다. 특히, 최근 현대자동차의 투싼 수소연료전지차 양산 체계구축은 연료전지차에 들어가는 강화복합막 기술개발에 큰 기여를 할 전망이다.

■ 깨끗한 물, 에너지 소모 적게

지구온난화와 환경오염에 따른 세계적인 기후변화로 인류가 먹을 수 있는 물은 점점 고갈되고 있다. 1억명 이상이 깨끗한 물을 공급받지 못하고 있고 이러한 인원이 더욱 늘어날 전망이어서 정수처리 시장은 ‘블루골드’로 불릴만큼 급성장할 전망이다.

2000년대 들어 차세대 정수처리 기술로 각광받고 있는 멤브레인을 이용한 정수처리 공정은 기존 모래여과공법 보다 처리 수질, 유지관리의 효율성면에서 우위를 나타내고 있다. 초기 설비투자가 과중한 것이 확산에 걸림돌이 되고 있으나 기술개발에 따라 이러한 문제를 해결할 것으로 기대되고 있다.

다기능성 정수처리용 멤브레인 개발을 위해 내구성이 강하고 효율이 높은 소재를 개발하고 있다. 1단계 사업을 통해 사업단은 세계 최초로 파일럿 단위의 AMC 합성기술을 개발하였다. AMC는 신규 친수성 고분자로 기존 소수성 멤브레인 소재와 동등 수준 이하로 합성이 가능하다. 이를 이용한 멤브레인은 상용화된 소수성 멤브레인 대비 20% 이상의 높은 유량으로 처리가 가능해 기존 상용 멤브레인 대비 20% 이상의 원가경쟁력을 확보할 수 있다. 또한 AMC 소재 중공사(마카로니처럼 공기 구멍이 뚫린 선유) 멤브레인 제조기술을 확보했는데 이는 세계 최고제품과 동등 수준인 것으로 평가되고 있다.

저에너지 고효율 담수화를 위해 정삼투(FO) 멤브레인 소재 기술을 개발하고 있는데 이는 저압 운전으로 담수과정에서 발생하는 막대한 에너지 소모량을 극소화하는 장점을 가지고 있다. 사업단은 20~50㎚의 기공 크기에 기공도가 25% 이하인 FO용 저저항 친수성 구조 지지체와 17~20bar 수준의 자극 감응성 유도용질 설계 기술도 확보했다. FO 기술은 현재 전세계적으로 개발 초기단계이고 해수담수화, 하수 재이용, 바이오 정제 및 발전시설 등에 적용이 가능해 개발시 파급효과도 큰 분야다.

▲ 멤브레인 소재 개요.

후발주자로 세계 수준 기술 확보 성공

신뢰성·인증 강화 통해 해외시장 진입

■ 항공기·선박안전 책임지는 OBIGGS, 수입대체 나선다

OBIGGS(On Board Inert Gas Generation System, 불활성기체충진장치)는 연료탱크 내의 연료가 정전기나 낙뢰 등에 의해 폭발이 발생하는 것을 방지하기 위한 시스템이다.

항공기에는 연료 탱크 내의 연료가 끓거나 낙뢰로 인한 화재가 발생하는 것을 방지하기 위해서, 선박에는 화재가 발생할 수 있는 LNG선, 화학 물질 운반선에 화재 방지용으로 OBIGGS가 공급되고 있다.

OBIGGS는 대부분 기체 분리막을 이용하고 있으며, 핵심 기술은 기체분리막 모듈 제조 기술이라고 말할 수 있다. 향후 OBIGGS는 필수적으로 모든 항공기와 설치돼야 하기 때문에OBIGGS용 소재 및 모듈 세계시장 규모는 2019년 1조원으로 예상되고 있다.

OBIGGS용 멤브레인은 항공기의 공간적 제한에 따라 경량화, 소형화가 가능하도록 높은 기술력이 필요로 해 지금까지 국내에서 생산하지 못했기 때문에 전량 미국 등 선진국에서 수입에 의존하고 있다.

이에 사업단은 기존 기체분리막 소재의 한계를 극복하는 고성능 신규 고분자 개발에 나서고 있다. 1단계 사업을 통해 투과도계수 44Barrer, 선택도 5.0의 고투과선택성 OBIGGS용 멤브레인 소재 개발을 완료했으며 10cm X 150cm 크기의 OBIGGS용 중공사 모듈제작 및 외부 공인인증도 마쳤다.

▲ OBIGGS 부품.

■ 대·중소 상생으로 국산화 앞당긴다

사업단은 이처럼 서로 다른 멤브레인을 개발하고 있지만 협업을 통해 국산화를 앞당기고 있다. 연료전지용 강화복합막을 개발하고 있는 코오롱의 경우 복합막의 수소투과도가 매우 중요한 요소이다. 이에 다른 세부과제의 참여기관인 (주)에어레인과 기체 투과도 단위를 Barrer로 통일하고 수소투과도를 측정받는 협업관계를 구축했다.

또한 소재를 사용해 모듈 및 시스템 등 제품을 만드는 중소기업의 참여가 늘어가고 있다. 지난해 사업에 참여한 (주)CNL에너지의 경우 코오롱에서 개발한 강화복합막의 평가 및 이를 이동용 연료전지에 적용하려는 시도를 하고있다.

또 다른 중소기업 이엠코리아는 애경유화의 소재를 이용한 에어레인의 OBIGGS용 멤브레인을 가지고 OBIGGS 시스템을 구축하고 있다. 한국형 기동헬기(KUH) 수리온 부품국산화 사업에 참여하면서 100억원대의 수입대체효과가 기대되고 있다.

▲ 효성이 만든 멤브레인 모듈.

■ 신뢰성·인증 강화로 해외시장 연다

인류의 건강과 직결되는 정수처리 기술, 자동차를 움직이는 연료전지 기술 및 항공기의 안전에 사용되는 멤브레인 제조기술은 높은 신뢰성이 요구되는 만큼 사업단은 2단계 사업을 통해 개발된 기술에 대한 수요기업의 검증과 각종 신뢰성 펑가 및 인증을 추진한다는 계획이다. 국내시장에서 충분한 신뢰성 검증 후엔 해외 시장에 진입해 점유율을 확대할 예정이다.

또한 1단계 기술개발 성과에 이어 △이온전도도 0.13 S/cm 이상의 강화 복합막 연속 제조공정 개발 △신규 친수성 소재 기반의 정수처리용 멤브레인 파일럿 단위 기술 개발 △FO 중공사형 복합 멤브레인 대면적화 기술 및 중형 모듈 개발 △고성능 유도용질, 유도용액 분리용 분리소재 및 중형 모듈 개발 △물통합형 시스템의 용도개척 및 조기 상업화 △ OBIGGS 구성품 설계/제작 △고투과선택성 고분자 멤브레인의 제조방법개발 등을 추진할 계획이다.

노환권 지능형 멤브레인 소재 사업단장은 “멤브레인 소재는 성능·가격도 중요하지만 높은 신뢰성이 요구되기 때문에 무엇보다 안정된 품질 및 브랜드 파워를 갖추는 것이 관건”이라며 “국산 제품 홍보와 해외 수요기업 발굴차원에서 국내외 전시회에 참가하고 조기 투자를 통해 2018년 이전에 본격적인 상용화를 이루겠다”고 말했다. 또 “기술 개발과 상업화에 있어 대중소기업 협력을 통해 상생의 길을 열어가겠다”라고 포부를 밝혔다.