Update2024.05.17 (금)
환경규제 강화 속 부상하는 대기정화용 나노소재
■ 기술의 개요
◇ 기술의 정의
대기정화용 나노소재 기술은 대기오염 물질을 효율적으로 제거하기 하기 위해 필요한 나노 소재를 제조 및 응용하는 기술로 정의할 수 있다. 여기서 대기정화라는 의미는 이미 오염된 대기의 정화뿐만 아니라 대기 오염원의 발생을 차단할 수 있는 기술도 포함된다. 대표적인 대기정화용 나노소재로 자동차/선박/발전소/소각시설 등에서 발생하는 배기가스의 정화를 위한 나노촉매 및 실내 공기정화를 위한 광촉매 등을 예로 들 수 있다.
대표적인 대기정화용 나노소재인 촉매는 자신은 변하지 않고 반응을 촉진시키는 물질로 유해 대기물질이 무해한 상태로 전환되기 위한 활성화 에너지를 낮추는 역할을 해 보다 쉽게 반응을 일으키도록 한다. 촉매는 크게 촉매활성을 나타내는 나노크기의 활성물질(active materials)과 촉매활성을 향상시키거나 촉매의 수명을 연장시키는 조촉매, 이러한 촉매활성물질과 조촉매를 지지해주고 높은 표면적을 제공해 반응면적을 높이는 역할을 하는 분말 형태의 지지체(support)로 구성되며 필요에 따라 지지체 분말과 촉매물질이 담지되는 담체(substrate)로 구성될 수 있다.
◇ 기술의 분류
대기정화, 즉 대기오염물질 저감 및 제거기술은 대기유해가스의 정화 및 저감, 미세한 입자상 물질 배출저감, 실내오염물질 정화 등으로 구분할 수 있다. 이중 나노소재가 주요한 처리 기능을 담당하는 주요 분야로 유해배기물질(일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 입자상물질(PM) 등) 및 실내오염물질 정화기술을 들 수 있다. 특히 기술적·산업적·경제적 중요성이 큰 분야는 산업 및 운송용 장치로부터 발생하는 배기가스를 처리하는 배기가스 후처리 장치이며, 배기가스 정화를 위한 핵심기술은 촉매를 포함하는 나노소재이다. 따라서 본 고는 대기정화용 특히 엔진·터빈 등으로부터 발생하는 유해배기가스 정화용 나노소재기술을 중심으로 기술한다.
■ 환경변화
◇ 전 세계적 대기오염 규제 강화
일본·유럽·미국 등 주요 자동차 선진국들은 각각 JPN 2009, EURO-5/6, TIERⅡ의 강화된 배기가스 환경규제를 단계적으로 시행하고 있다. 이에 대응하기 위한 연구개발에 총력을 기울이고 있고 EURO-6 규제가 적용될 2014년경부터는 소형 승용디젤자동차까지 확대될 예정이다.
육상용 운송수단뿐만 아니라 해상 운송수단에 대해서도 지구환경을 보호하기 위해 국제해사기구(IMO : International Maritime Organization)의 해양환경보호위원회(MEPC: Maritime Environment Protection Committee)에서는 선박으로부터 배출되는 NOx 규제를 점점 더 강화하고 있다. Tier II 수준(2011. 01~2015. 12)까지는 엔진자체기술로 NOx 규제치를 만족할 수 있지만, Tier I 수준의 약 80%를 감축해야 하는 Tier III NOx 규제는 엔진자체기술로는 만족할 수 없으므로 NOx 저감용 나노촉매 기술개발이 필수적이다.
한편 21세기 들어 경제적으로 급속도로 부상 중인 중국 및 인도 등 신흥 개발국의 급속한 산업발전에 따른 대기환경오염문제가 부각되고 있다. 중국의 경우 가장 저급의 화석 연료이며 산성비·수질오염·기후 변화의 주요 원인이 되는 석탄의 소비량은 2006년 이후로 5년간 10억톤 가량 증가했고 향후 5년간 수십억 톤이 더 증가할 것이다. 美·日·EU, TIERⅡ·JPN 2009·EURO-5/6 등 강화된 환경규제 실행
◇ 에너지 및 지구온난화 문제 심화(기후변화 대응 문제)
온난화 현상으로 지구 곳곳에 기상이변이 속출하고 공기오염과 산성비로 인한 환경파괴가 날로 심각해지면서 환경 친화적인 청정에너지원의 개발은 전 세계적인 이슈가 되고 있다. 범세계적으로 추진되고 있는 이러한 환경오염에 대한 규제 움직임은 궁극적으로는 탄소세 도입 등 경제규약으로 발전할 것으로 예상되는바 이를 대비한 청정에너지원의 개발은 필수적이다. 이에 우리나라를 비롯한 세계 각국은 배출권 거래제의 시행을 앞두고 화석연료의 사용을 줄이면서 고유가와 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 대체에너지 개발에 총력을 기울이고 있다.
향후 자동차 시장의 변화를 주도할 것으로 예상되는 변수는 환경규제강화와 에너지고갈 문제이다. 2014년 발효 예정인 EURO-6 및 그 이후 규제를 만족시키기 위한 클린디젤자동차의 기술경쟁력은 배기성능뿐만 아니라, 궁극적으로는 가격 경쟁력 그리고 고효율화를 통한 CO2 배출저감을 통해 확보될 수 있다. 특히, 최근 한-미 FTA 또는 한-EU FTA 등의 체결 및 발효로 인한 시장 개방과 수출기회의 확대로 그 경쟁은 더욱 치열할 것으로 전망된다. 터보차저의 압축률 증대 등을 통한 자동차 연비향상 방식은 연료 사용량 감소와 엔진 연소실 및 배기가스 온도가 크게 떨어진다. 이에 배기가스 정화를 위한 고성능 나노촉매의 개발도 함께 요구되고 있다.
◇ 환경산업의 중요성 증대
21세기 들어 환경문제는 선진국뿐 아니라 개도국에 이르기까지 전 세계 모든 나라에 있어서 대단히 중요한 사회적 관심사가 되고 있다. 이에 따라 환경산업은 정보통신·바이오 산업과 더불어 21세기에 가장 각광 받는 유망산업으로 기대를 받고 있다. 1960년대 형성되기 시작한 환경산업은 초기에는 환경오염 유발물질을 처리하기 위한 ‘사후처리산업’으로 정의됐다. 1990년대 이후에는 환경오염 사전예방·저감 및 오염된 환경을 복원하기 위한 재화나 서비스를 제공하거나 효율적 자원 이용을 위한 제품·기술 등을 제공하는 산업으로 범위가 대폭 확대됐다. 최근에는 환경친화제품 생산, 기후변화 대응과 관련한 신·재생 에너지 개발, IT·BT·ET 융합산업 등으로 점차 다양화되고 있다.
선진국들이 환경위기 극복이라는 명목하에 환경규제를 강화해 개도국을 견제하고 자국산업을 보호하기 위한 무역장벽으로 활용함에 따라, 수출주도형 산업구조를 지닌 우리나라는 이에 적절한 대응을 하지 못할 경우 경제에 심각한 타격이 예상된다. 환경산업은 단기적으로는 우리 산업의 환경성을 제고하고 대외 경쟁력을 강화할 수 있는 수단으로 작용하며 장기적으로는 환경산업을 통한 새로운 부의 창출이라는 신 성장동력으로서의 의미를 가진다. 따라서 환경산업을 새로운 성장동력으로 집중 육성해 경제성장 및 고용창출을 위한 도약의 기회로 활용해야 한다.
■ 기술의 중요성
◇ 환경규제 강화에 따른 배기가스 후처리 시장 급속도로 확대
21세기에 들어 환경문제에 대한 선진국뿐만 아니라 개도국에 이르기까지 전 세계적인 관심이 지속적으로 확대되고 있는 가운데 육상·해상용 운송수단 및 석탄화력과 같은 정치형(stationary) 발전시설로부터 발생하는 배기가스 후처리 시장이 급속도록 확대되고 있다. 세계 대기오염 관련 시장은 연평균증가율(CAGR)이 매우 높은 산업으로 2006년 59조3,000억원에서 2012년에는 138조원, 2020년에는 319조원으로 전망된다.
특히 2016년부터 발효되는 선박배기가스 배출에 대한 IMO의 Tier-3 규제에 따라 선박용 유해 배기가스 저감 시스템 시장은 2016년 7조4,000억원, 2020년 9조원으로 급격히 확대될 것으로 예상된다.
산업체에서 배출되는 배기가스 특성에 적합한 고효율 저에너지 나노소재 기반 융합형 시스템 기술은 환경, 에너지 및 경제적 측면에서 고부가가치 창출뿐만 아니라 오염물질의 총량배출의 저감을 가져올 것이다. 이처럼 환경가치 증대와 함께 성장하는 환경산업을 국가 전략적 산업으로 육성 발전시키기 위해서 환경기술역량 증대가 절실하다. 또한 환경산업기술은 급성장하고 있는 중국 및 동남아 등의 거대시장에 진출할 수 있다.
◇ 무공해 사회를 향한 고성능 나노융합소재기술 필요
배출규제에 능동적으로 대응하기 위해 환경·에너지·경제적 측면에서 전처리 기술을 포함한 최적 후처리 기술의 조합이 필수적이다. 또한 에너지 효율 강화를 위한 폐열 회수 부분에서의 신기술 개발이 절실하다. 특히 나노촉매와 같은 나노융합기술의 에너지·환경 분야 적용을 통해, 미래에는 공해가 없는 청정에너지를 사용한 완전한 에너지 자립, 오염된 자연환경의 복원에 의한 쾌적화가 가능할 것으로 예상된다.
또한 세계적인 탄소규제와 환경보호 노력으로 에너지 사용의 효율향상, 에너지 생산·변환·저장의 획기적인 성능개선, 무공해 에너지의 생산, 환경 검지·개선·정화 등을 위해 나노기술을 활용하는 추세가 확산돼 기술개발이 가속화될 것으로 전망된다.
◇ 고가의 백금계 촉매를 저감/대체할 고성능 나노소재 개발 필요
21세기 들어 환경오염의 주범이 되고 있는 배기가스 저감 및 연료전지 자동차의 상용화를 위해 필수적인 소재가 백금족원소이다. 백금족원소는 공급량이 매우 제한적이어서 심각한 부족 현상 및 가격 급등이 예상되며, 고갈의 우려까지도 제기되고 있다. 오랫동안 환경·에너지 분야를 지배해 온 귀금속 기반 촉매기술은 거의 포화수준에 이르러 촉매소재 개발에 대한 패러다임의 변화가 요구되고 있다. 기존 외국 기술에 전적으로 의존하고 있는 촉매소재의 국내기술 기반 강화가 절실히 요구된다.
유해배기가스정화·연료전지·태양전지·바이오센서·화학센서 등 환경·에너지 분야에서 기존의 백금족원소를 대체할 수 있는 촉매물질 개발은 전 지구적 관심사이다. 21세기 들어 해외 선진연구집단에서는 유해배기가스 저감용 비귀금속계 나노활성 소재에 대한 기초연구가 꾸준히 수행되고 왔고 2010년 들어 실용화 가능성이 높은 연구결과가 나오기 시작하고 있다. 향후 막대한 기술적 산업적 파급효과가 큰 미래형 비백금계 배기가스저감용 나노소재의 개발 및 적용을 위한 원천 기술 확보 경쟁이 심해질 전망이다.
韓, 환경규제 대응 역량 미약…나노촉매소재 선진국 기술 의존
■ 기술분야별 동향
산업고도화 추세에 따른 에너지 사용량의 증가와 문명이기의 부산물로서 환경오염 문제가 심각하게 대두되고 있으며, 이를 방지하기 위한 다양한 기술들이 개발 적용되고 있다. 이 중 촉매기술을 이용하는 방법과 분리·정제 기술을 활용하는 방법이 사용되고 있다. 특히 대기 오염물질 정화 분야에서 나노촉매기술은 매우 큰 비중을 차지하고 있다.
◇ 자동차 배기가스 정화용 나노소재기술
○ 가솔린자동차용 삼원촉매(TWC : Three Way Catalyst)기술
가솔린 자동차의 배기장치 내에는 촉매정화장치가 설치돼 있으며, 이를 통해 배기가스 중 유해물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등이 이산화탄소, 물, 질소 등으로 산화 또는 환원되게 된다. 여기서, 일산화탄소와 탄화수소는 산소와 반응해 산화되고, 질소산화물은 산소가 제거돼 질소로 환원된다. 이와 같이, 배기가스 중의 유해한 세 가지 성분을 동시에 제거하는 촉매를 삼원촉매(3-Way촉매)라고 칭하며, 활성촉매로 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등 고가의 백금족 원소가 사용된다.
가솔린 자동차에는 이러한 삼원촉매가 세라믹이나 금속 담체 내에 코팅돼 있는 촉매변환기(catalytic converter)가 설치돼 있는데 나노크기의 촉매는 높은 비표면적을 갖는 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2) 등의 나노입자 표면에 부착되고 이 입자들로 구성된 분말은 세라믹이나 금속담체 내의 채널 내벽에 코팅(washcoat)돼 있다.
○ 디젤산화촉매(DOC : Diesel Oxidation Catalyst) 기술
디젤산화촉매기술은 가솔린엔진에서 삼원촉매가 개발되기 이전에 사용되던 산화촉매(이원촉매) 기술과 기본적으로 동일한 기술이기 때문에 효과나 성능은 이미 입증돼 있는 기술이다. DOC는 배기가스 중 HC와 CO를 80% 이상 감소시키고 PM(Particulate Matters, 입자상물질 또는 매연)의 용해성유기물질인 SOF(Soluble Organic Fraction) 성분도 50-80%를 제거한다. 그러나 전체 PM 중 SOF 비율이 적어 전체 PM의 20-40% 정도를 저감시킨다. DOC는 또한 디젤악취(diesel odor)와 흑연(black smoke)도 감소시키며 나노촉매로는 백금(platinum; Pt)이나 팔라듐(palladium; Pd)을 사용한다. 배기가스 온도가 300℃ 이상의 고온이 되면 배출가스 중의 산소와 반응해 SO2가 SO3와 H2SO4를 생성하는 산화반응을 일으킨다. 이는 특히 인체에 유해하기 때문에 문제시된다. 이를 방지하기 위한 가장 중요한 조치로는 연료에 유황 함유율 0.05%(중량) 이하의 저유황화가 선행돼야 하며 향후 0.01% 까지 요구할 것으로 예상되고 있다.
○ 매연여과장치(DPF : Diesel Particulate Filter Trap) 기술
매연여과장치에서 가장 핵심이 되는 PM의 재생기술은 나노촉매나 나노첨가제를 사용해 PM의 연소온도를 낮추어 배출가스 온도에서 연속적으로 태우는 자연재생(passive) 방식 장치가 가장 유망한 것으로 보인다. 배출가스 온도가 상대적으로 높은 중량차(heavy-duty vehicle)의 경우 미국과 유럽 등지에서는 DPF 장치가 이미 상당량 장착돼 운행되고 있으며, 소형 경유승용차에도 첨가제 방식 장치가 부착돼 판매가 시작됐다.
나노촉매 방식 DPF 장치로는 Johnson Matthey사의 CRT와 BASF사의 DPX 장치가 가장 앞서 있는 기술로 평가되고 있다. 소형 승용차용으로는 프랑스 푸조 자동차사의 FAP 시스템이 2000년부터 차량에 적용되고 있으며 그 동안의 평가는 매우 긍정적이다. CRT의 캐니스터 내부에는 필터가 2개 설치돼 있으며, 전단의 백금산화촉매(platinum-based oxidation catalyst)에서는 산화반응으로 NO를 NO2로 변환시키며, CO와 HC도 저감시킨다. NO2는 탄소입자가 250℃에서 산화할 수 있도록 작용하며 따라서 후단에 설치된 필터(wall flow particulate filter)에 포집된 PM은 배기가스 온도가 250℃ 이상이면 연속 재생된다.
○ 선택적촉매환원(SCR : Selective Catalytic Reduction) 기술
경유자동차 등 디젤엔진에서 배출되는 NOx 성분을 저감시키기 위한 SCR 기술이 광범위하게 연구개발되고 있다. SCR 기술은 나노촉매의 도움을 받아 인체에 유해한 산화질소인 NOx(NO와 NO2가 대부분임)를 무해한 질소와 물로 전환하는 촉매기술로 NOx를 환원시키기 위해 환원제로 암모니아(NH3)나 요소수(urea)를 사용하는데 이 환원제들은 촉매 앞 단에서 분사돼 배기가스와 함께 SCR 촉매로 들어가게 된다. 요소수를 사용하는 경우는 반응생성물로 CO2가 생기게 된다. 통상적으로는 암모니아의 유독성 때문에 환원제로 urea를 사용한다. 통상 NOx 저감율은 80~90% 이상으로 아주 우수하나 자동차에 적용하기 위해 장치의 compact화 및 고성능 나노촉매기술 개발이 지속적으로 요구된다.
대표적인 SCR 촉매로는 백금(platinum, Pt), 바나디아(vanadium oxide, V2O5), 제올라이트(zeolite)계 촉매를 들 수 있다. 각 촉매는 서로 다른 활성 온도 대역(operating temperature window)을 가지고 있으므로 사용하고자 하는 목적에 맞는 시스템을 알맞게 선정해야 하는데 경유자동차의 경우는 대부분 제올라이트계 촉매를 사용한다.
○ LNC (Lean NOx catalyst) 기술
NOx 환원제로 NH3 대신 탄화수소를 사용해 선택적으로 NOx를 저감하는 촉매로 Lean NOx 촉매 또는 DeNOx 촉매로 불리며, 환원제인 HC는 NOx와 선택적으로 반응해 N2·CO2·H2O을 생성한다. Lean NOx 촉매로 Cu-exchanged zeolite (Cu-ZSM5)와 Pt/Al2O3의 두 종류의 촉매가 가장 연구가 많이 돼왔다. 디젤엔진의 배출가스 온도는 대부분 250-350℃의 낮은 범위에 있는데 LNC는 이 온도구간에서 NOx 전환성능이 낮아 실용화에 어려움을 갖고 있다.
◇ 선박 배기가스 정화용 나노소재 기술
선박배기가스 배출에 대한 IMO의 Tier-3 NOx 규제가 2016년 1월 시행됨에 따라 NOx 저감을 위한 NH3-SCR 나노촉매 기술개발이 진행되고 있다.
1960년대 이후로 백금과 같은 귀금속계 촉매가 아닌 금속산화물계 촉매에 대한 연구가 활발하게 진행됐다. 이중 WO3와 MoO3가 첨가된 V2O5/TiO2 촉매가 가장 효과적인 SCR 성능을 나타내어 대략 1980년도부터 지금까지 주된 SCR 촉매로 적용되고 있다. V2O5가 주촉매인 바나디아계 촉매는 백금계 촉매에 비해 촉매활성은 떨어지지만 작동 온도구간이 더 넓고 값이 싸다는 장점이 있어 현재까지 정치용 SCR 촉매로 많이 사용되고 있다.
전형적인 바나디아계 촉매는 수 중량%의 V2O5·WO3·MoO3 등이 TiO2 분말과 혼합된 형태로 존재한다. 이 촉매의 대부분(80중량% 이상)은 고표면적의 anatase 구조를 갖는 TiO2 분말이 차지한다. 통상적으로 촉매 지지체(catalyst support)로 사용되는 알루미나(Al2O3) 분말에 비해 TiO2는 바나디아 활성 촉매를 안정화시키는데 더 유리하고 배기가스에 SO2가 포함돼 있는 경우에 bulk sulfate를 생성시키지 않아 SO2에 의한 촉매 열화가 알루미나 분말에 비해 낮다는 장점이 있다.
최근에는 마이크로(micro)와 메조(meso) 크기의 기공들이 존재하는 PILC (pillared interlayerd clay)계 aluminosilicate에 TiO2가 삽입돼 있는 나노촉매가 개발됐는데 고비표면적, 높은 산성 자리 밀도, 높은 산성 강도(acidie strength), 우수한 열적 안정성 및 이온교환 능력 등의 장점을 지니고 있다. 더욱이 V2O5/Ti-PILC 촉매의 특성이 상용 V2O5-WO3/TiO2 촉매에 비해 300℃ 이하의 온도에서 더 우수하다는 보고가 있다. 하지만 이 촉매는 아직 상업적으로 널리 사용되고 있지는 않다.
상용 V2O5/TiO2 SCR 촉매가 성능이 좋고 안정적인 장점이 있음에도 불구하고 실제로 사용하는데 있어서 여러 가지 단점이 있다. 특정 국가에서는 바나듐과 그 화합물의 경우 유해 물질로 규정돼 있거나 향후 규제를 고려하고 있어 그 적용 사례가 감소하는 추세에 있다. 이러한 바나디아계 촉매의 문제점들로 인해 최근에는 바나듐이 없으면서도 NO 전환성능이 높고 SO2 산화 능력이 낮은 저온촉매의 개발이 요구되고 있다. 이를 통해 PM 제거 장치 및 SO2 scrubber 후단에 SCR 반응기 설치가 가능해질 수 있게 된다.
◇ 실내오염물질 정화용 나노소재 기술
실내공기질에 대한 규정 또는 규제는 실내에서 발생하는 각종 오염에 대한 인체의 영향이 과학적으로 점차 규명되면서 선진국을 중심으로 지속적으로 진행되고 있다. 1970년 초 실내공기질의 중요성이 구미 각 국에서 대두되기 시작하면서 실내공기오염의 측정평가, 측정기구 개발 등 실내공기오염에 대한 수많은 연구가 진행 중이다. 특히, 선진국을 중심으로 각 실내오염물질에 대한 기준치 설정 및 관리 기술개발에 심혈을 기울이고 있다.
■ 기술개발 주요이슈
◇ 저온작동 고성능 나노촉매소재 필요
배기가스에 대한 지속적인 규제 심화와 함께 자동차 및 선박 등의 운송수단에 대한 연비향상 및 CO2 배출저감에 대한 요구 및 규제가 가속화 되고 있다. 이에 따라 터버차저(turbocharger) 사용 확대 및 압축율 증대 등을 통한 운송수단의 연비 향상기술 개발이 진행되고 있지만 그에 따라 엔진 연소실 온도 및 배기가스 온도가 크게 떨어지게 된다. 촉매의 유해가스 저감 성능은 온도에 크게 의존해 배기가스 온도가 떨어짐에 따라 유해배기가스 저감 성능도 떨어지게 된다. 이에 따라 저온에서 기존과 유사한 성능을 나타낼 수 있는 고성능 나노촉매소재 개발이 요구되고 있다.
특히 선박의 경우 선박 추진용 2행정(2-stroke) 디젤엔진의 경우 엔진 회전수가 낮기 때문에 배기가스의 온도가 매우 낮고, 엔진배출온도가 2행정 엔진보다 높은 보기용 4행정 기관의 경우도 엔진의 출력에 영향을 주지 않기 위해 과급기(turbocharger) 후단에 SCR 촉매를 설치할 경우 NOx 전환효율이 급격히 저하되므로 NOx 저감을 위한 저온 작동 고성능 SCR 나노촉매소재의 개발이 요구되고 있다. 이와 같이 고효율 및 저오염물질 배출을 위한 연소기술의 발달로 인해 배기가스 온도가 낮아짐에 따라 기존 촉매소재로는 한계에 다다르고 있다.
◇ 귀금속 촉매 대체용 나노소재
오랫동안 유해배기가스정화·석유화학·연료전지 등 환경·에너지 분야에서 백금족원소는 고가의 가격에도 불구하고 나노촉매로서 성능을 결정짓는 핵심요소 역할을 해왔다. 하지만 21세기 들어 환경오염의 주범이 되고 있는 배기가스에 대한 규제가 전 세계적으로 강화되고 있고 연료전지 자동차에 대한 수요 증가도 예상돼 백금족원소의 사용량이 급격히 증가될 것으로 예상되므로 이의 대체물질에 대한 기술개발요구가 점차 확산되고 있다. 백금족원소는 매장량에 한계가 있어 수급이 어렵고 가격이 높아 향후 수요에 대처하기가 쉽지 않을 것으로 예상된다.
이에 따라 최근 일본에서 2007년부터 출범한 원소전략 프로젝트 및 희소금속 대체재료 개발 프로젝트와 같이 선진국을 중심으로 귀금속 촉매의 사용량 저감 기술 및 대체 소재에 대한 투자를 확대하고 있다.
■ 해외 동향-미국
◇ 연구개발 현황
해외에서는 가속화 되고 있는 배기규제 강화에 능동적으로 대응을 하기 위해 다양한 협동연구가 진행 중이다. 미국은 DOE(Department of Energy) 주도로 다양한 친환경 및 에너지 관련 과제들이 진행되고 있으며 연구소·대학·기업이 연계된 원천 및 응용기술 분야에 대한 집중적인 연구가 이뤄지고 있다. 대표적인 연구 기관 및 회사로 미국 BASF (구 Engelhard), ORNL(Oak Ridge National Lab), PNNL(Pacific Northwest National Laboratory) 등을 들 수 있다.
■ 해외 동향-일본
◇ 연구개발 현황
일본의 경우 산업기술종합연구소(AIST), 일본자동차연구소(JARI), 교통안전환경연구소(NTSEL) 등이 주도해 디젤엔진의 초고효율·초저공해 실현을 위한 협동연구와 저탄소 연료를 이용한 엔진과 차량에 대한 연구를 진행하고 있다.
최근 문부과학성과 경제산업성을 중심으로 초고가의 희소금속소재인 백금족 촉매소재의 저감 또는 대체를 위한 대규모 국가과제가 시작됐다. 21세기 들어 환경규제 및 에너지고갈에 대한 전 지구적 관심이 고조됨에 따라 대표적 나노활성촉매소재인 백금족 소재의 부족 또는 고갈의 우려가 높아지고 있어 백금족소재의 저감 또는 대체물질의 개발이 전 세계적으로 시작되고 있다. 대표적인 일본의 원소전략/희소금속 대체 소재 개발 연구과제는 다음과 같다.
고분산 귀금속 최소화 촉매의 물질설계 및 프로세싱
귀금속-free 나노하이브리드 촉매 개발
귀금속 대체 분자촉매를 이용한 혁신적 에너지변환 시스템 개발
디젤 배기가스 정화촉매의 백금족 사용량 저감화 기술 개발
최근 선박배기가스 저감규제가 강화됨에 따라 ‘Super Clean Marine Diesel Project’라는 이름으로 정부 지원 하에 다수의 회사와 연구기관이 컨소시움을 구성해 NOx 저감 80%를 목표로 하는 해상디젤엔진 유해배출가스 저감시스템을 개발하고 있다.
■ 해외 동향-유럽 세계 대기오염 관련 시장 2014년 168조원, 2020년 319조원 전망
◇ 연구개발 현황
유럽의 경우 2003년 이후 유럽연합 내 자동차제조사, 부품생산업체, 연료생산업체, 연구기관 등으로 구성된 ERTRAC(European Road Transport Research Advisory Council)를 통해 공동연구를 진행하고 있다.
유럽은 전통적으로 디젤자동차의 점유율이 매우 높은 지역으로 그 비율은 점차 증가할 것으로 판단돼 유럽 자동차 업체들의 디젤자동차 분야 기술이 앞서 가고 있는 상황이며, 그에 따라 디젤자동차에서 발생하는 유해배기가스 정화기술도 미래 규제에 대응하기 위해 활발하게 진행되고 있다.
대기정화를 위한 나노촉매 관련 산업계 선도 연구개발 회사들로 독일 BASF, 독일 Südchemie, 영국 Johnson Matthey, 벨기에 Umicore (독일 소재) 등을 들 수 있고 금속담체 및 이의 배기가스정화용 촉매 적용기술 개발 회사로 독일의 Emitec을 들 수 있다.
장기적 관점 신촉매 기술개발 必, 소재·코팅·시스템화·평가 융합 要
■ 국내 동향
◇ 연구개발 현황
미국, EU, 일본 등 서구 선진기술 국가들에 비춰볼 때 우리나라의 대기환경기술개발에 대한 정책적 지원의 역사는 그리 오래되지 않았다. 1980년대까지는 정부의 연구개발 지원이 매우 빈약했을 뿐만 아니라 연구개발 내용도 기술개발보다는 단순한 현황조사, 제도개선 등에 그쳤다. 하지만 1990년대로 들어서면서 정부의 지원이 확대되기 시작했는데 그 예로 1992년 시작된 최초의 본격적인 환경부문 대형 국가연구개발사업이라고 할 수 있는 G-7 환경공학기술개발사업(이하 G-7사업)을 들 수 있다. 이 사업을 통해 고효율 집진기술, 배연탈황기술 등이 선진국대비 80∼90% 수준으로 향상됐고, 총 560억원(’92∼’99)을 투자해 개발한 200MW급 배연탈황기술은 국내 발전소 6기에 장착해 성공적으로 사용돼, 외국기술 도입에 따른 외화유출도 방지할 수 있었다.
대부분의 국내 자동차 유해배기가스 저감 촉매 업체들은 외국 기업과의 합작회사로 자동차의 배기 배출물 저감 및 연비성능 향상을 위한 연구를 진행하고 있으나 부가가치가 높은 핵심기술 분야의 경우 해외 선진업체 기술에 많이 의존하고 있는 상황이다.
대표적인 자동차 배기가스 정화촉매기술 관련 정부연구사업으로 ‘무·저공해 자동차 사업단’의 Eco-STAR(Eco-Science Technology Advancement Research) Project(2004∼2011년) 및 그 후속 사업인 친환경자동차기술개발사업단(2011∼2020년) 사업을 들 수 있다.
■ 기술경쟁력분석
현재 국내에서 상용화된 대기정화용 나노촉매소재는 대부분 외국 기술에 의존하고 있는데 특히 엔진 배기가스 정화용 촉매기술은 외국 선진사와의 국내합작법인에 의해 제공되고 있다. 특히 활성촉매의 지지체로 사용되는 Al2O3, CeO2 등의 나노분말은 국내 제조가 취약해 대부분 수입에 의존하고 있다.
■ 산업동향
대기환경 개선을 통한 국민 삶의 질 향상을 위해서는 이에 필요한 각종 환경기준을 강화함은 물론 이를 뒷받침할 환경기술의 개발이 필수적으로 요구되고 있다. 이와 함께 21세기 국제 무역환경규제가 강화되면서 환경기술은 국내 제품의 환경요건과 그 제품의 국제경쟁력, 나아가 국가경쟁력을 좌우하는 핵심요소로 그 중요성이 대두되고 있다. 이에 따라 미국·영국·독일·일본 등 선진 각국은 수년전부터 환경기술을 21세기 국가경쟁력과 직결되는 유망 산업으로 지목해 집중 지원하고 있으며, 자국의 앞선 환경규제를 경쟁국의 추격을 따돌릴 수 있는 수단으로 활용하고 있다.
■ 시장규모 및 전망
세계 대기오염 관련 시장규모는 2014년에는 168조원, 2020년에는 319조원으로 예측된다. 환경촉매 세계 시장은 연평균성장률이 약 6%로 2015년 17조원, 2020년에는 22조원으로 예측된다.
특히 글로벌 선박 배기가스 규제 강화에 따른 나노촉매-담체 부품/모듈의 수요 확대 및 급속한 시장성장이 기대되는 가운데(2016년 IMO Tier III 규제 발효 및 이후 지속적 규제 강화 예상) 선박용 유해 배기가스 저감 시스템 시장의 규모는 2016년 7.4조원, 2020년 9.0조원(세계시장규모: 95GW(2-stroke) 기준 (MAN Diesel Course Busan 2008))으로 예상된다. 이러한 신규 블루오션 시장의 선점을 위해 세계 1위의 국내 선박엔진 제조 기반을 토대로 거대 고부가가치 시장인 선박용 배기가스정화 촉매소재 및 관련 부품/모듈의 개발이 조속히 이뤄져야 할 것이다.
■ 미래의 연구방향
◇ 저온작동 고성능 배기가스 정화용 나노촉매소재
○ 미래형 가솔린/디젤 자동차용 배기가스 후처리 나노촉매 기술
○ 선박 배출 유해배기가스 저감용 저온 작동 고성능 나노촉매 기술
○ Zero-emission용 고성능 촉매 기술
◇ 귀금속 촉매 저감/대체용 나노소재
○ 배기가스 정화촉매의 백금족 원소 사용량 저감화 기술
○ 귀금속-free 나노하이브리드 촉매소재 기술
○ 고분산 귀금속 최소화 촉매의 물질설계 및 프로세싱 기술
◇ CO2 저장/전환용 나노소재
○ CO2 흡장용 나노소재 기술
○ CO2 자원화용 나노소재 기술
◇ 가시광선 응답형 광촉매
○ 가시광선 하에서 작동하는 고성능 광촉매 기술
■ 국내 산업이 나아갈 방향
◇ 새로운 촉매소재 개발을 위한 장기적 연구 프로그램 필요
앞으로 인류가 해결해야 할 가장 중요한 과제는 에너지와 환경 문제이다. 에너지 시스템으로부터 야기되는 대기오염 등의 환경문제를 방지 또는 처리하기 위해서는 촉매를 기초로 한 나노소재기술이 요구된다. 향후 기존 촉매성능의 한계 극복 및 백금족원소 등의 자원고갈에 대비할 수 있는 새로운 촉매소재의 개발을 위한 국가적 차원의 근본적이고 장기적인 지원이 요구된다.
지난 수십년 간 지배해 온 백금족원소 기반 촉매기술은 거의 포화수준에 이르러 촉매소재 개발에 대한 패러다임의 변화가 전 세계적으로 요구되고 있는 상황이다. 새롭고 근본적이며 기초적인 물질 해석·설계 및 제조·응용 기술의 확보를 통해 기존 외국 기술에 크게 의존하고 있는 촉매물질의 국내 연구역량을 강화해 나가야 한다.
◇ 기초-응용 연구의 유기적 협력 시스템 필요
대기정화용 나노소재 시장은 큰 시장규모에 비해 기술의 혁신속도가 느려 미래 새로운 촉매소재의 요구에 대응하기 위해서는 장기적 접근이 필요하다. 이를 위해 새로운 나노소재의 설계·해석·전산모사·합성 등의 기초 원천기술 분야뿐만 아니라, 이를 바탕으로 미래 산업화 적용을 하기 위한 소재 제조·코팅·시스템화 및 평가기술 분야의 기능적 융합이 연계돼야 실용화 기반 미래 나노활성소재 원천기술 확보가 가능하게 된다.
