병원체 제거 新개념 소재 개발 必

■ 병원체 제거 기술

1) 국내 동향

국내는 엘지전자, 삼성전자, 웅진코웨이, 위니아만도 등에서 필터와 흡착제를 이용한 가정용 공기청정기를 개발하고 있다. 국내 기업들이 판매하는 가정용 공기청정기는 세균 살균을 위한 기능을 홍보하고 있으나, 다중이용시설 공조 적용이 가능한 배오존 관리, 대용량 처리가 동시에 가능한 기술은 확보되지 않은 것으로 판단된다. 국내 연구기관들은 최근 이슈화된 미세먼지 제거에 관련된 연구를 집중적으로 수행하였으며, 공기 중 병원체 제거 연구는 기초연구를 진행하고 있다.

실내공기 중 병원체 제거 소재 기술과 관련된 특허 동향을 분석하였다. 한국에서의 특허 출원은 삼성전자, 존슨 매티(Johnson Matthey Co Ltd.), ㈜한주나노, 한양대학교 산학협력단 각각 6건씩 다수의 출원을 하였다. 한국의 경우, 상위출원인은 공공기관보다 기업에서 우세한 출원 비중을 보이는 것으로 나타났으며, 개인은 상위출원인에 포함되지 못하였다.

최근 다양한 방법으로 시도되는 플라즈마 또는 활성종 응용 병원체 제거 기술에 관련된 논문 동향을 조사하였다. 본 논문 분석은 플라즈마를 이용한 라디컬 발생소재와 관련한 최근 발표된 논문을 기준으로 하였으며, 상기 검색 결과를 바탕으로, 논문 동향을 분석하였다. 상기 검색은 구글 학술검색(google scholar) 및 NDSL(National Digital Science Library)에서 이루어졌다.

상기 플라즈마는 코로나 방전, 유전체격벽방전 및 이외 기타 플라즈마를, 상압 또는 대기압 하에서 적용하여 공기정화, 세균 살균 기능에 관련된 논문을 중심으로 검색하였다. 코로나 방전, 유전체격벽방전 및 기타 플라즈마를 활용한 공기정화, 및 병원체, 바이러스의 살균 기능에 대해서는 다수의 논문이 보고되었다. 최근 논문 경향에 따르면 병원체 또는 오염물질을 제거하기 위하여 한 종류의 플라즈마만을 단독으로 사용하지 않고, 촉매(예를 들어, 광촉매, 탈질촉매)를 포함하거나 탄소나노튜브(다공체) 또는 추가적인 필터 등을 다층으로 장착하여 효율성을 높이는 것으로 파악된다. 또한, 비열 플라즈마에 대한 다수 논문이 검색되었고, IoT기술을 접목하거나 공기청정기의 품질속성분류 및 속성별 트렌드분석 연구 등과 관련된 특이한 논문도 검색되었다.

2) 해외 동향

해외 기술 동향은 특허에 공개된 기술을 중심으로 조사하여 분석하였으며, 국가별 동향은 다음에 간략히 요약하였다. 병원체 제거를 위한 목적의 특허 기술의 경우 플라즈마를 사용하는 경우가 많았으며, 촉매와의 결합을 통한 제품 기술들이 다수 확인되었다.

가. 미국

미국 특허 동향은 일본기업인 파나소닉 IP 메니지먼트(Panasonic Intellectual Property Management) 및 미국 대학인 The Board of Trustees of the Leland Stanford Junior(Stanford University)가 각각 7건, 미국 기업인 린테크(Lynntech)가 6건으로 상위출원인을 차지했다. 특이점으로는 미국 이외 일본 기업이 미국에 많이 출원 하였으며, 미국도 국내와 마찬가지로 기업의 출원이 공공기관 또는 개인의 출원보다 우세하게 나타났다.

나. 일본

일본 특허 동향은 도시바 주식회사가 18건으로 가장 많은 출원을 하였고, 뒤이어 미쓰비시 전기 주식회사가 15건, 마츠시타 전기 주식회사, 파나소닉 주식회사, 샤프 주식회사, 소니 주식회사 등이 각각 13건을 출원 한 것으로 나타났다. 또한, 상위출원인에는 공공기관 또는 개인은 없고 모두 기업이었다.

다. 유럽

유럽 특허는 출원 비율이 상대적으로 낮았고, 특이하게 상위출원인 모두가 일본 기업인 것으로 나타났다. 이 중 일본 기업인 파나소닉이 7건으로 가장 많은 출원을 하였고, 쇼와(SHOWA), 미쓰비시, 일본애자(NGK Insulators), 및 닛산 자동차 등의 기업이 상위 출원인을 차지했다. 유럽도 일본과 마찬가지로 상위출원인은 모두 기업이 차지했다.

라. 중국

중국은 개인의 비율이 가장 높은 국가로, Wang Jianyou 34건으로 가장 많은 출원을 하였고, 상위출원인에 Changzhou 대학, Dalian 대학 및 Shanghai 대학 등이 포함되어 있다. 중국은 다른 국가와 비교하여 개인 및 대학의 출원 비율이 기업의 출원 비율에 비하여 상대적으로 높았다.

■ VOCs 제거 기술

1) 국내 동향

대부분 활성탄을 사용하여 잔존 VOCs를 흡착제거하고 있지만 최근 촉매를 이용하여 저온에서 VOCs를 제거하는 촉매식 대형정화장치 개발이 시작되었다. VOCs 제거장치로 흡착법, 직접연소 및 촉매산화 장치가 있으나 외국의 기술을 도입한 것이고, 촉매산화법을 이용한 공조용 활성종 가스 제거에서 활용할 수 있는 국내기술은 시작 단계로 파악된다.

<표 3-2-3-6>은 VOCs 제거에 관련된 논문을 분석하여 표로 정리한 것이다. 논문 분석은 VOCs 제거용 촉매전극과 관련한 최근 발표된 논문을 기준으로 하였으며, 상기 검색 결과를 바탕으로 논문 동향을 분석하였다. 또한, VOCs 분해 촉매를 적용한 공기 정화를 중심으로 검색하되, 다양한 전이금속 산화물계(MnO2, Co3O4, NiO, Ag2O, Fe2O3, Cr2O3, CeO2, MgO, V2O5, CuO 및 MoO3 등) 및 이외 VOCs 분해 활성이 있는 촉매 등을 검색하였다.

2) 해외 동향

VOCs 제거 촉매는 과립(granule) 또는 펠릿(pellet) 촉매를 채운 반응기에 열을 가하여 작동시키는 촉매 시스템, 자세히는 허니컴(honeycomb) 구조의 담체에 활성종 가스 산화용 촉매를 코팅한 형태로 개발되었다. 가스 처리환경에 따라 직접연소, 촉매산화 및 흡착을 통한 제거 등의 기술을 적용하고 있다. 촉매산화법은 일본에서 주로 개발되었으며, 1990년대 들어 에어포켓(AirProtekt), ICI 카탈코(ICI Katalco), 존슨 매티(Johnson Matthey)사와 같은 유럽과 미주 기업들도 기술개발과 사업화를 추진하고 있다.

■ 국내외 선도기관

병원체 제거 기술 개발은 국내의 경우 출연(연)과 학교를 중심으로 선행연구가 수행되고 있으며, VOCs 제거 기술은 대부분 기업을 통해 개발되어 상용화 되고 있다. 국외의 경우 병원체 제거 기술을 연구개발하는 기관은 중국 내 대학에 다수 분포하고 있었으며, 미국, 유럽, 일본 등 선진국에서는 대부분 기업 주도로 기술개발과 상용화가 진행되고 있다.

■ 산업 및 시장 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

프로스트&설리번(Frost&Sullivan) 보고서 “Indoor Air Purification Technologies, Forecast to 2020”에 따르면, 사람들은 실내에서 90%의 시간을 보내고, 건강이 취약한 노인, 환자 및 유아는 더 많은 시간을 보내기 때문에 오염된 실내공기가 더 많은 해를 끼칠 수 있다고 보고하였다. 소득 수준 향상, 실내 공기질의 중요성에 대한 인식 강화, 저비용이지만 효율적인 실내공기 관리 기술을 상업화하려는 제조업체 등의 요인이 산업과 시장의 성장을 주도하고 있다.

2) 기업 현황

국내의 소재 분야는 환경부, 산업통상자원부, 한국공기청정협회 등에서 수행하는 인증에 통과하는 일에 주안점을 두고 있는 상황이다. 관련 업체로는 KCC, 한화케미칼, GSI, 쌍용, 삼성, 넥센, LG, 현대자동차, 웅진코웨이, SK에너지 등의 대기업이 있으며, 중소기업으로는 평산, 영일, 덕원산업, 현진소재, 삼호조선, SLS중공업, SF, 남전물산, 비엔이테크(주), 한주나노, 코아텍, ㈜엘퓨텍 ㈜네오원 등의 중소기업이 있다. 이외에도 ㈜퓨어스피어는 정수·하수 처리장에서 유해물질 처리 후 잔존하는 오존을 제거하기 위한 펠릿(pellet)형 촉매를 개발하고 있으며, ㈜세라컴은 반도체 공장, 폐수처리 등에 적용하기 위해 세라믹 담체에 코팅된 오존 처리 촉매를 개발했다. ㈜에코프로는 마이크로웨이브를 이용한 유기화합물 제거 시스템 개발하였으며, ㈜엔티시, ㈜희성촉매 및 ㈜엔바이온에서는 배출 VOC 제거 장치, 공단 내 비연속 배출 VOC 저감 촉매, 촉매산화를 이용한 VOC 저감 기술을 개발하고 있다.

현재 국내 대기오염물질 제어기기의 매출구조는 제조업의 매출규모가 가장 크며, ‘13년 기준 3조 6,585 억원으로 전체비중의 60.3%를 차지한다. 상기 대기오염물질 제조기기 제조업에는 기체취급기기, 촉매컨버터, 화학적 복구시스템, 집진기, 세정기, 악취 방지 및 제거장비 등의 항목이 포함된다.

‘14년 통계청자료에 의하면, 대기 환경분야의 종사자 규모는 소총 36,965명이며 ‘14년 기준 대기오염 물질 저감 및 제거장치 관련한 전체 사업체수는 2,539개다. 연평균 성장률은 대기업이 3.0%, 중기업이 3.6% 및 소기업이 5.2%를 차지한다.

■ 산업 및 시장 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

실내공기질 관리 시장은 국가별 공기질 상황에 따라 다른 이유로 점점 중요 해지고 있다. 미국의 경우, 미국천식재단(American Asthma Foundation)에 따르면 천식은 미국에서 어린이들에게 가장 흔하게 발생하는 질병이며 매년 증가하는 추세이고, 천식으로 인해 연간 약 3,500 명의 사람들이 사망한다. 미국 공기 청정 시장은 차량 오염 증가와 대기 오염에 대한 인식 증가로 인해 전 세계적으로 가장 큰 시장 중 하나가 되었다.

유럽의 경우 2010년 세계보건기구(WHO)가 유럽 지역의 대기 오염으로 인한 질병 및 사망자는 1조 6,000억 달러의 경제적 손실을 초래했다고 보고했다.

따라서 유럽 역시 소득 수준의 증가와 건강한 생활 방식에 대한 우려로 가까운 장래에 공기 정화 시장을 이끌 것으로 예상된다. 아시아와 환태평양 지역 국가들에서도 실내공기질 관련 산업의 수요가 급증할 것으로 예상된다. 인도네시아에서 매년 발생하는 농업 화재는 싱가포르, 말레이시아, 태국 남부와 같은 동남아시아 국가들에 영향을 미치는 끔찍한 연무를 초래하여 외기뿐만 아니라 실내 공기도 오염시킨다. 중국과 인도는 심각한 대기 오염을 겪고 있으며 이들 국가의 실내 공기질에도 영향을 주었다.

다중이용시설 실내공기질 관리가능 개념 개발

고풍속 대용량 공기처리, 에너지 소비 최소화

세계 도시지역에 거주하는 인구 중 약 45%는 과민성 반응 또는 알레르기로 고통 받고 있으며, 상기 현상의 주된 원인은 질소산화물, 지상 오존, 미세먼지, 꽃가루와 같은 오염물질에서 기인한다. 휘발성 유기화합물, 초미세먼지, 부유세균, 박테리아, 병원체(곰팡이 등), 중금속 등의 오염물질 발생이 지속적으로 증대하고 있는 추세이다. 세계보건기구(WHO) 조사 자료에 따르면, 매년 전 세계적으로 한해 200만 명이 실내공기 내 유해물질 노출에 따라 조기 사망에 이른다고 보고되고 있어, 실내공기 내 유해물질 저감 기술 또는 제품에 대한 중요성이 부각되고 있는 추세다. 특히 중국의 경우, 2015년 12월 JJL(Jones Lang LaSalle, 미국) 보고서에 따르면 실내공기 오염으로 인해 연간 발생하는 사망자 수가 160만 명에 이른다. 매년 심각해지고 있는 대기 환경 및 이와 연동된 실내 환경의 질 개선에 대한 요구가 급증하는 반면 중국 내 공기청정기의 보급비율은 1% 정도로, 향후 실내 공기 내 유해물질 저감 기술 또는 제품에 대한 폭발적인 시장 성장이 예측된다.

세계 공기정화 시장은 지난 10년간 연평균 7% 정도의 매우 빠른 속도로 성장해왔으며, 앞으로도 평균 성장속도에서 큰 성장을 보일 것으로 예상된다. 2010년경에는 미국 27%, 유럽 42%, 한국과 일본이 17%정도를 차지하고 있었으나, 2012년 이후 중국시장이 급부상 하면서 2014년 3조 2,708억 원 규모에 연평균 성장률이 40%인 공기청정 시장을 형성하여 현재는 세계에서 가장 큰 시장이 되었다.

실내 환경 오염물질 저감 기술 및 제품 분야 세계시장 현황을 더 자세히 살펴보면, 공기 청정기의 실제 성장률은 2013년 이후 16.1%로 나타나고 있으며, 필터 등 기타 분야에서도 4%의 성장률을 기록하였다.

전 세계 공기 정화 시스템 시장을 구성요소별로 살펴보면 HEPA 부문이 가장 도드라져 보인다. HEPA 부문은 2015년 61억 달러를 기록하여 가장 큰 비중을 차지하였으며, 연평균 성장률이 7.43%로 예상되므로 2020년에는 87억 3,000만 달러에 이를 것으로 예측된다.

2) 기업 현황

실내공기 중 병원체 제거 기술은 미국, 일본, 유럽 각 지역의 기업들이 다양한 기술을 응용하여 제품화하였다. 미국 아키다홀딩스(Akida Holdings LLC)사와 NASA가 개발한 기술인 에어로사이드(Airocide) 공기 정화 기술은 광촉매 산화를 기반으로 공기 중 유기 오염물질을 끌어 들여 속이 빈 유리관을 통해 산란시킨다. 이 유리관에는 이산화 티타늄이 함침 되어 오염 물질이 튜브에 닿으면 유기물이 파괴되어 미생물을 살균할 수 있다. 이 기술은 학교, 수술실, 실험실, 식품 가공 산업 및 가정에 보급되고 있다. 일본 샤프(Sharp)사의 플라즈마 클러스터(Plasma cluster) 기술은 자연 발생 이온과 유사한 양이온 및 음이온을 발생한다. 이온은 곰팡이 포자, 세균, 바이러스 또는 알레르기 항원의 표면과 충돌 할 때만 OH-로 변환되며 OH-는 오염 물질의 표면 단백질을 분해하고 물을 대기 중으로 방출하여 미생물을 살균한다. 파나소닉(Panasonic)사는 정전 미립화된 물을 사용하여 나노이(nanoe)라고 불리는 나노 크기의 대전 입자를 생산하는 공기 청정기를 개발하였다. 나노이(nanoe)는 실제로 반응성 물질과 전하를 포함하는 약산성 물방울이며, 물방울이 바이러스를 포획할 때, 내부의 OH- 라디칼이 바이러스로부터 수소 원자를 추출하고 물방울을 형성하여 바이러스를 파괴한다. 영국의 헤븐 프레시(Heaven Fresh)사는 스마트 공기 청정기 인 HF 380A를 설계 및 제조한다. Heaven Fresh사는 프리 필터, 정전기 플라즈마 어레이, 활성탄 필터, HEPA 필터, TiO2 광촉매 산화 필터, UV 광 및 음이온으로 구성된 7 상 공기 정화 시스템을 판매하고 있다. 감지된 공기의 질에 따라 정화 강도를 조정하는 냄새 센서와 스마트 모니터링 센서가 특징으로, 공기질에 맞는 정화 강도를 제공한다. 독일 막스플랑크 연구소는 공기 대기압 플라즈마를 이용해 질소-산소 활성종을 발생시켜 미생물(microorganism) 및 포자(spore)를 제거하는 기술을 연구 중이며, 의료 분야로 확장하기 위한 기술을 개발하고 있다.

실내공기 중 VOCs 제거 소재 분야는 크게 메트로 페인트(Metro Paint), 듀폰(DuPont), 미쓰비시 화학(Mitsubishi chemical) 등의 화학제품회사, 도요타 사, 미쓰비시(Mitsubishi), 도시바(Toshiba) 등의 자동차, 제너럴 일렉트릭, 엑슨모빌 화학(ExxonMobil Chemical), 히타치(Hitachi), 일생바이오(Nissei Bio), JFE 엔지니어링 등 전자회사에서 주도하고 있다. 원료자체의 독성 및 유해성분이 없는 물질로 기존 자재를 대체할 수준의 성능을 보여줄 수 있는 소재 개발과 제품에 코팅하는 물질 자체에서 방출되는 유해물질의 양이 현저히 낮거나 없는 물질에 대한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 관련제품으로는 대나무 활성탄, 냉장고플라스틱 사출물, 집진기, 집진기용필터, 하수관 및 상하수 관리 기술, 유증기 회수장치, 열교환기, 활성탄, 흡착제, 공기청정기, 라비타 에어링 등이 있다.

이외에도, 바스프(BASF, 독일) 사는 항공기 실내용 데옥소 오존 컨버터(Deoxo™ Ozone Converter) 개발 및 배기가스 및 유해가스(VOCs 등) 처리용 촉매 기술 개발하였으며, 카루스(Carus, 미국)사는 코로나 처리 시 생성된 오존을 제거하기 위한 MnO2/CuO 기반의 입상 또는 분말상의 카룰라이트(CARULITE) 산화물 촉매를 개발하였고, 니키 유니버셜(Nikki-Universal, 일본) 사는 골판지 허니컴(corrugated honeycomb) 구조의 담체에 오존 산화촉매를 코팅한 촉매를 개발하고 있다. 또한, 존슨 매티(Johnson Matthey, 영국) 사는 배기가스 후처리 시스템 및 이를 위한 촉매를 개발하고 있고, 에어클리어(Air Clear, 미국)사는 VOCs 등 다양한 유해가스를 처리할 수 있는 고효율의 산화촉매 CATOXTM을 개발하였다.

■ 국내외 선도기업

실내공기 중 병원체와 VOCs 제거 기술 개발은 국내에서는 대기업을 중심으로 이루어지며, 국외에서는 다양한 규모의 기업에서 이루어진다.

■ 미래의 연구방향

1) 실내공기 중 병원체 제거용 소재 기술 연구 필요

국내 가정과 다중이용시설의 실내공기 중 VOCs 관리 기술은 기업 주도로 다수의 상용 제품이 판매되고 있는 반면 병원체 제거 소재나 시스템 기술은 HEPA 필터에 전적으로 의존하고 있다. 세균 살균이나 바이러스 비활성화가 가능한 오존, 자외선 등의 기술은 유해 활성종 배출, 처리 용량의 한계로 인해 아직 연구개발 단계에 머물고 있다.

현재 생산되는 상용 필터, 촉매, 플라즈마-이온처리 기술 등의 조합으로 실내공기 중 병원체를 안전하게 제거할 수 있는 제품 개발이 지속적으로 추진되고 있지만, 상용화를 위해서는 시간이 더 필요할 것으로 예상된다. 하지만 현재 국내의 실내공기질이 악화된 상태를 고려하면 병원체 제거 소재의 조기 상용화가 필요할 것이다. 이를 위해서는 기존 소재의 조합이 아닌 병원체 제거 기능에 부합하는 새로운 개념의 소재 개발을 기반으로 연구가 진행되어야 한다. 미세먼지, VOCs의 제거 방식과는 다른 병원체 제거를 위한 제거 공정 설계가 필요할 것이며, 이에 대응 가능한 기능성 소재 개발이 뒷받침 되어야 할 것이다. 향후 개발될 병원체 제거 소재와 시스템은 다중이용시설의 실내공기질 관리가 가능한 개념으로 개발되어야 한다. 이를 위해서는 고풍속으로 대용량의 공기처리가 가능해야 하며, 동시에 건물의 에너지 소비를 최소화할 수 있는 소재 특성과 시스템 사양이 반영되어야 한다.

2) 실내공기 중 병원체, VOCs, 미세먼지 제거용 소재 및 시스템 실증기반 구축 및 실증기술 연구 필요

실내공기질 관리를 위한 소재와 시스템을 상용화하고 운영하기 위해서는 실증이 가능한 설비에서의 성능 검증, 실적(track record) 확보, 고효율 운영 기술 개발, 내구성 평가, 인체 독성 평가 등이 모두 진행되어야 한다. 실내공기질 관리에 사용되는 기술은 사람의 호흡기 건강에 직결되는 문제기 때문에 인체 안전성을 충분히 검증해야 한다. 하지만 현재 실내공기질 관리 소재와 시스템의 실증을 위한 대규모 설비가 부족하여 개발 제품의 충분한 안정성 검증이 어렵고, 품질관리를 위한 표준과 인증 절차도 마련해야 하는 상황이다. 따라서 병원체 제거 소재와 시스템 기술 개발 뿐만 아니라 이를 실증하기 위한 기반 구축도 같이 병행되어야 개발 기술을 조기에 적용 가능할 것이다.

■ 정책 제언

1) 실내공기질 관리법과 기본계획 내 병원체 정책의 반영 필요

실내공기 중 대표적 오염물질로 알려진 미세먼지와 VOCs는 1차 실내공기질 관리 기본계획(2004-2008년), 2차 실내공기질 관리 기본계획 (2009-2013년)을 통해 관리 체계를 구축하였다. 하지만 병원체와 관련된 실내공기질 관리는 2018년 개정된 실내공기질 관리법에 곰팡이에 대한 권고사항이 추가된 수준이다. 이는 실내공기 중 병원체 관리를 위한 대응 기술이 부족한 현 상황에서 제도적 규제가 사실상 어렵기 때문으로 예상된다. 그러나 2015년 메르스(MERS) 사태와 같이 국민이 직접 체감한 병원체 관리 소홀로 인한 피해 사례가 증가함에 따라 실내공기 중 병원체 관리를 위한 국가적 합의 도출이 가능한 시점이라고 판단된다. 정부는 차기 실내공기질 관리 기본계획에 병원체 제거 관련 기술개발, 상용화, 민간 보급에 관련된 내용을 추가하고, 민간 보급을 위한 상용 제품 개발에 투자하는 기업의 동기 부여를 위해 최소한의 병원체 관리 규정을 신설하여 투자 기업의 매출 확보와 사업 확장에 대한 가능성을 제시해야 할 것이다. 또한, 관련 산업의 성장 가능성이 높으므로 산발적인 관련기업 창업과 제품 개발이 이루어질 수 있기 때문에 관련 연구기관들을 통해 정확한 제품 평가 지침과 최소 성능 등에 대한 규정을 조속히 마련해야 할 것이다.

▲ <그림 3-2-3-1>한국 상위출원인 출원동향

▲ <표 3-2-3-3>국내 논문 현황

▲ <표 3-2-3-4>해외 기술 대표 특허 목록

▲ <표 3-2-3-5>국내 VOCs 제거 관련 연구개발 기관 현황

▲ <표 3-2-3-6>국내 VOCs 제거 관련 논문 현황

▲ <표 3-2-3-7>활성종 가스와 VOCs 제거관련 해외 주요 연구 기관 및 내용

▲ <표 3-2-3-8>실내공기 중 병원체 및 VOCs 제거 기술-국내선도연구기관

▲ <표 3-2-3-9>실내공기 중 병원체 및 VOCs 제거 기술-해외 선도연구기관

▲ <표 3-2-3-10>실내공기 청정, 관리 기술 국내시장 규모 및 전망

▲ <표 3-2-3-12>실내공기 중 병원체와 VOCs 제거 기술-국내 선도기업

▲ <표 3-2-3-13>실내공기 중 병원체와 VOCs 제거 기술-해외 선도기업