세라믹 분리막 소재기술 육성 지원 절실

■ 다공성 세라믹 분리막 제조기술의 연구개발 국내 동향

세라믹 분리막 제조기술은 두 가지 기술에 기원을 두고 있다. 첫째는 1940년대 미국의 코닝 글래스(Corning Glass)에 의해 제조된 다공성 유리이며, 둘째는 세계 2차 대전 당시 미국 정부가 추진한 맨해튼 프로젝트에서 개발된 UO2 핵연료 제조를 위한 UF6 동위원소 기체 분리용 필터다. 당시 세라믹 분리막은 우라늄 농축 기술개발에 사용되는 전략물자 소재로써 수입제한 품목으로 지정되었다. 아직까지도 선진국에서는 세라믹 분리막을 국가의 전략적 소재로 육성하고 있으며, 국외 기술이전을 제한하는 등 많은 제약을 걸어두었다. 한편 1950∼60년대 초반, 프랑스에서도 동위 원소 농축을 위한 세라믹 분리막을 개발하였고 현재 상업화 기술을 보유하고 있다.

1960년대 중반 이후 미국의 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)에서 액체 분리용 세라믹 분리막이 개발되었다. 이는 1970년대에 세라믹 분리막을 상업화하는 데에 크게 기여했다. 이후 1980년대부터 세라믹 분리막의 잠재적 활용가치가 높게 평가되면서 이에 대한 연구개발과 상업화가 본격적으로 이루어지기 시작하였고, 주로 정밀여과 공정에 적용되었다. 세라믹 분리막 제조 및 응용기술은 초창기부터 미국, 유럽, 일본을 중심으로 광범위한 연구가 진행되었다. 이들 국가는 현재까지도 세라믹 분리막에 대한 높은 기술수준을 보유하였으며 시장 점유율이 높다.

국내 세라믹 필터 및 분리막 개발과제는 1990년대부터 추진하여 현재는 정밀여과 분리막 시장이 형성되고 있는 시점이다. 또한, 폐수·폐유 처리를 위한 알루미나 분리막의 개발이 제한적으로 진행되고 있으나 선진국과의 기술수준 차이는 분명히 존재한다. 이뿐만 아니라, 세라믹 분리막 제조기술의 개발과 시장진입은 장기간 축적된 신뢰관계를 기반으로 하여 형성되는데 반해, 국내의 원천 소재 기술은 거의 전무한 상태로 파악된다. 따라서 세라믹 분리막 소재의 기술적 자립을 위해서는 소재 개발에서부터 시스템 구축에 이르는 ‘세라믹 분리막 기반 전주기 수처리 기술’에 대한 정부의 장기적인 전략과 정책적 지원이 필요하다.

국내 세라믹 분리막에 관한 연구는 주로 압출공정에 의한 제조기술 연구이며 관련 소재기업으로는 세라컴, 아이비머티리얼즈(IB Materials), ㈜나노, 코센테크, 맥테크, 화인테크 등이 있으며 생산제품으로는 탈질용 담체 및 자동차 배기가스용 DPF(Diesel Particulate Filter) 등이 있다. 정부출연연구소로는 재료연구소, 한국세라믹기술원, 한국화학연구원, 한국에너지기술연구원 등에서 분리막 제조기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 현재 세라믹 분리막 제조 기술의 최대 과제는 여과면적을 극대화시키는 것이며, 여과대상 물질에 따른 세라믹 분리막의 소재 개발과 시스템 구축을 위한 공동연구도 반드시 필요하다.

국내에서는 2005년에는 경북 G 정수장에, 2012년에는 경남 Y 정수장에 세라믹 분리막을 도입하여 각각 200m3/day 규모의 파일럿 플랜트와 16,000m3/day 규모의 상수 공급 시설을 완공하여 운영하고 있다. 그러나 안타깝게도 국산제품이 아니라 일본의 일본애자(NGK insulators)와 메타워터(Metawater)사에서 개발한 세라믹 정밀여과 분리막을 사용하고 있는 실정이다. 따라서 국내 세라믹 분리막 소재기술을 육성하고 기술적 자립도를 높이기 위해서는 장기적인 관점에서 정부가 주도하는 연구과제 도출과 정책적인 지원이 매우 필요하다. 또한, 국내 세라믹 소재 기업과 정부출연연구소에게는 갈수록 심각해지는 국내의 수질·대기환경에 대응하는 환경 개선 소재의 개발에 많은 관심을 기울여 해외 글로벌 기업이 시도하지 않은 새로운 분야를 창출하는 노력이 요구된다.

국내 정수장 해외업체 사용 실정, 수준차 존재

기업·정부출연연 환경개선소재 新분야 개척 必

■ 다공성 세라믹 분리막 제조기술의 연구개발 해외 동향

가. 미국

미국의 물 산업은 주로 수질정화, 안정적 수자원 개발 사업 중점으로 이루어지고 있다. 2025년에는 36개 주에서 물 부족 현상을 겪을 것으로 전망됨에 따라 미국 정부에서는 미래 수자원 확보를 위한 다양한 사업을 추진하고 있다. 미국에서 물 산업은 집중 투자 분야로 지정되어 있으며, 수처리 공정에 91조원, 수자원 인프라 구축에 24조원, 수자원 저장 시설 구축에 49조원, 노후 시설 교체 및 보수에 244조원, 국가 스마트 워터 그리드 사업에 90조원 등 총 500조원 규모의 신규 수자원 개발 사업을 진행할 계획이다.

이처럼 분리막의 수요가 급증하면서 관련 글로벌 기업들도 빠르게 시장 환경에 대응하고 있다. 현재 분리막 시장은 소수의 글로벌 기업이 시장을 주도하고 있으며 대부분 화학 또는 섬유 사업을 기반으로 성장해온 기업으로, 공통적으로 고분자 소재 기술에 대한 역량을 보유하고 있다. 미국의 대표적인 글로벌 수처리 기업으로는 (1) 수에즈 워터 앤 프로세스 테크놀로지즈(Suez Water and Process Technologies), (2) 다우 케미칼(Dow Chemical), (3) 코흐 멤브레인 시스템(Koch Membrane Systems)이 있다. 수에즈 워터 앤 프로세스 테크놀로지즈(Suez Water and Process Technologies)는 2017년 GE워터(GE Water)를 인수·합병하였으며 정수처리, 하·폐수 재이용 및 해수담수화 등 모든 분야에서 높은 시장 점유율과 인지도를 차지하고 있다. 다우 케미칼(Dow Chemical)은 역삼투(RO) 막 및 나노여과(NF) 막 분야의 세계 최고기업이며, 한외여과(UF) 막과 분리막 생물 반응기(MBR) 공정분야로 사업을 확장하고 있다. 코흐 멤브레인 시스템(Koch Membrane Systems)은 분리막 생물 반응기(MBR) 분야에서 큰 두각을 나타나고 있다. 2018년에는 중국 산둥성 지난 시의 폐수처리 및 도시 하수처리 프로젝트에 선정되었으며 전 세계적으로 이 분야에서 견고한 입지를 확보하고 있다.

한편 세라믹 분리막 제조 기업으로는 (1) 폴 주식회사(Pall Corporation), (2) 유니세람 신소재 주식회사(Uniceram Advanced Materials Inc), (3) 미디어 앤 프로세스 테크놀로지(주)(Media and Process Technology Inc) 등이 있다. 주로 정밀여과(MF) 및 한외여과(UF) 급의 세라믹 분리막을 생산·판매하고 있으며 식품, 제약, 바이오, 화학공정 등 다양한 산업에 적용되고 있다(그림 3-3-2-7).

나. 일본

일본은 정부주도의 물 산업 육성 정책과 민간분야의 자본과 기술력을 바탕으로 수처리 분야에 대한 시장 점유율과 주도권을 확보하려고 노력 중이다. 예를 들어 2006년에 시작된 일본의 제 3차 과학기본계획의 정책목표 중 하나는 “건전한 물 순환과 지속 가능한 물 이용”이며, 이를 위해 4개의 프로그램으로 구성된 “물(水)·물질 순환과 유역권 연구영역”이 선정되었다. 그 중 “대책관리를 위한 적정기술” 프로그램에는 “국제적으로 보급 가능한 첨단 수처리 기술”이란 연구과제가 있으며, 과제의 목표는 “막이나 미생물을 이용한 수처리”이며, 유역권 관리에 관한 첨단기술을 개발하여 세계 각국에 보급하고 하천, 호수, 습지대 및 연안 등의 물 환경을 개선하여 유엔의 밀레니엄 개발목표 달성에 기여하는 것을 목적으로 하고 있다.

일본의 미쓰이(Mitsui)는 세라믹 분리막을 이용한 탈수 막 모듈 및 시스템 기술에서 세계적으로 독보적인 위치를 점하고 있으며, 제올라이트를 알루미나 지지체 위에 형성시켜 상용급 플랜트를 개발·수출하고 있다. 하니컴 모양의 세라믹 분리막이 상용화되었으며, 이들의 경우 Al2O3/Al2O3 복합 분리막 뿐만 아니라 ZrO2/Al2O3, TiO2/Al2O3, ZrO2/SiC 등의 다양한 재질의 복합 세라믹 분리막이 개발되어 여러 분야에서 적용되고 있다. 특히 일본의 NGK는 위 소재를 이용하여 광범위한 산업(자동차, 화학, 제약, 건설, 환경 산업 등)에 적용하고 있는 대표적인 기업이다.

<그림 3-3-2-8>은 일본 전역에서 세라믹 분리막을 적용한 정수장의 현황을 나타내었다. 1세대 분리막은 1985년부터 사용되기 시작했으며 1996년에는 음용수 처리 정수장에 처음으로 설치되었다. 이후 세라믹 분리막의 가격과 분리특성을 향상시키기 위해 2세대, 3세대 분리막이 2001년과 2006년에 각각 설치되었다. 현재 87개의 정수장에 세라믹 분리막이 설치되어 있으며, 처리용량도 406,600m3/day 규모로 운영되고 있다.

다. 유럽

현재 세계 물 산업을 주도하고 있는 글로벌 기업으로는 프랑스의 베올리아(Veolia)와 수에즈(Suez), 미국의 GE워터(GE Water), 독일의 지멘스 워터(Siemens Water) 등이 손꼽히는데, 보다시피 유럽에 본사를 두고 있는 기업이 3곳이나 된다. 이러한 결과는 수질환경을 개선하고 깨끗한 물을 확보하려는 유럽 국가의 노력과 결실을 보여주고 있다. 베올리아(Veolia)는 지방도시 및 산업체의 폐수처리, 수처리 시설 설계 및 건설, 각국의 수도 시설 건설, 해수 담수화, 물 재이용 등 전방위 사업을 펼치고 있으며 매년 20조원 이상의 매출을 기록하고 있다. 수에즈(Suez)는 우물시추, 해수 담수화와 같은 수자원 생산과 더불어 수처리 시설 유지·관리, 분리막 제조 등의 사업으로 매년 10조원 규모의 매출을 올리고 있다. 이 밖에 GE와 지멘스(Siemens)도 물 산업을 최우선 과제로 삼고 있으며 분리막 제조와 같은 수자원 생산 산업에 적극적으로 투자하고 있다.

유럽의 선도국가들은 물 산업을 전략산업으로 육성하기 위해 물 산업 클러스터 구축, 선도 사업(Flagship Project) 수행, 해외시장 개척 등 다각적인 민관협력 정책을 추진하고 있다. 네덜란드는 2000년에 ‘제2차 세계 물 포럼’을 헤이그에 유치하면서 자국의 물 관련 정부부처와 공공기관, 기업, 연구소 등을 결집하는 ‘네덜란드 워터 파트너쉽(Netherlands Water Partnership: NWP)’을 설립하였다. 2011년에는 “Water 2020: 글로벌 물 강국”이라는 비전을 발표하고 장기적인 정책방향을 제시하였다. 이는 전 세계의 워터 밸리(Water Valley for the World) 구축을 목표로 하는 것이며, 민관협력에 기반한 물 산업 경쟁력 강화와 수출확대에 박차를 가하고 있다.

독일은 미국에 이어 세계 2위의 상·하수도 기술 수출국이다. 2008년 연방정부가 주도하여 독일 기업의 물 산업 해외진출을 촉진할 목적으로 산·관·학 공동조합인 ‘독일 워터 파트너쉽 (German Water Partnership: GWP)’을 설립하였고, 2013년에는 약 9억 유로의 수출실적을 달성하였으며 2016년 기준으로 약 350개의 물 관련 기관이 참여하고 있다.

▲ <그림 3-3-2-6>국내 기업이 개발하여 생산·판매중인 다공성 세라믹 분리막 (A)㈜나노에서 개발한 하니컴형 촉매담체 (B)㈜세라컴에서 개발한 자동차 DPF (C)IB Materials에서 개발한 DPF (D)코센테크에서 개발한 SiC 히터

▲ <그림 3-3-2-7>미국 세라믹 분리막 제조기업이 개발하여 생산/판매중인 제품 (A)Pall Corporation에서 개발한 Membralox (B)Uniceram Advanced Materials에서 개발한 다공성 분리막 (C)Media and Process Technology에서 개발한 MPT Ceramic Hollow Fiber

▲ <그림 3-3-2-8>일본에서 개발된 세라믹 분리막의 예시 및 설치된 지역 표시

▲ <표 3-3-2-4>유럽에 본사를 둔 글로벌 수처리 기업의 진출 분야

▲ <표 3-3-2-5>세라믹 분리막 제조 기술-국내 선도연구기관

▲ <표 3-3-2-6>세라믹 분리막 제조 기술-해외 선도연구기관