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신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2018(21)-제2장 청정한 대기를 위한 소재기술-악취 저감용 소재기술(3)-목영선(제주대학교) - 악취 시장 확대, ‘규제’ 관건
  • 기사등록 2020-08-21 16:15:24
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재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 10번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘국민생활문제 해결용 소재’다. 재난재해 방지를 위한 소재기술, 청정한 대기를 위한 소재기술, 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술, 생활안전을 위한 소재기술 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2018’을 연재한다.

악취 시장 확대, ‘규제’ 관건


■ 산업 및 시장 국내 동향


1) 시장규모 및 전망


한국의 악취관련 시장 규모는 휘발성 유기화합물 정화 분야에서 몇몇 제품이 출시되기 시작하는 정도이다. 그러나 최근 대기환경보전법의 강화로 악취 유발업체의 과징금이 상승되고 있어, 향후 악취처리 관련 시장규모는 크게 성장할 것으로 예상된다.


활성탄소섬유의 경우는 국내의 생산기반이 부족하여 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이며 활성탄소섬유 수입량은 해마다 큰 폭으로 늘고 있는 상태이다. 미국의 대(對) 한국 수출액은 2000년도에 171만 7천불, 2001년도에 183만 5천불, 2002년도에 230만 3천불에서 2003년에는 413만불로, 금액은 크지 않으나 지속적으로 증가하는 추세다. 특히 2003년에는 2002년 대비 79.4%의 증가율을 기록하였다.


하이브리드 나노흡착제가 개발된 이후, 산업 및 가정용 제습기, 건조기, 에어컨, 공기청정기, 석유화학 흡착제 및 촉매 등에 광범위하게 사용되고 있다. 이렇게 기술의 활용범위 및 적용제품의 범주가 커지고 있으니, 관련 기술에 대한 시장성이 대폭 확대될 것으로 전망된다. SNS Telecom의 보고서(2014)에 따르면 2013년 69억 6,700만 달러이던 나노 흡착제 시장규모는 2018년 79억 7,000만 달러로 2.73%의 연평균 성장률을 나타낼 것으로 보인다.


국내의 광촉매 산업을 분야별로 구분하여 보면 원료분야(23.5%), 대기환경(18.2%), 수질정화(14.7%) 등으로 적용분야가 매우 다양하다. 우리나라의 광촉매 재료 시장규모는 2007년 약 664억원 규모이며, 2012년 1,801억원 규모까지 증가한 바 있다(KISTI 산업정보분석실). 광촉매 적용시장은 광촉매 페인트, 건축자재, 생활용품, 가전제품 등이 포함되고, 원료시장은 상대적으로 응용제품 시장보다 규모가 작으나 원료 중 실내외 코팅시장에 사용되는 광촉매 코팅용액의 경우는 시장이 확대될 것으로 예측된다. 국내 광촉매 시장은 아직 미미하여 국내에서 유통되고 있는 광촉매 재료는 일본 이시하라 산교(Ishihara Sangyo)와 독일의 에보니크 산업(Evonik Degussa) 등의 수입제품(분말형)이 대부분이다.


국내의 광촉매 시장은 성형체를 제외한 분산재료의 시장만 형성되어 있으며, 광촉매 원료 시장은 수십 톤 정도로 일본에 비해 작은 규모이나 관련 제품 출시 및 연구개발이 진행되어 향후 시장이 성장할 것으로 예측된 바 있다. 광촉매 원료시장은 응용제품보다 상대적으로 시장 규모가 작으나, 원료 중 실내외 코팅 시장에 사용되는 광촉매 코팅용액의 경우 분말 시장보다 큰 시장을 형성하며 지속적으로 시장 규모가 확대될 것으로 예측된 바 있다.


2) 기업 현황


악취처리 관련 기술은 우리나라 기술이 국내 시장을 선점하고 있는 상황이다. 국내는 각종 배출기준이 높고, 민감한 민원발생 소지를 줄 수 있는 악취관련 문제를 줄이기 위한 악취방지 및 악취 처리장비에 관한 수요가 높아 활발한 연구와 기술개발을 유도하고 있다.


국내 나노흡착제와 산화촉매 기술과 관련된 주요 기업으로는 에코프로(주), 코스모촉매(주) 등이 있다. 환경 및 에너지 문제를 동시에 해결하여 다양한 오염물질의 처리가 가능한 나노기술 기반의 응용제품 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내외 시장 진입을 위해 관련 기업과 대학, 연구소 등이 협력하여, 보다 높은 표면적과 균일하고 작은 기공 크기를 갖는 나노 소재 활용의 오염물질 선택성 흡착제 연구개발에 몰두하고 있다. 또한, 대학과 연구소에서는 다기능 소재 개발이라는 목적 하에 친환경 나노 흡착제의 소재개발연구가 진행되고 있으며, 안정적 원천 기술을 확보를 위한 산·학·연 협력의 공동연구도 지속적으로 증가하는 추세이다.


국내의 악취처리 업체는 주로 화학 및 건설 관련 업체로 LG건설, 효성화학, 삼성엔지니어링 등이 있으며 바이오필터 위주의 사업을 하고 있다. 중소기업군으로는 아일랜드의 보드나모나(Bord Na Mona)사에서 국산화 기술이전을 받은 엑센, 독일의 엔비 공정공학(Envi Verfahrens·technik)사와의 기술제휴를 통해 국산화에 성공하여 폐수처리장과 하수처리장, 쓰레기 적환장에 탈취 설비로 운전한 실적이 있는 엔비시스템, 산업단지 등에서 발생하는 악취와 유해가스 등을 2차 오염 없이 완벽하게 제거하는 바이오필터를 자체 개발한 카보텍, 바이오톤(Bioton) 기술을 보유한 몬산토코리아(주), 코리아텍바이오의 CM-탈취제, (주)에이치앤씨앤의 촉매산화기(catalytic oxidizer) 등이 있다.


(주)네오포텍의 허니컴 형상 광촉매를 이용한 악취 분해 정화 기술은 과학기술정보통신부로부터 신기술 인증을 받았으며 매우 독자적인 기술로 평가받고 있다. (주)네오포텍은 일본의 업체와 제휴하여 기술력을 강화하는 동시에 해외 영업망을 구축하였다.


건축물의 공조설비에서 유기물을 제거하기 위하여 가장 많이 활용되는 기술은 주로 활성탄을 흡착제로 이용하는 방법으로써 악취와 먼지의 제거에도 효과가 있다. 대표적인 상위출원인으로는 엘지전자, 삼성전자, 웅진코웨이, 위니아만도 등 가정용 공기청정기 제조업체와 현대자동차 등 차량용 공기정화기 관련업체가 포함되어 있다. 최근 공기조화기기의 필터에 광촉매를 적용하는 기술이 제품화되어 있으나 적용범위가 제한적이다. 많은 가전제품회사에서 광촉매 필터를 이용한 공기정화기 개발을 진행하고 있으며 자동차회사에서도 광촉매 필터를 적용하여 차량 내부 공기를 정화하는 시스템을 장착한 자동차가 출시되고 있다. 광촉매의 표준화와 관련하여 2008년에 KS L ISO 22197-1:2008 "파인세라믹스-반도성 광촉매 재료의 공기정화 성능 측정방법-1부: 산화질소 제거”의 표준이 제정된 바 있다.


■ 산업 및 시장 해외 동향


1) 시장규모 및 전망


일본은 “순환사회구축형 광촉매산업 창성 프로젝트”를 통해 가시광 광촉매에 대한 연구를 수행하고, 광촉매의 새로운 기능을 통해 신산업을 창출하기 위한 연구에도 참여하고 있다. 특히 정부 주도로 3단계 WENET 프로그램을 통해 광촉매 연구를 적극 지원하고 있으며 각종 산학협동 연구를 통해 개발이 이루어지고 있다. 광촉매 산업은 일본이 가장 발달하여, 일본 내 광촉매 업체는 1,000여개 이상으로 세계 광촉매 산업을 주도하고 있다. 일본의 광촉매 적용분야별 시장규모는 <표 3-2-4-8>과 같다. 광촉매의 시장규모가 가장 큰 분야는 환경촉매 분야이나 탈취 분야에서도 상당히 큰 시장을 형성하고 있다.


광촉매 제품의 전 세계 시장은 2009년 8억 4,800만 달러에서 연평균 14.3%씩 증가하여 2014년에는 17억 달러로 성장할 것이라 예측한 바 있다.


광촉매 시장 구조는 이산화티타늄 분체 등의 1차 원료시장, 코팅재 등의 2차 원료시장, 그리고 1, 2차 원료를 이용한 제품시장으로 이루어져 있다. 응집제의 세계시장은 2014년 기준 약 57억 달러이며, 2018년에는 약 71억 달러로 연평균 5.7%씩 증가할 전망이다.


일본의 산업체 및 공공시설에 설치된 악취제거시스템 시장 규모 현황은 <표 3-2-4-9>와 같다. 가장 많이 설치된 악취제거 시스템은 탈취제세정방식(deodorant sprinkling)이며, 그 다음이 흡착으로 총 492기가 설치되어 있다. 2001년 기준 악취제거 설비의 총 설치비용은 2억 1,600백만 엔이고, 이중에서 흡착이 거의 절반에 가까운 9,300백만 엔으로, 이 자료를 통해 악취제거에 있어서 흡착제 시장의 규모가 상당히 크고 발전 가능성이 있다는 사실을 알 수 있다.


하이브리드(hybrid) 나노 세공체 개발에 따라 나노 흡착제 및 관련기술의 산업적 활용도가 증대할 것으로 예상된다. 특히 국내 산업부분 에너지 소비량의 7%를 차지하는 산업용 건조기에 에너지 절약형 나노 흡착제를 사용하게 되었을 때 나타날 에너지 절감효과가 기대된다. 나노 흡착제 세계시장은 2013년 69억 6,700만 달러에서 향후 5년 간 연평균 2.73% 성장하여, 2018년에는 79억 7,000만 달러의 시장규모를 보일 것으로 예측된다. 고성능 탈취를 위해서 악취처리 분야에 나노 흡착제가 본격적으로 적용될 경우 이에 대한 시장도 점차 확대되어 큰 비중을 차지할 것으로 전망된다.


산업재를 전문으로 조사하는 기관인 프리도니아 그룹(Freedonia Group)의 최근 보고서에 따르면 미국의 활성탄소섬유의 수요는 2000년 기준 2억4천만 달러에서 2008년까지 매년 연평균 4.3%씩 증가하는 매우 좋은 시장으로 평가받고 있다. 한편 중국의 활성탄소 섬유 연구개발은 1970년대부터 시작되었다. 당시 원료 범위는 PAN, 석탄산 알데히드, 아스팔트 직물, 레이온 직물 등이었지만 연구개발 수준이 낮아 독립적인 공업부문을 형성하지 못하였다. 활성탄소섬유의 본격적인 생산이 시작된 것은 1980년대 이후 들어서였으나, 생산업체는 수십 개에 지나지 않았고 주로 수처리 방면에만 사용돼 체계적인 생산방식을 갖추지 못하고 있다. 중국의 활성탄소 섬유 수요량은 2002년 2,000톤, 2003년 2,300톤을 넘어섰으나, 2002년 생산량은 약 150톤, 2003년 생산량은 170톤 수준에 불과해 전체 수요의 90% 이상을 수입에 의존하고 있다. 수요 증가율은 매년 15% 이상으로 예측되므로, 수입 의존도가 보다 높아질 가능성이 있다.


2) 기업 현황


외국의 대표적인 악취처리기술업체로는 에어사이언스(AirScience), MGL 테크놀로지(MGL Technologies), 아메텍(AMETEK), 로트론 생물여과 프로듀스(Rotron Biofiltration Produce), Milieu Partners BV, BBK 바이오 클리너(BBK Bio Cleaner), 마이닝 코퍼레이션(Mining Co.), 바이오렘 테크놀로지(Biorem Technologies) 등이 있다. 캐나다의 Green Earth Nano Science, Inc.는 나노 광촉매 기술을 이용하여 악취처리, 실내공기 정화, 배기가스를 처리하는 제품을 개발하여 판매 중에 있다. 일본의 유니티카(UNITIKA) 사는 기능성 소재 생산을 전문으로 하는 회사로서 활성탄소섬유(activated carbon fiber, ACF) 소재 사업부를 별도로 운영하고 있으며, ACF를 다양한 악취물질 제거(암모니아, 트리메틸아민, 황화수소, 메틸메르캅탄, 아세트알데히드, 톨루엔, 자일렌, 스티렌 등)에 적용하고 있다. ACF 제품은 다양한 형상 및 크기로 이용 가능하며 UNITIKA의 웹사이트(www.utika.co.jp)에 소개된 암모니아, 황화수소 등의 각종 악취 제거성능은 <그림 3-2-4-10>과 같다.


일본, 유럽 등은 광촉매를 응용한 제품에 대한 특허를 선점한 상황이며, 광촉매 연구개발, 상품화(포장 콘크리트, 건축 및 건설자재, 보도블록) 등이 진행됨과 동시에 성능평가, 표준화 연구도 동시에 수행되고 있으나 국내의 경우 독자적인 기준이 부재하여 일본의 JIS를 응용하는 상황이다. 따라서 외국 기업과의 시장 경쟁을 위해서는 연구개발을 통한 기술격차 해소뿐만 아니라 독자적인 성능평가 방법 및 표준화 방안도 함께 이루어져야 한다. 외국의 대표적인 광촉매 상용화 기업으로는 일본의 이시하라 산교(Ishihara Sangyo)사, 독일의 STO사 및 FCN사, 이탈리아의 이탈체멘티(Italcementi)사 등이 있다.


규제 강화해야 판로 확대·소재 개발 수익성 향상

기존제품比 개선된 성능 기반 가격경쟁력 키워야


■ 미래의 연구방향


1) 다공성 나노 복합체


다양한 유기/무기 악취를 고효율로 제거하기 위해서는 흡착제별 특성을 서로 보완해줄 필요가 있다. 악취는 여러 가지 물질이 섞여 복합적으로 작용하는 경우가 많으므로 처리하고자 하는 물질들의 물리화학적 특성과 흡착 특성을 고려하여 2종류 이상의 흡착제 사용을 통해 흡착특성을 개선할 수 있다. 활성탄, 탄소나노섬유, 제올라이트 등을 결합하면 완벽한 악취제거가 가능하다. 일반적인 활성탄은 대체로 비극성에 가깝기 때문에 알데히드류나 아민류와 같은 극성 화합물의 흡착 성능은 좋지 않다. 현재 복합 흡착제를 이용한 악취 저감에 대한 연구가 미흡하며 실적용 사례도 거의 찾아보기 어려운 실정이므로, 이에 대한 연구가 필요하다.


2) 나노 다공성 흡착제와 상온 촉매 복합 소재 개발


일반적인 산화촉매는 활성화 에너지 장벽을 극복하기 위하여 고온에서 운전되고 있으나, 악취발생개소의 대부분은 상온에서 악취를 배출하고 있으므로 저온에서 악취를 저감할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 나노 다공성 흡착제에 오존 등에 의해 상온에서도 활성화되는 촉매를 코팅하고 여기에 플라즈마 기술이나 오존기술을 접목하면 고성능 악취제거가 가능하다.


촉매산화법에는 낮은 온도 범위에서 촉매의 내구성을 향상시키는 연구와 값비싼 귀금속 촉매 대신에 저렴한 비귀금속 촉매를 사용하는 연구가 필요하다. 자외선이나 플라즈마를 이용하면 상온이나 그 근처의 온도에서도 악취를 효과적으로 산화처리 할 수 있다. UV나 저온 플라즈마에 의한 산화공정은 일반적으로 강력한 UV나 저온 플라즈마의 충격을 통하여 공기나 산소를 해리하고, 이온화 및 여기의 과정을 거쳐서 화학적으로 활성이 풍부한 자유라디칼(free radical)을 형성한다. 즉 수산기 라디칼이나 산소 라디칼을 형성하여 악취를 산화시켜 제거하는 것이다. 이러한 고차산화방법은 흡착이나 흡수 처리 후에도 여전히 잔존하는 악취 제거에도 널리 활용될 수 있다.


3) 가시광 광촉매


TiO2가 가시광선에 의해 활성을 나타내게 하기 위하여 금속 이온이 첨가된다. 높은 에너지의 금속 이온들을 이산화티타늄에 첨가할 경우 내부의 전하 생성 메커니즘이 개선될 수 있다. 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 와 니켈(Ni)과 같은 다양한 전이금속이온을 도핑하면 이산화티타늄의 흡수 띠 간격을 가시광선 영역으로 확장시킬 수 있다. 질소 도핑에 의한 이산화티타늄의 성능 향상이 많은 연구에서 보고되고 있기도 있다. 광촉매의 합성 방법 또한 촉매 성능에 크게 영향을 미친다. 격자에 퍼져있는 크롬 이온과 공극에 있는 타이타니아 결정이 상호 작용하기 때문에, 한 단계만을 거쳐 합성된 Ti-Cr 광촉매는 여러 단계를 거쳐 합성된 경우에 비해 광촉매 활성이 높다.


■ 정책 제언


1) 정부의 적극적 지원


초다공성 하이브리드 나노세공체 소재는 악취제거 뿐만 아니라 다양한 산업에 핵심 원천소재로 응용하고 활용할 수 있는 분야가 광범위하다. 그러나 선진국에 비해 원천기술 보유가 미흡하고, 소규모 소재기업의 기술력과 수익성이 부족한 실정이다. 중소기업의 사업화 진입장벽은 보유기술에 대한 신뢰성 확보와 밀접한 관련이 있으므로, 원천기술을 확보하고 신뢰성이 높은 제품을 개발하는 것뿐만 아니라, 정부차원의 신뢰성 보증 관련 정책, 기술개발, 사업화 및 소재 부품 판로확대에 대한 일련의 정책적인 지원이 요구된다. 그밖에 악취방지법을 강화시키는 것도 필요하다. 현재 공업지역 이외에서는 악취 배출허용 기준이 지켜지고 있지 않은 실정이다. 예를 들어 악취의 주배출원인 축산시설에 대해서는 전혀 규제가 실시되고 있지 않다. 악취배출을 엄격히 규제할 경우 관련 시장의 판로가 확대될 것이며, 따라서 소재 개발 기업의 수익성이 좋아질 뿐만 아니라 신제품 개발도 원활히 이루어질 수 있다.


2) 사업화 진입 장벽 해소


국내 환경 소재 기술 및 시장은 글로벌 업체와 비교했을 때 상대적으로 잘 형성되어 있지 않다. 특히 첨단 나노 소재 분야는 중소기업에게 사업화 진입장벽이 매우 높은 편이다. 따라서 관련 원천기술 확보를 위한 관련 기술도입과 관련제품 수익성 개선을 위한 적극적인 투자가 필요하다. 또한, 관련 시장 선점을 위해서는 지속적인 R&D 투자를 통한 기술개발과 개선을 통해 응용분야에 적절한 제품을 선도하려는 시도가 필요하다. 글로벌 기업들과 승부할 수 있는 친환경 기술력 및 생산성, 경제성 확보를 위해 공격적으로 연구개발을 하다보면 환경규제를 충족할 수 있는 소재를 생산하여 시장점유율을 증대시킬 수 있을 것이다. 중소기업의 기술개발 여건을 개선하고 사업화 진입장벽을 해소하기 위해서는 대기업과 중소·중견기업 간 또는 중소기업-출연연구소 간의 기술 및 사업화 협력을 강화해 나가야 한다. 그밖에 기술수요가 높은 친환경 생산기술과 접목하여 기존제품에 비해 개선된 성능을 기반으로 가격경쟁력을 키워야 한다. R&D 투자로 기술력을 확보하여 경쟁력 있는 제품을 개발하는 것이 선행되어야 하고, 환경산업에서의 나노흡착제 및 촉매 소재 기술의 중요성을 적극적으로 홍보해야 한다.


3) 해외시장 진출


환경산업용 나노소재(흡착제와 촉매)와 이들 소재를 활용하여 시스템화하는 기술이 전 세계적으로 큰 관심을 받고 있는 상태다. 따라서 환경산업에 광범위 하게 사용될 수 있는 정화용 나노흡착과 촉매기술에 대한 넓은 활용성을 기반으로, 실제로 적용할 수 있는 제품을 개발해야 한다. 악취저감 소재에 대한수요는 아무래도 개발도상국보다는 선진국이 높으므로, 관련 제품을 악취저감에 특화시키는 전략을 통해 선진국 시장에 진출하는 방안을 고려해야 한다. 기존기술에 대한 혁신 및 기술 신뢰성 확보를 바탕으로 환경에 대한 관심이 가장 높은 미국, 유럽 등의 시장에 진출을 시도할 수 있다. 신흥국인 중국도 환경 관련 기술에 대한 수요가 급격히 증가할 것으로 예상되므로 중국 시장 진입과 시장점유율을 점진적으로 늘리려는 전략이 필요하다.

▲ <표 3-2-4-8>일본의 광촉매 적용분야별 시장규모(2005년)


▲ <그림 3-2-4-8>세계 응집제 시장규모 증가 추이


▲ <표 3-2-4-9>악취제어시스템 시장 규모 평가


▲ <그림 3-2-4-9>세계 나노 흡착제 시장규모(단위 : 백만 달러)


▲ <그림 3-2-4-10>일본 UNITIKA 제품의 각종 악취 제거 성능


▲ <표 3-2-4-10>악취처리관련 흡착제 및 촉매 소재기술-국내 선도기업


▲ <표 3-2-4-11>악취처리관련 흡착제 및 촉매 소재기술-해외 선도기업


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