■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의

수질정화용 나노 멤브레인 기술은 수질 정화에 효과적인 여과막을 제조하고 활용하는데 사용되는 나노 기술이다. 수질정화용으로 사용되는 멤브레인에는 정밀여과막(MF, Microiltration Membrane), 한외여과막(UF, Ultrafiltration Membrane), 나노멤브레인(NF, Nanofiltration Membrane), 역삼투막(RO, Reverse Osmosis Membrane)이 있다.

MF나 UF 멤브레인과 같은 다공성 분리막은 상전이(phase inversion) 기술로 제조하며, NF나 RO 멤브레인과 같은 복합 멤브레인은 UF 멤브레인 표면에 1㎛ 이하의 두께로 폴리아마이드 고분자 층을 형성해 제조한다.

이들 멤브레인의 활용도는 매우 넓다. 일반 생활하수부터 공장폐수까지 넓은 범위의 폐수를 처리해 방류수나 재활용수를 제조하는데 사용되며, 해수로부터 담수를 제조하는 해수담수화에도 사용된다.

▲ 다공성 멤브레인(左)과 복합 멤브레인 표면 SEM 사진.

▲ 평막형 멤브레인(左)과 중공사형 멤브레인 단면 SEM 사진.

◇ 기술의 분류

수질정화용 나노 멤브레인은 멤브레인 소재와 기공의 크기에 따라 다음 표와 같이 분류된다.

▲ 수질정화용 나노 멤브레인 분류.

■ 환경변화

◇ 국내 멤브레인 시장에 대기업 대거 진출

오랜 기간 국내 멤브레인 시장은 중소기업에 의해서 움직여 왔다. 하지만 물 산업이 차세대 유망 산업으로 주목을 받으면서 제일모직, LG화학, LG전자, 효성, 코오롱 등의 대기업들이 멤브레인 시장에 진출하기 시작했다. 특히 멤브레인은 사용 기간이 길어 멤브레인의 신용도는 기업의 신용도와 맞물리는 특성을 가진다. 대기업의 멤브레인 시장 진입에 따라 국내 중소기업들은 시장에서 경쟁력을 확보하기가 쉽지 않게 됐다.

◇ 수처리용 멤브레인 제조 기술을 이차전지용 분리막에 활용

전기자동차용 이차전지 개발을 위해 최근 일본의 대표적 수처리용 멤브레인 제조업체인 Asahi Kasei는 미국의 IBM과 손잡고 ‘Battery 500 Project Team’을 구성했다. 이들은 전기자동차의 가장 중요한 요구조건인 한번 충전으로 800km를 갈 수 있게 하는 리튬이온 이차전지를 개발하고 있다. 이처럼 수처리용 멤브레인 제조기술의 활용 범위가 확대되는 추세다.

◇ 와해성 기술을 이용한 분리막 성능향상

멤브레인의 성능은 투과도와 선택도에 의해 결정된다. 고전적인 방법으로 분리막의 성능 혁신을 기대할 수 없으므로 나노기술에 기반한 분리막 제조 연구가 진행되고 있다. 대표적인 접근방법은 나노입자를 이용한 분리막 표면의 초친수화이다. 최근 LG화학에 인수된 미국 벤처기업 Nano H2O는 RO 멤브레인 표면에 수십 나노미터(nm) 두께로 나노물질을 코팅해 멤브레인의 내구성이나 물 투과 성능을 향상시켰다고 발표했다. 또한 덴마크의 아쿠아포린(Aquaporin)과 단포스 아쿠아(Danfoss AquaZ) 등 벤처기업들은 생체 내 세포에 있는 멤브레인 단백질을 멤브레인에 적용, 생체 모방 구조를 통해 기존 대비 선택성을 10배까지 높이는 멤브레인을 개발했다.

▲ 나노기술을 기반으로 한 와해성 기술을 보유한 벤처기업.

■ 기술의 중요성

◇ 물 산업 성장을 통한 수처리용 분리막 시장 확대

물 산업의 성장과 함께 멤브레인 시장이 지속적으로 성장하고 있다. 수처리용 멤브레인 시장은 2007년 61억달러에서 2016년 303억달러 규모로 연평균 19.6% 성장할 것으로 예상된다. RO 담수설비는 연간 10% 대 성장이 전망되며, 물 재사용 시장 또한 14.5%의 성장이 예상된다.

◇ 이차전지용 분리막 시장으로 적용 확대
모바일 기기, 자동차용 등으로 이차전지 시장의 지속적인 성장이 예상되고 있으며 최근 수처리용 분리막 제조기술을 이차전지용 분리막에 적용가능하는 연구가 진행되고 있어, 에너지 분야에서의 멤브레인 수요가 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.

■ 기술분야별 동향

◇ 역삼투 복합막 제조 기술

역삼투 복합막은 현재 가장 널리 사용되고 있다. 이 분리막은 UF 수준의 기공 크기를 지닌 다공성 지지체 표면에 아주 얇은 두께의 가교된 고분자 층을 형성해 제조하는 것이 일반적이다. Polysulfone 다공성 지지체 표면에 MPD(Meta-phenylenediamine)와 TMC(Trimesoyl chloride)를 계면중합법으로 중합해 Sub-Micron 수준의 두께를 지닌 가교된 Polyamide층을 형성해 제조한다. 이 분리막은 높은 투과도와 높은 염 배제율을 지니고 있어 우수한 분리막 특성을 나타낸다.

▲ 역삼투막 Spiral wound 모듈 구성도(左) 및 모듈 사진.

반면 이 분리막은 내염소성이 부족하다. MPD와 TMC에 의해서 제조되는 Polyamide가 차아염소산 소다(NaOCl)와 같은 강한 염소계 산화제에 의해서 쉽게 분해되기 때문이다. 이러한 약한 내염소성은 크게 두 가지 부분에서 문제가 된다. 첫 번째는 분리막의 세척 시 어려움이다. 분리막은 주기적으로 표면을 세척해야하는데, 세척 과정에서 약한 내염소성 때문에 염소계 세척제를 사용할 수 없는 문제가 있다. 이는 바이오파울링(Biofouling)에 의한 분리막 오염을 막는데 큰 걸림돌이 된다. 둘째로는 해수담수화 적용 시 어려움이다. 바닷물에는 많은 양의 바이오 오염물들이 포함돼 있는데 이들을 제거하는 과정에서 많은 경우 NaOCl을 사용해야하며, 이 경우 분리막의 내염소성은 중요한 분리막의 요구사항이 된다. 따라서 현재 역삼투막의 내염소성을 증가시키기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다.

○ 역삼투 복합막 표면 개질 기술

역삼투막의 내염소성을 증가시키는 가장 쉬운 방법은 우수한 분리투과 특성을 지닌 역삼투 복합막의 표면에 내염소성이 우수한 물질로 다시 한 번 코팅하는 기술이다. 지금까지 많이 사용돼온 물질로는 PVA(Polyvinyl alcohol)와 PEO(Polyethyleneoxide)와 같은 친수성 비이온성 고분자와 Silicone계 화합물, 아크릴계 화합물과 같은 단량체화합물을 들 수 있다. 이들 고분자나 단량체 화합물을 이용해 역삼투 복합막의 표면에 내염소성이 우수한 박막을 형성해 역삼투 복합막의 내염소성을 어느 정도 향상 시킬 수 있다.

이러한 기술은 적용하기에는 쉬우나 두 가지 문제점이 있다. 그 첫 번째는 역삼투 복합막의 투과도 저하다. 이는 또 다른 한 층의 막이 복합막의 표면을 덮고 있어 물이 투과하는데 저항으로 작용하기 때문이다. 두 번째 문제점은 복합막의 내염소성의 향상에는 한계가 있다는 것이다. 내염소성이 우수한 박막층을 통과한 염소에 의해 polyamide층이 분해되는 것을 막을 수 없기 때문이다. 이는 염소의 투과가 제한적이긴 하지만 100% 막을 수 없기 때문에 생기는 문제다.

○ 비폴리아마이드계 역삼투 복합막 제조 기술

위에서 설명한 역삼투 복합막 표면 개질 기술의 문제점을 해결할 수 있는 방법으로, 역삼투 복합막을 제조할 때 MPD를 단량체로 사용하지 않는 대신 다른 화합물을 사용하는 기술이다. 본 기술은 상용화를 위해 현재 많은 연구가 진행되고 있는 상태이다.

본 연구는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 그 첫째는 이온성 친수성 고분자를 이용해 다공성 UF 지지체 표면에 박막을 형성해 역삼투 복합막을 제조하는 기술이다. 주로 사용되는 친수성 고분자는 SPS(Sulfonated polyethersulfone)이다. 이렇게 제조된 역삼투 복합막은 우수한 내염소성을 지니고는 있으나 분리투과 특성이 저하되는 문제점이 있다. 염분(NaCl) 제거율이 기존 역삼투막에 대비 크게 낮으며 물 투과도 또한 낮은 상태다. 현재 이러한 문제의 해결을 위해 여러 방식의 연구가 수행되고 있다.

▲ Ridge & Valley 구조를 지닌 역삼투 복합막의 표면 SEM((左)Polyamide 복합막 (右)Polyetser 복합막) .

둘째로는 Polyester 역삼투 복합막 제조기술을 들 수 있다. Polyester는 Polyamide와 달리 우수한 내염소성을 지니고 있고 계면중합법으로 제조가 가능하다. 따라서 기존의 Polyamide 역삼투 복합막과 동일한 수준의 분리투과 특성을 지닌 역삼투 복합막을 제조할 수 있는 가능성이 높다. 하지만 아직까지 성공적으로 본 분리막을 제조한 곳은 없다.

일반적으로 많이 사용되는 단량체로는 하이드로퀴논(Hydroquinone)이나 레조르시놀(Resorcinol)과 같은 Aromatic diol이다. 이들을 TMC와 계면중합을 시키면 기존의 Polyamide 복합막과 같은 역삼투막을 제조할 수 있으나, 아직까지의 결과는 성공적이지 못하다. 특히, NaCl 제거율과 같은 분리투과 특성이 미흡하다.

中企 위주 멤브레인 시장, 규모 커지자 대기업 앞다퉈 진출

다우케미컬·니토덴코·아사히 카세이 등 소수 기업 시장 주도

◇ MF/UF 분리막 제조 기술

수처리용 분리막 중 MF/UF 분리막이 널리 사용되고 있다. MF/UF 분리막은 역삼투 복합막과 달리 기공성 단일막이다. 비대칭막 구조를 지니고 있으며, 기공의 크기는 MF 분리막의 경우 0.1마이크론 이상이며 UF 분리막의 경우는 0.1마이크론 이하다.

이러한 다공성 분리막은 주로 상전이법으로 제조된다. 상전이법에는 NIPS(Nonsolvent-Induced Phase Separation)법으로 알려진 비용매 유도 상전이법과 TIPS(Thermally-Induced Phase Separation)법으로 알려진 열유도 상전이법이 있다. 이들은 각각의 장단점을 지니고 있으며, 현재 대부분의 다공성 MF/UF 분리막은 이 방법으로 제조된다.

분리막 재료는 매우 다양한 고분자들이 사용되고 있으나 현재는 주로 플로로계 고분자인 PVDF(Polyvinyliden flouoride)가 주로 사용된다. Polysulfone이나 Polyetherimide 등은 NIPS법으로 원하는 분리투과 특성을 지닌 분리막을 손쉽게 만들 수 있어 널리 사용됐으나 이제는 더 이상 많이 사용되지 않는다. 그 이유는 분리막의 제한된 내화학성 때문이다. 역삼투막의 경우와 마찬가지로 MF/UF 분리막도 주기적으로 화학세정을 필요로 한다. 이때 사용되는 화학세정제에 잘 견딜 수 있는 분리막이 필요하다. 여기에 적합한 고분자 재료가 바로 PVDF이며 현재 PVDF MF/UF 분리막이 많이 사용되고 있다.

○ NIPS법에 의한 다공성 분리막 제조 기술

비용매 유도 상전이법인 NIPS법은 다공성 분리막 제조법으로 널리 사용되고 있다. NIPS법에 의한 PVDF 다공성 분리막 제조과정을 간단히 설명하면 다음과 같다.

PVDF를 NMP와 같은 유기용매에 녹이며 이때 고체 함량을 15% 정도 만든다. 이 때 사용되는 유기용매는 추후 사용될 비용매(일반적으로 물)와 잘 섞일 수 있어야 한다.

제조된 PVDF 용액을 Polyester계 부직포 표면에 캐스팅 나이프를 이용해 100~200마이크론 정도의 두께로 얇게 코팅한다.

미리 준비된 비용매인 물에 PVDF 용액이 코팅된 부직포를 담그게 되면 평막형 PVDF 다공성 분리막이 제조된다. PVDF 용액이 비용매인 물을 만나게 되면 물과 잘 섞이는 특성을 지닌 NMP는 물 층으로 이동을 하게 되고 그 자리를 비 용매인 물이 채우면서 PVDF 용액 층은 PVDF 고체 층으로 상이 전이된다. 이때 PVDF 층 표면에 매우 작은 기공이 얇은 두께로 형성되고 하부에는 다소 큰 기공의 두꺼운 PVDF 층이 형성돼 비대칭 다공성 분리막이 제조된다.

▲ 여러 가지 용매를 사용해 제조된 PVDF 다공성 분리막 단면 SEM 사진.

PVDF 용액 제조 공정에서 PVDF 다공성 분리막의 표면 기공의 크기와 하부구조의 변화를 유도하기 위해 다양한 종류의 유기용매와 첨가제를 함께 사용한다. 예를 들어 NMP, DMF, DMAc 등의 극성용매와 LiCl와 같은 무기염, PVP 등과 같은 수용성 고분자와 PEG와 같은 친수성 유기 첨가제를 들 수 있다.

○ TIPS법에 의한 다공성 분리막 제조 기술

TIPS법은 NIPS법에 비해 공정이 다소 복잡하고 미세기공의 크기를 조절하기가 까다로운 단점이 있으나 NIPS법으로 구현할 수 없는 분리막을 제조할 수 있어 널리 사용되고 있다. NIPS법을 사용하기 위해서는 분리막 재료인 고분자를 유기용매에 반드시 녹여야만 한다. 따라서 PE(Polyethylene)나 PP(Polypropylene) 분리막을 제조하는 데는 NIPS법이 적합하지 않다. 또한 NIPS법으로 제조된 분리막은 일반적으로 낮은 기계적 강도를 지닌 반면 같은 재료의 분리막을 TIPS법으로 제조하면 우수한 기계적 강도를 나타내는 특성이 있다. 이러한 이유로 현재 다공성 분리막을 제조하는데 TIPS법을 많이 사용하는 추세다.

TIPS법을 이용한 PVDF 분리막 제조과정은 간단히 설명하면 다음과 같다.

고분자와 희석제를 먼저 블렌딩해 고분자 용융점 근방까지 가열하고 희석제가 잘 분산된 고분자 단일상의 용융액을 만든다.

이를 막 형태로 성형한 후 가해진 열을 제거해 냉각시킴으로써 상분리를 유도해 분리막을 제조한다.

제조된 분리막으로부터 희석제를 추출함으로써 분리막 내에 다공성 구조를 형성한다. 이 때 희석제를 추출하기 위해 다양한 종류의 용매가 사용될 수 있다.

다음 그림은 TIPS법에 관련된 상태도다. 고분자 용융액의 온도를 낮춰 Liquid-Liquid 상분리 영역을 지나 Solid-Liquid 상분리 영역에 도달하게 된다. 이 과정을 통해 희석제로 채워진 기공을 지닌 다공성 분리막이 제조된다. 제조되는 분리막의 기공의 크기 및 구조를 조절하기 위해서는 냉각속도, 희석제의 종류 및 농도 등 다양한 실험 인자들을 적절히 조절해야만 한다.

▲ TIPS법에 의한 분리막 제조 시 상태도.

■ 기술개발 주요이슈

◇ CNT를 이용한 NF/RO 분리막 제조 기술

나노기술의 발전으로 탄생한 CNT(Carbon Nanotubes)는 여러 가지 독특한 특성을 지니고 있다. 그 중 하나가 내경의 크기가 나노 사이즈란 것이다. 다음 그림은 Single walled CNT를 이용한 분리막 제조의 도식도이다. 그림과 같이 CNT의 내경을 기공으로 사용해 물질 분리를 할 수 있는 분리막을 제조할 수 있다.

▲ Single-walled CNT를 이용한 분리막 도식도.

CNT 제조 기술의 발전에 따라 CNT를 수직 방향으로 자라게 해 CNT Forest를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 CNT Forest를 에폭시 수지로 함침해 하나의 구조물로 만든다. 그리고 상부와 하부면의 일정한 두께를 절단함으로써 도식도에 나타난 구조를 지닌 CNT 분리막을 제조할 수 있다. 또한 내경이 1nm 정도인 CNT를 사용할 경우에는 CNT의 말단 즉, CNT 복합막의 상단면의 CNT를 기능화해 제거율과 수투과도를 획기적으로 높인 NF 분리막 또는 RO 분리막을 제조할 수 있다.

◇ 해수담수화 및 에너지 저감을 위한 정삼투 분리막 제조 기술

기존에는 해수담수화에 역삼투막을 사용했으나, 전 세계적으로 에너지 문제가 대두되면서 이 분야에도 변화의 물결이 일고 있다. 그 중 대표적인 것이 정삼투막의 개발 및 활용 기술이다. 정삼투막은 외부 에너지를 사용하지 않고 Feed 용액과 Draw 용액 사이의 삼투압의 차이에 의해서 물이 이동하게 해 담수화(Desalination)하는 분리막이다.

정삼투막은 역삼투막과 달리 에너지 사용이 현격히 낮은 장점이 있으나 독자적으로 순수한 물을 제조할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 기존의 분리막 기술의 단점을 보완할 수 있는 분야에 한정적으로 사용이 가능하다. 이밖에도 음용수 제조 및 특수 목적을 위한 분리막으로 사용할 수 있다. 미국 HTI사는 이 기술의 상용화에 성공해 분리막을 시판하고 있다.

▲ 정삼투막 시스템을 이용한 RO 분리막 시스템 고효율화 도식도.

■ 해외 동향-미국

◇ 연구개발 현황

음용수 제조분야에서 미국은 다양한 수처리용 분리막 기술을 보유하고 있으며, 1980년대 후반부터 특허등록이 시작돼 다수의 특허를 보유하고 있다. 막 재질로는 전통적인 고분자막을 가장 많이 활용하고 있다. 1990년대 후반부터 복합막을 이용한 기술개발이 가장 많은 비중을 차지하고 있으며 세라믹 막도 꾸준히 개발하고 있다. 반면 단순 고분자막과 관련된 개발은 다소 감소하고 있으며, 고분자를 이용한 비대칭 형태나 박막 형태의 복합막에 관련된 특허 등록이 증가하는 추세다.

듀폰, 다우케미칼 등의 기업이 이 분야에 많은 관심을 가지고 있다. 듀폰의 특허는 주로 1980년대에서 1990년대 전반까지 막의 재질에 집중되고 있었다. 다우케미칼은 주로 고분자를 이용한 막에 집중하고 있다. 이와 같이 미국의 연구개발은 고분자와 복합막 등의 막 재료와, 이들을 제조하는 장치나 공정개발 등 다양한 분야의 기술을 개발하는 것이 특징이다. 음용수 제조와 관련해 1990년대 이전에는 역삼투막의 이용이 가장 많았으나 이후에는 복합막을 이용한 한외여과나 나노여과에 관련된 기술개발이 주류를 이룬다.

▲ 수처리용 분리막 제조 - 미국의 선도 기관.

MBR 공정 시장, 2013년 5억불로 연평균 11% ↑

韓, 소재·프로세스·공정 産·學·硏 전문가 협력 절실

■ 해외 동향-일본

◇ 연구개발 현황

일본의 음용수 제조에 관련된 특허는 1990년대 후반에 비약적인 증가를 보였다. 막 재질과 제조에 관련된 기술보다는 막을 이용한 장치 및 기술관련 특허가 많다. 고분자·세라믹·복합막 등 다양한 막을 이용하는 것이 특징이며, 특히 세라믹막에 관련된 특허 등록이 한국이나 미국에 비해 높은 비중을 차지하고 있다는 것이 주목할 만하다.

미국과 마찬가지로 여러 기업이 분리막 기술 개발을 주도해 왔으며 이 경향은 1990년대 후반에 더욱 심해진다. 음용수 제조기술과 관련된 특허에 있어서 막분리 공정은 다른 국가들과 마찬가지로 대부분 역삼투막, 정밀여과막, 한외여과막에 집중돼 있다. 특히 구리타㈜가 주도하는 이온교환막의 비중이 미국에 비해 높은 것은 주목할 만하다.

▲ 수처리용 분리막 제조 - 일본의 선도 기관.

■ 해외 동향-유럽

◇ 연구개발 현황

유럽에서의 막여과 시설 도입은 프랑스를 중심으로 이루어졌다. 이러한 배경에는 유럽 통합에 의한 시장 통합과 민영화의 촉진이라는 요인이 크게 작용했다. 프랑스에서 최초의 막여과 시설은 1988년 Lyonnaise des Eaux사에 의해 건설됐다. 이 회사는 1989년에 Douchy시에 일일 1,200톤 규모의 한외막형 정수장을 건설하고, Saint Maurice les Chteauneuf에 일일 2,000톤 정밀막형 정수처리장을 건설했다. 해당 시설은 복류수를 대상으로 우천 시의 탁도 증가에 대비해 건설됐으며, 탁도 및 미생물의 제거가 목적이었다.

이와 같이 소규모 막처리를 이용한 정수장에서는 우천 시의 원수 수질에 대해 종래의 응집침전 및 모래여과로는 대응이 곤란한 문제를 해결하는 동시에 시설의 자동화로 운전관리의 시간을 절약할 수 있다. 특히, 한외막을 이용한 정수처리기술은 하천수의 처리 실적을 기초로 건설비용의 저감을 도모했으며, 대규모 정수장에 막여과 기술의 도입을 추진했다.

또한, 프랑스의 Mery-sur-Oise 정수장에서는 처리수량을 일일 20만톤에서 34만톤으로 확장하기 위해 처리수량의 증량과 더불어 처리수질을 향상시키기 위한 나노막 시설의 도입을 계획하고 있다.

▲ 수처리용 분리막 제조 - 유럽의 선도 기관.

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

국내 수처리용 분리막 연구는 웅진을 비롯한 일부 대기업과 중소기업, 연구소와 학교에서 다양하게 진행되고 있다. 국내 분리막 연구는 주로 수처리용 분리막 제조 기술 위주로 진행돼 왔다. 이는 수처리용 분리막을 제외하고는 시장성이 낮기 때문이다.

수처리용 분리막에 있어서 MF와 UF 분리막 제조 연구가 대부분이다. 이는 아직 우리나라의 분리막 제조 기술수준이 선진국에 비해 많이 부족하다는 것을 보여준다. 특히 RO나 NF 분리막의 연구 및 제조는 웅진을 제외한 다른 기업에서는 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다. 이는 아직 본 분야에서는 선진기술을 따라잡을 가능성이 현저히 낮기 때문이다.

최근 제일모직, LG전자, LG 화학, 호남석유화학, SK 등에서 분리막 연구개발에 뛰어 들었다. PVDF 다공성 분리막을 제조하는 기술 개발 연구가 주를 이루고 있다.

▲ 수처리용 분리막 제조 - 국내의 선도 기관.

◇ 기술경쟁력분석

현재 국내에서 상용화된 분리막으로는 RO 분리막, 중공사형 PVDF MF/UF 분리막, 평막형 PVDF MF/UF 분리막, PE/PP 중공사형 다공성 분리막 등이 있다. 이들 대부분은 아직 선진국 제품에 비해 부족한 것이 사실이나 PVDF 다공성 분리막의 제조 기술은 선진국의 90% 수준이다.

▲ 수처리용 분리막 제조 - 기술격차 및 기술수준.

■ 산업동향

물 산업의 성장과 함께 멤브레인 시장도 성장하고 있다. 수처리용 멤브레인 시장은 2007년 61억달러에서 2016년 303억달러 규모로 연평균 19.6%의 고성장을 지속할 전망이다. RO 담수설비는 연간 10%대, 물 재사용 시장은 14.5%의 성장이 예상된다.

멤브레인 수요가 급증하면서 관련 글로벌 기업들도 빠르게 시장 환경 변화에 대응하고 있다. 현재 멤브레인 시장은 소수의 글로벌 기업이 시장을 주도하고 있다. 주요 선도 기업들은 대부분 화학 또는 섬유 사업을 기반으로 성장해 온 기업이기 때문에 고분자 기술에 대한 역량을 보유하고 있다는 공통점이 있다.

최근 동향을 보면 글로벌 선도 기업들은 미래를 준비하기 위해 생산 시설을 증설하거나 멤브레인 사업영역을 확장하고 있다. 멤브레인 제조 플랜트 확장을 위해 공격적 투자를 하는 기업들로는 다우 케미컬(Dow Chemical), 니토덴코(Nitto Denko), 아사히 카세이(Asahi Kasei) 등을 들 수 있다.

RO 멤브레인 분야에서 1위인 다우 케미컬은 2006년 다우 워터 솔루션을 설립해 물 관련 사업 창구를 단일화했다. 이후 다우는 시장 장악력을 높이기 위해 8,800만달러를 투자해 미국 내 RO와 NF 멤브레인 생산용량을 대폭 늘렸다.

니토덴코도 2008년 8,000만달러를 투자해 멤브레인 생산 용량 증설에 나섰으며, 2012년까지 생산 용량을 3배로 확장할 계획이다.

도요보(Toyobo), 미쓰비시 레이온(Mitsubishi Rayon), 아사히 카세이 등 멤브레인 시장의 적극적인 확대를 추진하는 기업들도 늘어나고 있다. 도요보는 다른 기업과 달리 RO 멤브레인을 중공사(hollow fiber) 형태로 만들어 중동 지역 멤브레인 시장의 60%를 점유하고 있다. 최근에는 MF/UF 멤브레인으로 제품 라인업을 확장해 북미 시장의 정수와 하수 처리 시장에 진입하려 하고 있다.

미쓰비시 레이온(Mitsubishi Rayon)은 최근 니토덴코와 카시드 테크놀로지(Kathyd Technology)라는 조인트 벤처를 설립한 바 있다. 양사는 각각 MF 멤브레인과 RO 멤브레인이 주력 분야로 제품 개발 등 협력을 통해 사업의 시너지 효과를 얻고자 한다.

■ 시장규모 및 전망

현재 분리막 시장은 미국·일본·유럽 국가들이 주도하고 있다. 최근 10여년 간 기술 발전을 통해 필터 가격이 75% 정도 하락했다. 흔히 담수처리는 NF, RO 방식으로, 상하수처리는 UF, MF 방식을 활용한다. 특히 담수화 등에 활용되는 RO 방식 시장 규모가 가장 크다. 세계 RO 방식 분리막 시장은 Dow, NittoDenko, Toray가 약 74%를 점유하고 있다. 두산중공업이 주도하는 증발법 담수방식도 분리막 방식(RO)으로 전환되고 있는 추세다.

RO공법은 중국·호주·인도 등지에서 수질악화 및 수자원 부족에 따라 폐수재활용 시장으로 확대될 전망이다. 또한 중동 및 미주지역의 물 부족으로 해수담수화 RO 대형 프로젝트의 수요가 증가할 것으로 보인다. 아울러 RO 방식의 분리막은 주요 기업을 중심으로 제품 표준화가 이뤄지고 있는 반면 MF, UF 방식은 상대적으로 표준화 작업 추진이 미진한 상황이다.

향후 하수처리 부문 막분리 공정 시장은 고속 성장할 전망이다. MBR 공정의 시장규모는 2008년 3억달러에서 2013년 5억달러로 연평균 11% 증가할 것으로 보인다. 또한 물 부족 현상이 심화됨에 따라 하수를 처리한 후 각종 용수로 재활용하는 중수도 분야에도 막분리 공정 적용이 확대되고 있다. 물 부족이 심각한 이스라엘, 싱가포르 등은 정책적으로 하수의 재활용에 막분리 공정을 적용하고 있다. 이스라엘은 2020년까지 전체 용수 수요량의 23%를 MBR 공정을 통해 공급할 예정이다.

▲ 수처리용 분리막 기술의 국내외 시장 규모.

■ 미래의 연구방향

수처리용 분리막은 특성상 분리막 표면이 공급액에 항상 노출돼 있으므로 분리막의 오염은 필연적이다. 따라서 분리막은 사용 중 일정한 시간마다 세정을 해야 한다. 이때 물리적 세정과 화학적 세정을 하게 된다. 따라서 단기적으로는 내오염성이 향상된 분리막의 제조기술과 내화학성과 기계적 강도가 향상된 분리막 제조기술이 포함된다. 나노 소재를 포함한 나노기술을 활용하는 것이 좋은 방안이 될 수 있다.

장기적으로는 획기적인 아이디어를 필요로 하는 기술 개발이 필요하다. 에너지와 관련된 기술로 CNT를 이용한 RO 복합막 제조기술, 아쿠아포린을 이용한 RO 복합막 제조기술, PTFE를 이용한 Membrane Distillation 분리막 제조기술, Monodisperse한 기공크기를 지닌 다공성 분리막 제조기술 등이 이 범위에 포함된다.

■ 국내 산업에 나아갈 방향

◇ 신개념 분리막 기술 개발을 위한 융합연구 추진

수처리용 분리막은 물 산업을 견인할 수 있는 핵심 기술이므로 기존 분리막 기술의 틀을 깰 수 있는 새로운 개념의 분리막 기술이 필요하다. 이를 위해서는 소재 전문가와 분리막 제조를 위한 프로세스 전문가, 분리막 사용을 위한 공정 전문가의 만남이 필요하다.

◇ 산·학·연의 역할 분담 및 유기적 협력 체계 구축

차세대 분리막 기술의 개발은 다양한 분야의 전문가를 필요로 할 뿐만 아니라 국가차원에서의 기관별 역할 분담이 중요하다. 현재는 대부분의 R&D 사업과 같이 분리막 분야의 연구사업에서도 학교, 연구소, 기업 간에 차이가 별반 없는 실정이다. 따라서 산학연 공동연구를 통한 시너지를 낼 수 있는 부분이 작기 때문에 지나친 경쟁만 유발할 뿐 국가차원의 연구개발 추진력이 약한 상태이다. 이를 하루빨리 해결해야만 산·학·연이 유기적으로 협력해 우수한 신개념의 분리막 기술을 개발할 수 있을 것으로 사료된다.