Update2024.05.06 (월)
환경·에너지 분야 필수 소재, ‘다공성 세라믹’
■ 기술의 개요
◇ 기술의 정의 및 분류
다공질 소재는 기공의 크기에 따라서 기공의 직경이 2㎚ 미만인 마이크로포러스 물질(Microporous Materials), 2㎚ 이상 50㎚ 미만의 메조포러스 물질(Mesoporous Materials), 50㎚ 이상의 마크로포러스 물질(Macroporous Materials)로 구분하는 것이 일반적이다. 이와 같은 분류법은 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 분류한 방법으로 화학분야에서 전통적으로 사용되는 분류방법이다. 그러나 공학적인 측면에서 엔지니어링 소재(금속, 세라믹, 플라스틱 소재)의 경우, 실제의 기공이 대부분 마크로 기공 영역에 포함되기 때문에 아래 그림의 하단부에 나타낸 바와 같이 100㎛ 이상은 거대 기공(Macro Pore)으로, 0.1-100㎛ 범위의 기공은 마이크로 기공(Micro Pore 또는 Micrometer Pore)으로 분류해 사용하고 있다.
◇ 작동원리 및 적용부품
다공질 소재에 포함된 기공들은 각각의 형태에 따라 다른 역할을 한다. 좌측의 그림은 일반적인 다공질 소재에 존재하는 기공의 종류를 나타낸 것이다. 다공질 소재내의 기공은 소재의 표면에 연결돼 있는 개기공(Open Pores)과 표면으로부터 고립돼 있는 폐기공(Closed Pores)으로 나눌 수 있다. 개기공은 연결기공(Penetrating Pore)과 비연결기공(Nonpenetrating Pore, 또는 잉크병 형상기공 (Ink Bottle Pore))으로 구분할 수 있는데, 촉매 저장, 비표면적의 확대 등의 역할을 한다. 반면 폐기공은 재료의 경량화 및 단열 특성의 제고 등에 기여를 한다.
다공질 소재의 대표적인 예는 분리소재이다. 분리소재는 전형적인 조대기공이 형성돼 있는 기지조직(support)층과 중간 크기 및 미세한 나노기공을 가지고 있는 멤브레인 층으로 조합돼 있다. 주요 응용분야는 기체분리, 기체 반응, 수처리, 나노 분진, 생체 반응 등이다.
■ 기술의 환경변화 및 중요성
◇ 환경 규제 강화 및 삶의 질적 향상에 따른 환경에 대한 관심 증가
미국·일본·EU 선진국에서 CO2 배출 규제, 자동차 배기가스 규제 등 각 환경 규제가 현실화되고 있다. 또한 삶의 질적 향상으로 환경에 대한 관심이 증가해 생활공간에서 발생하는 휘발성 유기화합물(VOC) 등 새집증후군, 새 가구 증후군을 유발하는 물질을 제거해 환경을 정화하고자 하는 사회적 니즈가 증대되고 있다. 또한 공단지역에서 발생하는 폐수, 농축산물에서 발생하는 오수 등의 정화도 그 중요성이 커지고 있다.
◇ 다양한 분야에서의 응용 가능
다공성 세라믹은 현재 환경 및 에너지 산업의 발전한계를 극복하고 효율화, 고청정화, 고특성화를 실현할 수 있는 원천기반 기술이다. 특히, 셀룰라/마이크로셀룰라 세라믹스는 기공의 분포와 기공 크기 분포가 매우 균일하고, 기공률의 제어가 용이해 기공 크기 및 종류, 분포에 따라 필터, 함침용 모재, 연료전지의 전극, 촉매 담체, 흡음재, 단열재, 경량구조재, 완충재, 열충격완화재, 의료충진재 및 약물전달재(Drug Delivery System) 등 다양한 분야에 응용이 가능하다.
■ 기술분야별 동향
◇ 기공의 크기 제어
재료 내부에 기공을 삽입하는 방법은 하니콤과 같이 일정한 크기의 개기공을 압출공정을 통해 성형하는 방법이 있다. 이 방법은 자동차 배기가스 정화용 담체로 현재 사용되고 있으나 미국 코닝, 일본 NGK가 특허 기술로 광범위하게 보호하고 있기 때문에 다른 나라에서는 새로운 성형법 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 새로운 성형법 개발의 사례로서 연속섬유를 이용해 직물로 짠 후 이 직물을 여러 가지로 형상화해 하니콤 대체 물질로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 쌀겨, 각종 꽃씨, 그라파이트(Graphite) 등을 이용해 소결 중 타서 없어지고 기공을 남기는 방법 등이 개발됐는데 이 방법은 mm 크기의 큰 기공을 형성시키는 데는 유용한 방법이다. 그러나 기공크기, 기공률 등을 엄밀히 제어하는 데는 적합하지 않다.
현재 사용되고 있는 기공 형성재료는 아래의 표와 같다.
◇ 기공 배향성 제어
기공 배향성 조절을 위한 방법으로는 △서로 다른 두 가지 분말로 테이프를 성형한 후, 위층은 치밀하고 바로 밑에 층은 다공질로 서로 엇갈리게(Alternative) 적층해 전체적으로 기공이 한쪽 방향으로 배향되게 조절하는 방법 △침상의 결정을 합성해 휘스커의 인체 유해성을 극복하면서 기공 배향을 유도하는 방법 △다공질체를 부분 소결(Partial Sintering)/단조기법(Forging Technique)을 이용해 기공 배향시키는 방법 등이 보고됐다.
◇ 기공 형상 제어
기공 형상을 조절하기 위해 쌀녹말, 옥수수녹말, 감자녹말입자, 유기 섬유, 나일론 등을 첨가해 제어하는 방법 등이 알려져 있다. 연속 기공의 일방향 제어를 위해 라텍스 바인더의 상분리를 이용하는 방법 등이 소개 돼 있다. 이 경우 라텍스 입자 크기, 세라믹 분말 입자 크기 제어가 중요한 변수다.
◇ 다공질 소재 제조 방법 선진국들 환경규제 속에 여과막 분야 해결책 부상
○ 슬러리 이용기술
다공질 소재 제조를 위해서는 공정 도중에 기공 삽입 혹은 기공 발생 기구를 도입해야 한다. 기공 도입 방법은 고상 기공형성제 물질 첨가, 기포 발생제 첨가 등이 있는데 대부분 유기물질이 이용되고 있다. 이러한 유기 물질이 액체 내에서 세라믹 분체와 균일하게 분산돼야 한다. 따라서 균일한 슬러리(Slurry) 제조가 필수적이다. 슬러리(Slurry) 제조의 경우 일반 ㎛ 크기의 세라믹 분말의 균일한 분산 기술은 국내에서 이미 성숙돼 있다. 그러나 ㎚ 크기로 분체 크기가 작아질 경우 반데르발스의 힘(Van Der Waals Force)에 의해 응집이 용이해짐에 따라 균일한 분산이 어렵다. 따라서 Nano 분말의 경우에는 해교제 별 점도, 제타(Zeta) 전위 등을 측정해 최적 분산조건을 선택할 필요가 있다.
기공형성 재료로 사용 가능한 Graphite, 쌀겨, 꽃씨, Wood Dust, PMMA 구형입자, Carbon Black, Charcoal Powder, Starch (Corn, Potato, Rice), Carbon Nano Tube, Organic Fiber(Chopped) 등과 세라믹 분말을 용액 내에 균일하게 혼합하기 위해 Solid/Liquid 비, 해교제, 결합제 별 슬립(Slip) 안정성을 연구해 최적 Slip 제조 조건의 도출이 필요하다.
녹말가루가 물속에서 분산된 경우 이 슬러리(Slurry)에 60-80℃ 정도 열을 가하면 녹말 가루가 부풀어 오르는데 이 현상을 이용해 기공을 제어하는 기술이 최근 외국에서 개발됐다. 식품공학에서 현재 응용되고 있는 기술 (예, 두부 제조, 묵 제조, 전분 응용 등)을 조사 분석해 세라믹 슬러리(Slurry) 제조에 응용한다면 새로운 다공질 제조 공정기술 창출이 가능할 것으로 기대된다.
기공 형성제 공정 선진국과 대등, 나머지 기술격차 커
○ 부품형상 제어기술
치밀질 테이프(Tape)와 다공질 Tape를 번갈아 적층하면 기공의 방향성을 제어할 수 있으며, Tape의 두께에 따라 형성된 다공질체의 기공 크기를 제어할 수 있다. 따라서 테이프 캐스팅(Tape Casting)시 Tape의 두께 조절이 필요하다. Tape 두께를 제어하기 위해서는 슬러리(Slurry)의 점도, 유동도를 제어해야 하며, 선택된 시스템(분말-유기물-Fugitive Solid)의 안정한 슬러리(Slurry) 제조가 선결돼야 한다. Tape Casting 기술은 주어진 설비 사양에 의존하는데 Tape Casting 설비는 국산화 돼있다.
젤 캐스팅(Gel Casting) 기술은 단량체(Monomer)를 함유하는 분말/용액 슬러리(Slurry)에 개시체(Initiator)를 첨가해 중합(Polymerization)시키면서 성형체를 제조하는 기술로서 Near Net Shape 성형법으로 각광받고 있다. 다공질 제조 시 Gel Casting 기술을 응용하면 최종형상을 제조할 수 있기 때문에 가공비를 줄일 수 있는 장점이 있다. 현재까지는 사용되는 단량체(Monomer), 개시체(Initiator) 등이 독성을 가지고 있어 선진국에서는 무독성 Polymer System이 개발돼 있다. 국내에서는 독성 Organic을 이용한 공정이 개발돼 있으나 무독성 System에 대한 연구 개발이 필요하다. 천연적으로 존재하는 젤라틴(Gelatin) 등은 50~60℃ 온도로 가열한 후 냉각하면 고화되는 성질이 있으므로 이와 같은 유기물을 이용해 Sol을 제조한 후 Gel화하는 것이 가능할 것이다. 따라서 이와 같은 성질을 Gel Casting에 적용할 경우 무독성 Organic System을 이용한 Gel Casting이 가능할 것이다.
동결건조(Freeze Drying) 기술은 일반적으로 분말 제조, 혼합 등에 적용된 기술로서 일본 NIRIN에서 처음으로 다공질 제조에 응용했다. 세라믹 슬러리(Slurry) 내에 물이 급격히 냉각돼 얼음으로 변할 때, 물의 채널(Channel)이 얼음으로 변하면서 얼음 결정 형상으로 바뀌게 된다. 이때 얼음을 기체로 승화시키면 그 빈자리가 기공으로 남는 기술로서 내부 기공의 비표면적을 크게 증가시킬 수 있는 기술로 알려져 있다. 이 방법은 이미 기본적인 공정변수가 알려져 있는 바, 국내 적용에 큰 어려움이 없을 것으로 사료된다.
○ 마이크로셀룰라 세라믹스 제조기술
‘Cell’ 이라는 단어는 조그만 밀폐된 공간을 뜻하는 라틴어 ‘Cella’에서 유래된 파생어로, 이러한 셀들의 집합체로 구성된 세라믹을 셀룰라 세라믹스라고 정의한다. 특히 셀의 크기가 50㎛ 이하인 셀룰라 세라믹스를 마이크로셀룰라 세라믹스라고 정의한다. 자연에서 관찰되는 나무, 코르크(Cork), 산호 등과 인체의 뼈 등은 대표적인 셀룰라 혹은 마이크로셀룰라 소재이다. 마이크로셀룰라 세라믹스는 기존 소재에 비해 경량화, 소재 절감 등의 장점을 갖고 있고, 단열성, 흡음성, 통기성, 투과율, 충격저항성, 기계적 특성(비강도) 등이 기존 소재에 비해 매우 우수한 첨단 소재이다.
1995년 MIT의 Fitzgerald 등에 의해 염화나트륨(NaCl)을 소결해 다공체를 제조해, SiC의 전구체를 함침 시킨 후, NaCl 상을 녹여 내는 방법으로 탄화규소(SiC) 마이크로셀룰라 폼(Microcellular Foam)을 제조하는 공정이 처음으로 개발됐다. 그 이후 Ffugitive Phase로서 카본, 폴리우레탄 폼, 카본 fiber, 고분자 미세구 등을 활용해 셀룰라 세라믹을 제조하는 공정이 보고됐다.
독일 Enlangen 대학의 Greil 등은 세라믹 고분자 전구체를 서서히 열분해 시킬 때 발생하는 기체를 이용해서 기공을 형성하는 제조법을 보고했다. 이탈리아 Bologna 대학의 Colombo 등은 세라믹 고분자 전구체와 폴리우레탄 전구체 혼합물에 기공형성제(Foaming Agent)를 첨가해 기공을 형성한 후 폴리우레탄을 태워서 제거하는 방법으로 셀룰라 세라믹스를 제조하는 방법을 보고했다.
다공질 세라믹을 여러 분야에서 응용 시 그 성능은 기공의 분포와 기공 크기 분포, 기공률에 크게 의존한다. 마이크로셀룰라 세라믹스는 기공의 분포와 기공 크기 분포가 매우 균일하고, 기공률의 제어가 용이해, 기공 크기에 따라 필터, 함침용 모재, 연료전지의 전극, 촉매 담체, 흡음재, 단열재, 경량 구조재, 완충재, 열충격 완화재, 의료 충진재, 인공뼈 및 약물 전달재(Drug Delivery System) 등 다양한 분야에서 응용이 가능한 원천소재이다.
마이크로셀룰라 세라믹 제조를 위해 두 개의 새로운 공정 개념이 개발됐다. 첫 번째 공정은 세라믹 전구체를 CO2로 포화시키는 공정 - 포화된 세라믹 전구체를 열역학적인 환경을 변화시켜 과포화 상태로 만들어 균일한 기공을 형성하는 공정 - 열분해 공정을 거쳐 마이크로셀룰라 세라믹스를 제조하는 공정으로 구성된다. 두 번째 공정은 세라믹 전구체에 기공 형성제(Foaming Agent)를 첨가해 성형체를 제조하는 공정 - 제조된 성형체에서 기공 형성제를 활성화시켜 기공을 형성하는 단계 - 세라믹 전구체를 크로스 링킹 시키는 공정 - 열분해 공정을 거쳐 마이크로셀룰라 세라믹스를 제조하는 공정으로 구성된다. 이러한 새로운 공정 개념으로 제조된 마이크로셀룰라 세라믹스는 기술선진국에 비해 기술 우위 확보가 가능한 다공질 소재이다.
◇ 특성 평가 기술
기존의 치밀 재료에 적용되는 강도, 인성, 탄성율 측정방법이 다공질 소재에 적용될 수 없는바 다공질 소재의 특성평가 방법에 대한 연구가 선진국에서 활발히 진행되고 있다. 따라서 다공질 소재의 강도, 인성, 탄성률, 열응력에 대한 평가 방법은 스트럿(Strut) 강도, 기공률(상대밀도), 결함 크기(Flaw Size), 프아송비(Poison's Ratio), 열팽창 계수, 열전도도, 탄성률 등을 중심으로 체계적으로 이루어져야 하며, Data의 편차를 줄이는 방안도 강구돼야 한다.
◇ 나노기공 소재 제어
메조포러스 소재는 자기조직화 고분자를 주형(鑄型, Template)으로 하고, 솔젤법을 사용해 자기조직화 구조를 무기질 소재에 옮긴 후 주형을 제거함으로써 얻어진다. 따라서 메조포러스 소재는 일반적으로 인공적인 제어나 제작, 분석 등이 곤란하다고 여겨져 왔던 메조사이즈 영역에서 기공의 크기 및 구조를 면밀히 제어할 수 있다. 이는 종래의 마이크로포러스 소재(제올라이트 등)로는 제어가 힘들었던 기공 벽의 조성제어가 용이하며 거대분자들과의 반응이나 흡착 등 새로운 기능성을 발휘한다.
에어로젤은 초경량, 고표면적, 우수한 단열성 및 방음성, 구조적 안정성, 내열성 등의 우수한 물성을 지닌 환경 친화형 신소재로서 다양한 분야에서의 활용이 가능할 것으로 기대된다. 현재 부분적이긴 하지만 군사용 등으로 사용되는 Aspen Aerogels사의 Fiber(섬유)형 에어로젤, 흡착제나 광촉매로 환경 분야에 활용되는 NanoScale Materials사의 복합 산화물 에어로젤, 반투명 채광창에 적용된 Cabot 사의 Nanogel 등이 이미 상업화돼 있다. 실리카 에어로젤의 경우 이를 단열재 등에 적용한 제품이 아직까지는 경제성 문제가 남아 있긴 하지만 상업화 초기 단계까지 와 있는 상태이다.
■ 기술개발의 주요이슈
◇ 재료 내부 기공 제어 원천기술 확보 필요
종래의 경우 기공의 크기가 ㎛에서 ㎜ 범위였으나, 최근 재료 내 기공의 크기를 ㎚ Order로 줄이는 연구가 전 세계적으로 활발하다. 특히, 재료 내부에 기공의 크기, 형상, 크기 분포, 배향성 등을 제어함으로써 종래에 재료가 갖지 못하는 새로운 특성을 발현할 수 있다는 인식 아래, 상기에 대한 연구가 재료 연구의 새로운 지평선을 열 수 있을 것으로 기대되고 있다. 또한 일부 기술은 현재 연구개발 초기 단계로서 새로운 물리적 현상에 대한 기초를 제공하고 핵심원천 기술에 해당함으로 국제적 경쟁 우위를 선점하는 것이 가능하다.
◇ 시장 친화적 소재가 되기 위한 제조단가 인하
세라믹 다공성 소재는 타 소재에 많은 장점을 가지고 있으나 제조비용이 높다는 점이 주요 단점이다. 따라서 시장친화적인 소재가 되기 위해서는 제조단가를 낮출 수 있는 방법이 연구돼야 한다.
◇ 다양한 분야로의 응용 확대 필요
세라믹 다공성 소재는 기공 소재의 응용면에서 더욱 고부가가치를 창출할 수 있는 고선택도 및 고감도의 유해물 분리/분해 뿐만 아니라, 함침용 모재, 연료전지 전극, 흡음재, 단열재, 경량구조재, 약물전달 담공체 등 다양한 분야로 응용범위를 확대하는 노력이 필요하다.
■ 국가별 동향-미국
◇ 연구개발 현황
미국에서 다공질 소재 관련 연구는 주로 환경 에너지 분야에서 이루어지고 있으며, Vision 21, Hydrogen, FutureGen 등이 대표적인 프로그램이다.
DOE는 Vision 21 Energy Plan의 추진을 통해 세라믹 멤브레인을 이용한 전기, 합성가스, 수소 및 기타 유용한 화합물의 생산 시스템에 관한 기술을 개발했으며, Hydrogen 프로그램을 통해 세라믹 멤브레인을 이용한 고효율 수소제조장치에 관한 연구를 추진하고 있다.
Du Pont은 기체로부터 수소를 회수하기 위한 중공형 시스템을 개발했으며, Alcoa에서는 알루미나를 이용한 다채널 시스템 분리막을 개발해 석유화학, 의학 및 생물 공학 분야에 응용하는 연구를 수행하고 있다. Ceram Filter는 탄화규소 지지체를 이용한 세라믹 멤브레인 시스템을 개발해 폐수처리 및 용제 정제에 적용하기 위한 연구를 진행하고 있다.
MIT의 Fitzgerald는 1995년 염화나트륨을 소결해 다공체를 제조해, SiC의 전구체를 함침 시킨 후, NaCl상을 녹여 내는 방법으로 SiC 마이크로셀룰라 폼(Foam)을 제조하는 공정을 최초로 개발했다. 그 이후 Fugitive Phase로서 카본, 폴리우레탄 폼, 탄소 섬유, 고분자 미세구 등을 활용한 셀룰라 세라믹 제조 공정을 개발했다.
2013년 세계 시장 규모 11억3천만불, 80% 이상 선진국 차지
나노기공·막 분리소재 개발 서둘러야, 産·學·硏 관심 필요
■ 국가별 동향-일본
◇ 연구개발 현황
일본은 나노환경 기능촉매, 환경 에너지에 공헌하는 신기술개발을 전략적으로 추진하고 있다. 일본은 New Sunshine 프로그램(1993∼2020, 연간 600억엔, 총 1조5,500억엔 투자)을 통해서 환경, 에너지 관련 연구로 다공질 세라믹 연구를 활발히 추진하고 있다. 또한 NEDO(신 에너지?산업기술 종합 개발기구)는 이산화탄소 고온 분리 및 회수 분리막 제조에 관한 연구를 진행하고 있다. NGK에서는 알루미나 분리막 시스템을 개발해 박테리아 제거, 기체 및 유체 정화에 응용하기 위한 연구 수행을 하고 있으며, 매연 여과를 위한 다공성 SiC DPF 필터도 생산하고 있다.
노리다케는 수열 합성법을 이용해 알루미나 기판에 균일한 제올라이트 막을 합성해 이산화탄소와 질소를 분리할 수 있는 대면적 분리막을 개발했으며, 교세라는 화력발전소에서 배출되는 이산화탄소를 고온 상태에서 효율 좋게 분리할 수 있는 세라믹막을 실용화하기 위한 연구를 수행하고 있다.
■ 국가별 동향-EU
◇ 연구개발 현황
독일 Enlangen 대학은 세라믹 고분자 전구체를 서서히 열분해 시킬 때 발생하는 기체를 이용해서 기공을 형성하는 제조법을 보고했다. 이탈리아 Bologna 대학의 Colombo 등은 세라믹 고분자 전구체와 폴리우레탄 전구체 혼합물에 기공형성제(Foaming Agent)를 첨가해 기공을 형성한 후 폴리우레탄을 태워서 제거하는 방법으로 셀룰라 세라믹스를 제조하는 방법을 개발했다.
■ 국가별 동향-한국
◇ 연구개발 현황
연세대는 타이타니아·알루미나·실리카 등을 졸겔 공정을 이용해 세라믹 분리막 제조 및 CVD 법을 이용해 분리막 표면 개질에 대한 연구를 수행했다. 또한 한양대는 졸겔 공정을 이용해 알루미나 타이타니아 분리막 제조 기술을 개발했다.
KAIST는 이온성 계면활성제를 이용한 메조기송실리카의 제조 연구 및 메조 기공 실리카를 템플레이트로 이용한 메조기송카본 제조 및 메조기술 카본의 흡착연구를 수행했다. 또한 계면활성제를 이용한 메조 기공성 소제에 촉매를 담지해 환경유해 유기물(VOC)의 이산화탄소와 물로 분해시키는 기술을 개발했다.
다공질 소재의 국내 연구개발은 지엽적으로 이루어져 왔으며, 이는 다공질 소재가 대규모로 사용되는 환경설비, 수처리 설비 등이 대체로 외국기술에 의존돼 있기 때문이다. 국내 다공질 소재 연구의 주요 경향은 환경 응용분야에 국한돼 있다. 에너지기술연구원, 명지대, 아주대에서 환경부 G-7 과제로 고온 가스(Hot Gas) 필터 개발을 수행했다. 주요 내용은 SiC계 세라믹을 이용해 고온특성을 향상, 사용 중 배압(Back Pressure)이 발생치 않도록 기공크기 및 기공률을 제어 등이다.
또한 KIST·서울대·연세대·고려대 등에서 수질 정화용 분리막 및 기체분리용 분리막을 연구하고 있으며, 기체 분리용 분리막의 경우 고분자 막과 병행해 연구되고 있다. 고온 Hot Gas 필터나 수질 정화용 분리막 등은 상당 부분 기술적인 목표가 달성됐으나, 실제 사용 조건에서의 시스템 연계 기술 부족으로 실용화돼 있지 않다.
10여년 전 국내 기업체에서 세라믹 하니콤 개발을 시도했으나 Corning/NGK에서 제조하는 정도의 Wall Thickness (0.1-0.3mm)를 제조할 수 없을 뿐 아니라, 경제성 측면에서 만족스럽지 못했던바 현재 개발이 중단된 상태다. DPF용 필터의 경우, 국내외 시장이 막대한바 외국 특허 기술과 무관한 국내 독자 모델 개발이 필요하다.
다공질화 기술은 환경 산업의 중요성이 극대화됨에 따라 환경 정화용 필터 관련 부품을 중심으로 전 산업으로 광범위하게 응용되고 있다. 그 구체적 응용분야를 살펴보면 탈황, 탈질, 다이옥신, VOC 제거용 고성능 필터 등의 수요가 급증할 것으로 예상된다. 세라믹 소재 내부에 폐기공의 크기, 배향성, 형상, 분포 등을 원하는 대로 제어할 경우 새로운 특성의 단열재/내화물의 출현이 기대된다. 특히 강도가 유지되면서 열충격 특성 및 경량화가 이루어진다면 각종 회전 기계 스핀들(Spindle), 고온 회전 기계 부품에의 적용도 증가될 것으로 기대된다. 고온 집진필터의 경우, Monolithic Oxide Filter로서 아주대와 명지대, 산업기술시험원 등에서 추진된 바 있다.
KIST에서는 섬유가 첨가된 고온/고압용 집진필터 개발을 수행한 바 있는데, 섬유강화로 필터를 제작할 경우 내구성 및 물성 향상 면에서 장점은 있다. 그러나 섬유 제조공정이 인체에 유해한 공정이며, 또한 복잡하기 때문에 경제성 면에서 매우 불리한 단점이 있어 이를 국산화하기에는 어려운 실정이다.
KIST에서는 반응소결 탄화규소(RBSC)를 적용한 신뢰성이 높은 고온 세라믹 가스 필터 소재 및 독창적인 제조공정에 관한 핵심기술을 개발한 바 있다.
에너지기술연구원(KIER)에서는 가압유동층연소 배가스 정제용 집진필터 국산 제조기술 확보 및 상용화 제품 제조기술 연구(1998~2000)를 수행한바 있다. 그리고 후속 연구(2001~2003)로 SiC 구조세라믹 소재를 이용해 60mmOD × 40mmID × 1,000mmL 크기의 가압유동층 복합발전(PFBC)용 초정밀 고내구성 세라믹 고온/고압 집진필터의 양산화 기술을 개발했다.
KIER에서는 2007년부터 5년간 지경부 에너지기술혁신개발사업의 지원 하에 IGCC 공정에 적용하기 위한 비점토계 무기바인더를 이용한 SiC 캔들필터 개발에 관한 연구를 수행하고 있으며, 석탄액화(CTL) 공정에 적용하기 위한 SiC 캔들필터 개발연구도 함께 진행하고 있다.
재료연구소는 지난 10년 동안 ‘기공제어 기술 및 응용 연구’를 통해 (주)영진세라믹스, 남강세라믹스와 공동으로 다공성 진공척 소재 및 경량 다공성 조습타일을 양산화 하는데 성공했다.
■ 국내외 주요 기업의 생산활동
미국에서 NOx 규제법이 발표됨에 따라 탈질 세라믹 담체시장이 급격히 증가했다. Corning의 촉매 담체 제조 기술과 일본의 MHI의 설비기술을 합작해 Cormetech이 설립됐으며 현재 촉매 담체를 생산해 전 세계 시장에 공급하고 있다.
3M(미국), DuPont(미국), IF&P(미국), LLB(독일) 등에서 복합세라믹 필터를 개발하고 있다. 독일의 BWF Textile GmbH사는 세라믹 섬유 필터에 환원/산화 촉매를 코팅해 미세먼지/NOx/다이옥신 동시제거용 필터를 전 세계 시장에 공급하고 있다. 또한 Siemens, KWH, BASF, Holdor Topsoe 등은 탈질용 세라믹 촉매 담체를 상용화해 전 세계 시장에 공급하고 있다.
국내외 주요 기업의 생산활동을 정리하면 아래의 표와 같다.
■ 시장규모 및 전망
현재 다공질 세라믹 시장은 미국·일본·EU 등의 선진국이 약 80% 이상을 점유하고 있다.
생활공간에서 발생하는 휘발성 유기 화합물(VOC)등 새집 증후군, 새 가구 증후군을 유발하는 물질을 제거해 환경을 정화하고자 하는 니즈가 증가함에 따라 환경 세라믹 촉매 소재 및 이 소재를 이용하는 2차 제품들이 빠르게 산업화 될 전망이다.
다공성 세라믹의 대표적인 응용 소재의 하나인 무기질 분리막 소재의 시장성을 살펴보면 다음과 같다. 무기질 분리막은 재질로는 세라믹, 금속, 카본 유리 등이 있는데 세라믹이 미국시장을 기준으로 약 50%를 차지하고 있다.
다공성 무기막 소재는 산업적인 응용 분야 별로 탄화수소 관련 기술이 절반 이상을 차지하고 있으며, 촉매 회수, 용매회수/세척, 화학공정, 분석, 기체에서 기체분리, 촉매 반응기 등에 사용되고 있다. 환경에 적용되는 분리막은 폐기물 처리에 가장 많이 사용되며, 그 다음으로 수처리, 기체분리 순이다.
다공서 분리 세라믹 소재 기술은 차세대 환경 절약형 공정으로 인식됨에 따라서 세계적으로 관련 기술 개발이 활발히 진행되고 있으나, 국내의 경우 분리막 소재의 원천소재인 지지체 기술 열세 때문에 대부분 지지체를 외국에서 고가로 수입하고 있는 실정이다.
■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향
◇ 미래의 연구방향
다공질 세라믹은 환경과 에너지 분야에서 핵심 요소기술이며, 정책적으로도 현재 중요시 되고 있는 저탄소 녹색성장의 발전 기조와도 부합되는 소재이다. 다공질 세라믹 소재는 고특성화와 고기능화를 추구하기 위한 방안으로는 나노화를 통해 고기능화를 추구할 것으로 예상된다. 특히 최근 학문의 융합화와 맞물려서 세라믹 분야에 한정되지 않고 고분자 금속소재와의 복합화를 통해 IT, BT 산업의 핵심 소재로 발전될 것으로 기대된다. 그러나 현재 국내에는 다공질 소재라는 이름으로 집중적으로 이루어지지 않고 있으며, 목적지향적 소재 분야의 한가지 방법론으로 연구되고 있는 실정이다. 나노 다공질 소재의 경우 지금까지는 화학에 종사하는 연구자를 중심으로 발전돼 왔으나 새로운 분야로의 다양한 상용화를 위해서는 소재 연구자가 주도적으로 이끌어 가는 것도 매우 중요할 것으로 판단된다. 특히 기존의 조대한 기공구조와 나노 기공의 계층적 구조는 향후 중점 연구 분야다.
◇ 국내 산업이 나아갈 방향
향후 미래 사회에서는 치밀한 재료 보다는 기공이 많은 다공질 재료가 기능적으로 재료의 특성 한계를 극복할 것으로 예상됨으로 향후 다공질 세라믹 소재의 수요는 지속적으로 증가할 것이다. 또한 새로운 기능을 개발해 새로운 시장 창출에 기여할 수 있을 것이며, 이에 따른 새로운 비즈니즈 도출을 위해 노력을 기울여야 할 것으로 판단된다.
