소재 기반 환경 신기술 개발 정책지원 必

■ 산업 및 시장 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

오염물질을 흡착·제거하는 유기계, 무기계, 유·무기 복합계 등의 합성 흡착제는 다공성 구조를 갖는 구형 및 중합체성 입자로서 흡착제와 정화될 오염물질 사이의 상호 작용으로 화합물을 보다 쉽게 제거할 수 있고 활성탄보다 더 오래 사용할 수 있다. 최근에는 흡착 소재의 기공 크기를 중합반응을 통해 원하는 크기로 정확하게 제조하는 것이 가능하다. 이러한 장점으로 국내 합성 흡착제 시장은 2016년 219만 달러에서 연평균 성장률 8.0%로 증가하여 2022년에는 347만 달러에 이를 것으로 전망되었다.

이를 종류별로 살펴보면 개질 방향족(브로민화 방향족 매트릭스) 흡착제 시장이 연평균 성장률 8.4%로 가장 높게 성장할 것으로 예상되었고, 방향족(가교 폴리스타이렌 매트릭스) 흡착제와 메타크릴(메타크릴 에스터 공중합체)흡착제의 경우에는 각각 8.1%와 7.2%로 시장이 성장할 것을 전망하였다. 기타 흡착제의 경우에는 5.7%의 성장을 예상하였다.

2) 기업 현황

국내 기업은 환경 및 에너지 문제에 대한 관심이 고조됨에 따라 환경 규제 강화에 대응하기 위한 기술 개선 의지 및 투자가 증대되고 있으나, 글로벌 기업과 비교했을 때 상대적으로 낮은 친환경 소재기술 및 시장으로 사업화 진입장벽이 높은 편이다. 특히, 토양오염복원 관련 기업의 대부분은 세계 토양오염시장이 2018년 기준 1조 700억 달러 수준의 시장이 형성되어 있는 것으로 전망되었지만 토양정화, 개량 등을 위한 방법 혹은 설비를 활용하는 데에 역량이 집중되어 오염물질을 흡착할 수 있는 소재 개발은 연구 단계에 머무르고 있다. 대기환경 분야에서도 미세먼지나 휘발성 유기화합물(VOCs) 등을 저감시키는 설비나 솔루션을 제공하며, 흡착 소재 부분에서는 공기청정기 등의 필터나 광화학 반응을 활용한 광촉매 소재 등에 국한되어 능동적이고 선택적으로 대기오염물질을 흡착하는 소재의 연구 개발 및 상용화가 필요하다.

대다수 국내 환경 소재 기업들은 중소·중견기업으로 자체적인 소재 개발에 어려운 점이 많다. 이를 위해 산학연 공동연구 개발 등의 프로그램을 통해 오염 분포에 따른 선택적인 오염물질 흡착 소재를 개발하는 것이 필요하다. 따라서 글로벌 기업들과 경쟁할 수 있는 기술력 및 생산성, 경제성 확보를 위한 연구 개발의 확대와 환경 규제를 충족시킬 수 있는 소재 개발로 시장점유율을 높여가야 할 것이다. 이를 위해 대기업-중소기업 간 또는 기업-출연연-대학 간 기술 및 사업화에 대한 협력을 강화해 나가는 것이 하나의 방법이 될 수 있다.

■ 산업 및 시장 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

해외 합성 흡착제 시장은 2017년 기준 9,250만 달러에서 연평균 성장률 7.9%로 증가하여 2022년에는 약 1억 3,530만 달러에 이를 것으로 전망하고 있다.

이를 종류별로 살펴보면 개질 방향족(브로민화 방향족 매트릭스) 흡착제 시장이 연평균 성장률 8.8%로 가장 높게 성장할 것으로 예상되었고, 방향족(가교 폴리스타이렌 매트릭스) 흡착제와 메타크릴(메타크릴 에스터 공중합체) 흡착제의 경우에는 각각 8.0%와 7.5%로 시장이 성장할 것을 전망하였다. 기타 흡착제의 경우에는 4.9%의 성장을 예상하였다.

이를 나노 흡착제 시장까지 확대하면 2013년 69억 6,700만 달러이던 시장 규모가 2018년 79억 7,000만 달러로 2.73%의 연평균 성장률을 나타낼 것이라고 SNS Telecom(Signals and Systems Telecom)에서 예상한 바 있다.

또한, 한국수출입은행 해외경제연구소에서는 오염물질을 제거하고 물의 순도를 높이기 위해 사용하는 흡착제 및 이온교환 방식은 2013년 14억 9,000만 달러에서 2018년까지 연평균 약 4.87% 성장하여 18억 9,000만 달러의 시장을 형성할 것으로 전망하였다.

2) 기업 현황

해외 기업의 경우, 오염물질 흡착 등의 친환경 흡착 소재 활용 분야는 중소기업보다는 중견 또는 대기업을 통한 사업화가 진행되고 기업들의 합병이 이루어지고 있어 시장을 이끌어가는 기업의 수는 감소하는 추세이다. 그러나 하이브리드 나노 흡착제, 금속 유기 골격 소재, 탄소나노튜브, 바이오차 등의 신규 소재개발이 오염물질 선택적으로 활용될 수 있는 방향으로 개발되고 있어 다양한 오염물질에 대해 광범위하게 사용되었던 기존 제품과는 달리 다양한 제품군으로 확장되며 시장성이 대폭 확대될 것으로 예상된다. 국제적인 환경 규제와 환경 보호에 대한 인식에 발맞추어 오염물질 흡착 소재 개발 및 상품성이 제고되어 관련 시장은 당분간 지속적인 고성장 형태로 전망된다.

선택적 흡착·정화가능 스마트 오염 정화 소재 개발 지속

정화 기술·소재 융합연구 통한 오염물질 제거 노력 필요

■ 국내외 선도기업

국내 기업들은 국내외 시장 진입을 위한 노력으로 관련 기업과 대학, 연구소 등이 협력하여 보다 높은 표면적과 결합력, 오염물질에 대한 선택성을 갖는 소재에 대한 연구개발을 진행하고 있다. 높은 흡착성능, 선택성 등의 특성은 향후 글로벌 시장에서 보다 유리한 위치를 선점하기 위한 큰 장점이 될 것이며, 이를 위해 기술적, 정책적 지원이 적극적으로 이루어져야 할 것이다.

나노 흡착제 기술과 관련된 주요 기업은 에코프로(EcoPro), 코스모촉매(Cosmo Catalysis) 등이 있으며, 환경 및 에너지 문제를 동시에 해결하여 다양한 오염물질의 처리가 가능한 나노기술 기반의 응용제품 연구가 활발히 진행되고 있다. 삼양사(Samyang)는 메타크릴계 합성 흡착제를 생산하고 있으며, 유류오염물질 흡착 소재 관련해서는 유한킴벌리(Yuhan Kimberly)를 필두로 미주케미칼, 티투컴, 대일화학(DAEIL) 등이 각자 특화된 흡착 소재를 개발하여 생산하고 있다. 물 환경 분야에서는 디엔텍(De-AN Tech)에서 질소와 인 성분의 제어로 부영양화를 방지해 조류의 생장을 억제하는 제품, 코오롱생명과학(Kolon Life Science)을 비롯한 몇몇 기업에서 이온교환·흡착제, 응집제 등 여러 수처리제를 생산하고 있다. 토양환경 분야는 GS건설 등의 대기업과 몇몇 중소기업이 컨소시엄을 이루어 중동 등의 해외 진출사업으로 토양오염복원을 한 바 있고, 토양 내 오염물질을 직접 흡착하여 제거하는 소재에 대한 개발을 시장의 특성에 맞게 추진하고 있다.

미국의 오일드라이(OIL-DRI)에서는 오염 상황에 맞게 유류오염물질 흡착 소재를 다양한 형태로 생산·공급하며 자연 친화적인 흡수제를 제조하고 있고, 프랑스 악센스(Axens)에서는 재생흡착제를 생산하면서 미량오염물질 제거를 위한 흡착 소재 개발을 진행 중이다. 기존에 가장 다양하게 흡착제로 사용된 활성탄의 글로벌 시장은 미국의 칼곤(Calgon)과 네덜란드의 노릿(Norit)이 주도하고 있다. 물 환경 분야에서는 미국 다우(Dow)가 이미 친수성 재질의 오염물질 흡착 소재에 대한 생산능력을 강화하였고, 결정성 제올라이트를 비롯하여 탄소 기반의 흡착 소재 등에 대한 사업이 주목받고 있다. 최근에는 세공 구조와 크기 등을 조절할 수 있는 메조 기공 구조 금속 산화물에 대한 연구가 활발하며, 독일의 바스프(BASF)는 생산 단계까지 영역을 확장하였다. 또한, 제올라이트 계열의 흡착 소재는 미국 UOP에서 생산하는 제품이 방사성 오염물질에 적용된 바 있고, 같은 미국의 쿠리온(Kurion)은 다양한 흡착 소재가 충진된 ALPS 설비로 다핵종 오염물질에 대한 높은 제거율을 달성한 바 있다.

■ 미래의 연구방향

환경 분야 국내·외 저널에서 흡착 관련 논문이 상당수를 차지할 만큼 많은 연구자가 관련 연구 결과를 보고하고 있고 현재까지도 그 추세가 이어지고 있다. 오염물질 흡착 소재 관점에서 보면, 크게 기존에 보고된 소재를 개선하여 흡착효율을 높였거나 새로운 소재를 합성해서 흡착제로의 적용 가능성을 보고하는 연구 결과로 나누어 볼 수 있다. 한편, 환경 분야를 포함한 다양한 산업 분야에 흡착기술을 적용하기 위해 기술적으로 가장 중요한 부분이 고효율 흡착 소재와 공정기술의 확보이다. 따라서 미래의 연구 방향도 이 범주에서 수행될 것으로 예측해 볼 수 있다. 다만, 연구개발이 좀 더 구체적이고 실질적인 목표를 갖고 수행되어야 할 것이다.

특정 산업폐수에 존재하는 유해 중금속을 제거하기 위한 흡착제 연구는 대상 산업폐수의 성상이나 실제 운전조건을 고려하여 흡착효율이 높은 소재를 개발해야만 적용 가능한 기술이 될 수 있다. 방사능 오염물질 흡착 소재 또한 해수 혹은 강산·강염기 조건에서 구조가 안정하고 고방사능 조건에서 효율이 유지되는 등의 필요조건을 만족해야만 현장에 적용 가능한 기술이 될 수 있을 것이다. 현재까지는 설비 등에 의존한 전통적인 환경공학적 처리 방법이 경제성 및 기술의 성숙도 측면에서 이뤄왔지만 다양해진 환경 이슈와 흡착 소재 기술의 적용 범위가 늘어나고 있는 만큼 적용성을 확보할 수 있는 소재 기반의 기술개발 전략이 요구된다.

환경 매체별로 적용 가능한 기술의 연구 방향을 살펴보면, 대기 분야에서는 오염물질 저감에 대한 국제적 책무와 국민의 쾌적한 삶에 대한 요구 증가에 따른 산업의 성장이 예상된다. 특히, 발전소, 제철소 등의 신규 건립이 예상되는 개도국의 대기 산업 시장의 큰 성장이 예상되며, 국내에서도 미세먼지, VOCs, 악취 등의 문제 해결을 위한 기술 개발이 요구되고 있다. 물 환경 분야에서는 기술 개발의 패러다임인 적용 가능 기술의 효과적인 조합을 통한 공정 개발에서 각 단위공정 성능 향상을 통한 전 공정 효율 향상으로 전환되고 있다고 할 수 있다. 이렇게 변화하는 패러다임의 핵심이 되는 기술개발 전략은 단위공정 효율 향상을 위한 신소재 개발이라고 할 수 있다. 이미 물 환경 산업은 미래 유망 산업으로 대규모 투자가 수처리 소재에 집중되어 있으며 오염물질 흡착 소재를 중심으로 한 고도처리 공정 개발이 병행되고 있다. 토양오염 분야에서는 기존 오염정화 설비와 방법을 위주로 개발된 복원 방법과 더불어 오염 복원 소재에 초점을 맞추어 다양한 현장에 활용 가능한 오염물질 선택적 소재개발에 연구를 지속할 필요가 있다.

■ 정책 제언

과학기술정보통신부에서는 미래소재 경쟁력 확보를 위해‘미래소재 원천기술 확보전략’을 수립하여 추진하고 있다.

미래소재의 개념은 인공지능, 빅데이터, IoT(Internet of Things), IoH(Internet of Human), 헬스케어, 환경·에너지, 안전분야 등 4차 산업혁명의 핵심영역을 뒷받침할 하드웨어의 결정 요소로 정의하고 있으며, 4대 메가트렌드별 30대 미래소재 발굴의 하나로 환경변화 대응 소재의 개발을 통해 다양한 오염으로 발생하는 환경문제를 최소화할 수 있는 오염물질 Zero화 환경 소재, 환경공학(Green Engineering) 기반 지구 환경 소재 등 2대 분야를 지원하고 있다. 미래요구 대응 소재는 유해물질 저감·차단 및 오염물질 감지·억제·제거 등을 통한 신 기후 체제 대응 및 국민건강 보호를 위한 소재라고 할 수 있다. 특히 다종오염물 맞춤형 스마트 다공성 소재 기술은 미래요구 중요도 및 해결기여도, 미래 원천성 측면뿐 아니라 글로벌 리딩 가능성, 국내 연구·개발 역량 부분에서도 많은 관심을 받고 있다.

따라서 다양한 오염물질을 감지하고 선택적으로 흡착·정화가 가능한 스마트 오염 정화 소재의 개발이 계속 진행되어야 하며 여기에는 대기, 수질, 토양 등 환경 매체 오염 정화 소재 개발, 오염정화 기술과 기능 소재의 융합연구를 통한 오염물질을 효율적으로 제거하려는 노력이 필요하다. 또한, 개발되는 독성 오염 물질 흡착 소재 특성에 따른 잠재적인 2차 오염물질 및 생태 독성 유발인자의 생성을 방지할 수 있는 기술 등 기존 시스템 위주의 환경정화 기술 한계를 극복할 수 있는 소재 기반 환경 신기술 개발에 대한 연구 및 정책적인 뒷받침을 지속하여야 한다.

▲ <그림 3-1-3-19>국내 합성 흡착제 시장 규모 및 전망

▲ <표 3-1-3-1>국내 합성 흡착제 종류 별 시장 규모 및 전망(단위 : 만 달러)

▲ <그림 3-1-3-20>해외 합성 흡착제 시장 규모 및 전망

▲ <표 3-1-3-2>해외 합성 흡착제 종류 별 시장 규모 및 전망(단위 : 만 달러)

▲ <그림 3-1-3-21>해외 나노 흡착제(좌), 이온교환 및 흡착제(우) 시장 규모 및 전망

▲ <표 3-1-3-3>독성 오염물질 흡착 소재 기술 - 국내 선도기업

▲ <표 3-1-3-4>독성 오염물질 흡착 소재 기술 - 해외 선도기업

▲ <표 3-1-3-5>환경 매체 별 오염물질 흡착 소재 연구개발 방향

▲ <그림 3-1-3-22>환경변화 대응 소재 기술 분석