▲ 다기능성 고분자멤브레인 소재 기술 흐름.

기후변화와 그 대책에 대한 전 지구적 관심이 날로 높아지는 가운데 수처리, 기체분리, 수소연료전지, 에너지절감 기술과 관련 산업이 미래 ‘그린에너지’를 선도할 것으로 기대를 모으고 있다.

특히 이들 분야는 공통적으로 ‘물질의 분리’가 핵심기술이어서 다양한 기능성의 분리특성을 가진 고분자를 응용한 ‘다기능성 고분자 멤브레인’ 소재가 세계시장을 타깃으로 하는 미래 원천소재로 더욱 각광 받고 있다.

정부는 차세대 수처리 기술로 부상하고 있는 멤브레인 여과 수처리 기술의 핵심 소재인 고분자 멤브레인과 지지체 소재 기술을 WPM으로 지정, 이를 확보함으로써 해외 선진 기업이 장악하고 있는 고분자 멤브레인 소재의 수입을 대체하는 것은 물론, 기존 소재와의 차별화를 통해 시장 주도권을 확보하기 위한 핵심 요소 기술을 개발한다는 전략이다.

구체적으로 고강도 친수성 고분자 소재, 이를 이용한 고분자 멤브레인 제조 기술 개발 및 고기능성 나노웹 박막 지지체 개발을 통해 기존 수처리용 멤브레인 소재 대비 우수한 투과성능과 높은 에너지 효율, 내오염성을 통해 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 정부는 보고 있다.

또한 선진국에서 주도하고 있는 세계시장에서 경쟁력을 갖추기 위해서는 국내 원천기술을 바탕으로 세계시장에서 우위를 점할 수 있는 수처리용 고분자 멤브레인 소재, 연료전지용 멤브레인 소재, 기체분리용 멤브레인 소재의 개발이 시급하다는 판단이다.

정부는 이를 위해 정부, 민간, 학계의 공동연구와 개발로 원천기술 확보에 나설 방침이다.


▲원천소재 기술, 산업 파급효과 커

다기능성 고분자 멤브레인 소재는 전 세계적으로 현재 100억달러, 한화 11조원 규모의 시장이 형성돼 있으며, 연 15% 가량의 성장률을 보이고 있어 오는 2018년이면 20조원 수준으로의 성장이 예상되며 멤브레인 기반 부품의 규모는 전 세계적으로 약 1,000억달러, 한화 100조원대 규모로 성장할 것으로 전망되고 있다.

현재 세계적인 선도기업들도 해결하지 못하는 한계특성들을 돌파할 수 있는 신규소재 개발에 성공할 경우 2008년 기준 세계 시장의 3%, 2,000억원 규모에 그치고 있는 국내 멤브레인 산업을 2018년 세계 시장 점유율 30%, 1조원대 규모로 육성할 수 있다는 것이 정부의 예상이다.

국내에서 한국과학기술연구원(KIST), 화학연구원(KRICT) 등이 원천기술을 보유하고 있고, 국내 소재기업들이 개발에 적극적으로 참여할 예정이며, 국내 수요기업은 수자원공사, 두산중공업, 현대기아자동차, 삼성전자 등이다.

소재의 원천성을 가지고 급성장하는 수처리, 에너지산업에의 적용으로 시장성이 높으며, 기타산업으로의 파급효과가 크다.

특히 수처리 시장은 공공재 성격이 강한 국가 기간산업으로 FTA 등 국내시장 개방 및 물 관련 시장의 글로벌화에 대비하기 위해서는 기존 수처리 공정을 빠르게 대체하고 차세대 수처리 기술의 핵심 소재인 고분자 멤브레인 소재 기술을 확보함으로써 국내 기술 자립도 제고 및 차별화된 소재 기술을 통한 독자적 원천 기술을 확보할 필요성이 높아지고 있다.

또, 연료전지의 핵심소재인 강화복합막 기술을 확보함으로써 고가의 과불소계 고분자 전해질막 대신에 저가의 탄화수소계 고분자를 활용해 동등 이상의 성능을 유지하면서도 원가를 크게 낮출 수 있어 수송용, 가정용 및 이동용 연료전지에 응용할 수 있으며 저가습 연료전지용 막과 2차전지용 세퍼레이터 개발에도 많은 기술적 연계가 가능해 파급효과가 크다.

소재 기술의 개발에 따라 멤브레인에 의한 수처리 기술은 처리효율, 경제성 등 기존 기술대비 경쟁력을 확보하고 있으며 최근 수년간 멤브레인을 통한 수처리 시장의 사업성에 주목한 GE, 지멘스 등 세계적 대기업들이 기업 인수를 통해 시장에 진입하고 있다.

수처리용 멤브레인 세계 시장은 GE, 지멘스, 다우, 아사히화성, 도레이 등 해외 선진업체들이 장악하고 있으며, 지지체 역시 AWA paper 등 소수 기업이 독점적으로 시장을 장악하고 있다. 특히 수처리 멤브레인용 고분자 소재의 경우 전량 수입에 의존하고 있다.

▲ 멤브레인 기술이 적용된 가스플랜트.

▲원천기술 선진국 주도, 정책 지원 시급

기술 개발 동향을 살펴보면 소재 개발은 미국을 중심으로 이뤄지고 있으며 일본과 한국 등에서는 정부와 민간의 협력을 통해 부품과 완제품 기술 개발이 진행되고 있다.

투과선택성을 유지하면서 높은 투과도를 갖는 다양한 소재와 공정기술이 개발되고 있으며 나노기술을 활용한 저에너지 멤브레인과 신규 담수 플랫폼 개발이 부각되고 있다.

품목별로 연료전지용 강화복합막은, 고어텍스로 유명한 미국의 W.L.고어&어소시에이츠가 제조하고 있는데 수소연료전지용 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly) 상용화에 성공, 향후 탄화수소계 소재를 개발할 것으로 전망되고 있다.

국내에서는 부품과 완제품 기술이 개발 중이며 연구소와 대학 등에서 기초기술을 개발하고 있다.
정수처리용 복합 멤브레인은 일본의 후지필름, 아사히화성, 도레이, 미국의 GE, 독일 지멘스, 멤브라나 등이 제조하고 있다.

현재 중금속 제거기능은 확보되지 않고 있으며 사용수명 연장에 대한 연구가 활발히 진행 중으로 저에너지, 내오염성 향상 기술 개발이 필요한 것으로 분석되고 있다.

국내에서는 화학연, 코오롱, KMS 등이 연구개발을 진행 중이다.

미국의 다우, HTI, 일본의 니토덴코, 도레이 등이 제조하고 있는 담수용 복합 멤브레인은 전체의 95%를 폴리아미드계가 차지하고 있으며 저에너지 담수화가 가능한 고유량 멤브레인 개발이 요구되고 있다.

국내에서는 화학연과 웅진케미칼이 연구개발 중이다.

선박용 불활성가스 생성시스템(OBIGGS, On Board Inert Gas Generating System)용 고분자 멤브레인 소재는 미국 에어프로덕츠, 프랑스 에어리퀴드, 일본 우베흥산 등 산업용 가스 및 소재 기업들을 비롯해 국내 중소기업으로 지난 2001년 창립한 기체 분리막 전문기업 (주)에어레인에서도 제조하고 있다.

현재 폴리이미드계와 PIM계 소재 연구가 활발하며 특히, 주요 특허가 권리만료 상태로 신규 임계성능 소재 개발이 가능할 것으로 관측되고 있다.

미국, 프랑스, 일본이 기술개발을 주도하고 있는 가운데 국내에서는 에어레인을 비롯해, KIST, 에너기술연구원, 한양대, 경상대 등이 연구를 진행하고 있다.

고분자 멤브레인의 경우 선진 기업과의 기술격차뿐만 아니라 장기간 축적된 신뢰도 장벽을 극복하는 데 어려움이 있고, 특히 원천 소재 기술은 국내에 전무한 상태이므로 원천 소재 기술의 자립을 위해서는 고분자 멤브레인 소재개발에서 시스템에 이르는 멤브레인 수처리 기술 전반에 대해 정부의 장기 전략에 근거한 정책적 지원이 필요하다.

▲최종 연구 목표

정부가 세운 과제별 연구목표를 살펴보면 ‘연료전지용 탄화수소계 강화복합막 개발’은 올해 이온전도도 0.1S/cm(80℃ 상대습도 100% 조건), 두께 30μm 이하, 인장강도 10MPa로 시작해 2018년까지 이온전도도 1.14S/cm(80℃ 상대습도 100% 조건)까지 끌어올리고 두께 20μm 이하, 치수안정성(△V) 30% 이하, 인장강도 30MPa 이상, 수소투과도 0.03mA/㎠ 내구성 5,000시간 (typical driving mode, 1.0-1.2A/㎠, voltage drop 10%이하 조건), 유효폭 300mm로 롤투롤 생산한다는 목표를 세우고 있다.

‘고유량 정수처리용 멤브레인 소재 개발’과 ‘고강도 친수성 나노급 기공 복합 멤브레인 소재 개발’은 고유량 정수처리용 복합 멤브레인(기공크기 0.2㎛이상)의 경우 투수량 3만ℓ/㎡hr 이상, 사용수명 DHC 160시간, 내화학성 pH 2~13, 바이러스 제거율 99.9% 이상, 철분 제거율 70% 이상을 최종 목표로 잡고 있다.

‘고강도 친수성 나노급 기공 복합 멤브레인’(기공크기 20nm 이하)은 바이러스 제거율 99.999% 이상, 기공크기 8nm 이하, 순수 투과유량 1,000ℓ/㎡hr(1kg/㎠) 이상, 역세주기 60분 이상, 파단 강도 13 MPa 이상, 모듈 막면적 100㎡ 이상(8in×80in 모듈 기준)이 목표다.

‘저에너지 담수화가 가능한 고유량 멤브레인 개발’은 수투과도 50LMH 이상, 담수농도 60 ppm이하(TDS, 염분 3만2,000ppm 조건), 에너지 소비율 1.5 kWh/톤, ‘OBIGGS용 고투과선택성 기체분리용 멤브레인 소재 개발’은 선택도(산소/질소) 6.0 이상, 투과도(GPU), 75 이상, 모듈사이즈(길이×직경) 2.0m×20cm 달성을 최종 목표로 하고 있다.