수처리용 세라믹 분리막 소재기술(2)-제6장 공기정화·수처리용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(50)

수처리용 세라믹 분리막 소재기술(2)-제6장 공기정화·수처리용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(50)

기사등록 2018-11-05 18:43:13

세라믹 소재 집중적 연구개발 必

■ 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

환경부 2010년 10월에 발표한 물산업육성전략에 따르면 국내 물산업 시장은 2008년 12조원 규모이며 이 중 상수도 5조4천억 원, 하수도 4조5천억 원, 먹는 샘물 4,500억 원으로 구성되어 있으며, 물 산업 전체 시장은 2013년에는 17조원, 2020년에는 26조원으로 확대될 것으로 전망하고 있다. 2007년 기준으로 국내 하・폐수 처리 시장 규모는 24억 달러(US) 규모이며, 이는 전체 세계시장의 2.1% 정도에 해당하며 이에 정부는 2007년 ‘물산업 육성 5개년 추진 계획’에서 2005년 10.9조원인 국내 물산업 시장을 10년 내 20조원 규모로 육성하겠다는 목표를 밝힌 바 있다.

세라믹 막 수처리 기술의 경우 국내 세라믹 막 시장에 대한 정확한 조사 자료는 없으나, 일부 식품산업에 사용되는 경우와 정수처리에 사용되는 경우(수자원공사 연초정수장)를 제외하면 국내 시장규모는 미미한 것으로 조사되며, 향후 중소규모 시설을 중심으로 폐수처리와 재이용 분야에 세라믹 막이 활발하게 도입될 것으로 전망된다.

현재 세계적인 선도 기업들도 해결하지 못하는 한계특성들을 돌파할 수 있는 신규소재 개발에 성공할 경우 2008년 2,000억 원 규모에 그치고 있는 국내 멤브레인 산업을 2018년 세계 시장 점유율 30%, 1조 원대 규모로 육성할 수 있을 것으로 기대된다. 물 산업이 점차 유망해지는 가운데 분리막 기술의 중요성이 점차 시장에서 커지고 있는 실정이며, 분리막 기술의 발전에 따라 물 시장 전망과 분리막의 물 시장에서 차지하는 비중이 증가하고 있는 상황이다.

2) 기업 현황

국내 수처리용 분리막 관련 기업으로는 웅진케미칼, 제일모직, 코오롱, 효성, 도레이 첨단소재, 한국분리막, 에이지투엘, 퓨어엠비텍, 크로시스 등 다양한 기업에서 고분자를 이용한 분리막을 생산하고 있다. 현재 이와 같은 기업 등은 세라믹 소재 관련 무기 분리막에 많은 관심을 가지고 있으나 현재 국내 세라믹 분리막 시장이 크게 형성되지 않아서 적극적인 진출을 하고 있지는 않은 시점이다. 이에 반해 수처리 분야가 아닌 환경 개선용 세라믹 필터를 생산하던 압출 기업들이 해외의 발전 추세와 맞물려서 수처리 시장 진입을 위한 준비가 진행 중이다. 구체적으로는 IB머티리얼즈(구, 카세라)는 점토 결합 탄화규소 기반 DPF 필터 생산에서 납석을 이용한 MBR용 세라믹 분리막을 이용하여 시장 진입을 준비 중이다. 또한 타이타니아 산화물 기반 촉매 생산기업인 ㈜나노는 정수용 압출형 수처리 알루미나 분리막 관련 연구를 진행하고 있다. 이외에도 세라컴 등은 알루미나와 코디어라이트(cordierite) 소재를 중심으로 수처리 분리막용 기술을 확보하고 있다.

■ 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

분리막 소재는 전 세계적으로 현재 100억 달러, 한화 11조원 규모의 시장이 형성돼 있으며, 연 15% 가량의 성장률을 보이고 있어 오는 2018년이면 20조원 수준으로의 성장이 예상되며 분리막 기반 부품의 규모는 전 세계적으로 약 1,000억 달러, 한화 100조 원대 규모로 성장할 것으로 전망하고 있다.

특히 나노 기공을 이용한 세라믹 소재는 에너지, 환경, 화학, 우주, 바이오 분야의 핵심인 촉매, 분리(흡착, 흡수, 분리막, 필터) 소재, 단열재, 센서, 경량소재, 저장소재, 광학소재, 기판소재, 생물분자분리체 등의 근간물질이며 그 시장규모는 계속 증가할 것으로 예상된다.

수처리용 세라믹 분리막 MF, UF(MBR 포함)의 2009년도 일본 시장은 14억 엔으로 전체 5.4%를 차지, 주로 정수장과 산업폐수처리에 사용되고 있으며 장래에 해수담수화의 전처리에 사용될 수 있으며 2010년 15억 엔, 2011년 17억 엔, 2012년 22.5억 엔, 2015년 33억 엔으로 예측된다(2010년(주)후지경제 자료). 시장수요는 미국 시장과 일본 시장을 중심으로 지속적으로 증가 되고 있으며, 현재 세라믹 분리막은 정밀여과, 한외여과, 역삼투압 등에 국한되어 있으나, 기체분리 및 촉매반응기와 같은 분야에서도 고분자막을 대체할 수 있으리라 기대된다.

청정 조건 달성 친환경적 미래 전략기술 각광
선진국 상용화·韓 걸음마, 중장기적 접근 요구

2) 기업 현황

가. Metawater

일본의 세라믹 분리막 제조사인 NGK와 합작회사로서, 세라믹 막 여과기술과 오존 처리기술을 활용하여 상수처리와 하수처리 고도화 기술을 추진하고 있다. 특히 분리막을 제공하는 NGK는 일본의 경우 1990년대에 기하학적 접촉면적이 0.5㎡인 세라믹 재질의 multi-channel 형상의 1세대 분리막을 시작으로 2000년에 15㎡의 2세대 분리막을 거쳐 2005년 이후 25㎡의 3세대 세라믹 허니컴 분리막까지 지속적으로 대면적화 기술을 개발하고 있다.

나. LiqTech

덴마크 회사에 있는 회사로서 기존의 SiC DPF 필터 소재를 수처리 분야로 특화시켜 발전시킨 회사이다. 최근 들어 수처리 분야에 치중하여 사업을 확장하고 있으며, 바이오매스, 셰일가스 등 다양한 분야로 사업을 확대하고 있다. 대표적인 LiqTech사의 수처리용 분리막의 직경은 146mm이며, 구형의 다수의 채널을 가지고 있는 압출 필터이다. 다음 그림에서와 같이 분리막은 3중 구조를 가지고 있으며, 이때 지지체는 3㎛ 의 기공 크기, 중간층은 1㎛의 기공 크기, 최종 분리막층은 0.04㎛의 기공 크기를 가지고 있는 형태이다.

다. Veolia

수처리 분야에서 세계 선두주자인 Veolia사는 만 명이 넘는 임직원의 현지 경험과 실질적인 운영 노하우를 배경으로 수처리 분야에서 다양한 제품, 서비스, 시스템 및 기술을 바탕으로 포괄적이며 광범위한 해결책을 제시하고 있다. Veolia사는 세라믹 수처리 분리막 회사인 CeraMem사를 흡수하여 운영하고 있다. CeraMem사는 1986년도에 미국에 설립된 세라믹 멤브레인 전문 업체로서, CeraMem 필터는 탄화규소계 세라믹 필터가 주종으로 MF, UF, NF 필터 및 가스 필터로도 응용이 가능하다.

다음의 그림은 탄화규소 CeraMemⓡ Ceramic 필터의 구조 및 모습을 나타낸 것으로 전체 분리막 모듈의 크기는(142mm diameter x 864mm length)이며, 막면적은 10.7m2이다. CeraMem의 필터의 끝단은 플러깅 되어 있는 허니컴 구조이며, 높은 비표적으로 높은 유량의 흐름이 가능하다.

라. 생고뱅(Saint-Gobain)

생고뱅은 프랑스가 모태인 기업으로 1665년 설립된 유리 제조 국영 기업이다. 현재 그룹 본부는 파리에 있으며 유럽, 미국, 아시아 등 세계 각지에 진출하여 전 세계 64개 국가에 1,200여 개의 지사와 생산기지를 가지고 있다. 생고뱅은 수 세기 동안 누적된 지식과 경험, 기술을 결합한 기업으로 일상생활에서 미래 최첨단 산업에 이르기까지 범용적인 제품 생산을 생산하고 있다. 생고뱅은 다양한 세라믹 제품을 생산하고 있지만, 특히 수처리 분야에서는 Crystar FT라는 상품명을 가진 재결정 탄화규소를 이용하여 탄화규소 세라믹 필터를 생산하고 있으며, 오일 및 가스 분리용뿐만 아니라 재활용 용수 및 전처리용으로 활용하고 있다.

■ 미래의 연구방향

1) 장기간의 기술개발 연구 및 실증 실험 등이 필요

세라믹스 분리막은 클리닝이 용이한 특성을 가지므로 세계적으로 환경친화적 차세대 기술로 인정받고 있지만 나노기공제어 기술, 다층구조의 코팅기술, 미세 세라믹스 입자의 분급기술, 견고한 다공성 지지체 기술 등이 융합되어야 하는 해결과제를 가지고 있어 장기간의 기술개발 연구 및 실증 실험 등이 요구되고 있다. 또한 세라믹 분리막의 장점으로 인해 기존의 여과 시장 이외에 응용분야가 확대되고 있으며 이를 위해서는 다양한 요소 기술들이 우선적으로 개발되어야 한다.

2) 미래 트렌드에 부합하는 혁신적인 기술 개발 필요

우리나라의 경우 2009년부터 막분리 공정이 본격적으로 도입됐으며 관련 산업이 빠르게 성장하고 있지만 아직까지는 원천 소재 기술 부재로 선진 기업과의 기술 격차가 존재하며 전문가들은 선진국 대비 70~80% 수준이라는 평가를 내리고 있다. 특히 세라믹 분리막 기술은 기술 격차가 존재하는 상황에서 후발 주자인 우리나라의 기업들은 꾸준한 기술 개발 투자 및 시장 참가를 통해 기존 외국의 선도 기업이 버티고 있는 시장에서 경쟁해 나가는 것도 중요하지만, 미래 트렌드에 부합하는 혁신적인 기술을 개발함으로써 시장의 재편을 시도하려는 노력도 필요할 것으로 판단된다.

3) 향후 수처리 분야에서 분리막 소재의 연구 방향(5가지)

첫째는 NT와 BT의 융합(Fusion)이 이루어지는 소재, 둘째는 높은 유속(high flux)을 가질 수 있는 소재, 셋째는 낮은 에너지 소비를 보이는 소재, 넷째는 낮은 파울링(Fouling)을 보이는 소재, 마지막 다섯째는 낮은 환경 충격(Low environmental impact)이 요구되는 소재 등으로 정리할 수 있다. 그러므로 기존의 다공질 분리막 소재 이외에도 이와 같은 미래 지향적 분리막 소재를 개발하기 위하여 많은 노력이 요구되어지는 시점이다. 이와 같은 요구에 부응하기 위하여 아무쪼록 많은 관심 있는 연구자들이 수처리 관련 세라믹 소재에 많은 관심을 가지기를 바란다.

■ 정책 제언

세라믹 소재를 이용하는 수처리 분리막 시스템은 기존의 고분자 위주의 분리막을 이용한 수처리 시스템으로 달성할 수 없는 조건에서 청정 조건을 달성할 수 있는 친환경적인 미래 전략기술이다. 아직 세라믹 분리막 분야는 국내에서 체계적인 연구가 이루어지지 않는 상태여서 선진국과 기술격차는 큰 편이다. 현재 미국, 일본, 유럽 등은 이미 수처리용 세라믹 분리막 상용화가 진행되어 플랜트가 설치되고 있는 시점이지만, 향후 국내의 세라믹 소재 관련 기반기술 수준을 고려할 때 집중적인 연구개발을 통하여 기술격차를 줄일 필요가 있다고 판단된다.

미래 선도적인 신개념의 수처리용 세라믹 분리막 소재는 복합화를 통하여 구조와 기능 특성의 극대화가 가능하여 처리용량을 증대시키고, 고집적화를 실현할 수 있다. 또한, 분리막 소재의 단일기능을 융·복합 기능으로, 고에너지 소비를 저에너지 소비로 수처리 패러다임 변화에 대응함으로써, 열악한 미래 환경에 대응하는 소재를 개발하는 것은 매우 중요하다.

세라믹 분리막 시장은 아직 원천 기술 도입 단계로서 중장기적 접근이 필요할 것으로 판단되며, 또한 기술의 신뢰도를 구축하기 위한 다양한 data를 구축하는 것이 매우 절실할 것으로 판단된다. 세라믹 분리막 기술은 다양한 요소 기술들이 융합되어 형성된 다소 복잡한 기술로서 복사가 어려우므로 기술의 경제적 수명은 매우 길 것으로 생각되며 적어도 20년 이상은 될 것으로 판단된다. 그러므로 이에 따른 대비가 필요하다.