고분자 분리막, 국가 주도 체계적 연구 必

■ 고분자 분리막 소재 연구개발 동향-나노여과 및 역삼투 분리막

1) 국내 동향

국내의 역삼투막 분리막 제조사로는 LG화학이 유일하다. LG화학은 2014년 미국의 나노H2O(NanoH2O)사를 인수하여 국내에 라인을 증설하는 등 본격적으로 해수담수화용 역삼투 분리막을 생산하고 있다(표 3-3-1-6). NanoH2O의 핵심 기술력을 바탕으로 세계 3사인 다우 케미칼(Dow Chemical, 미국), 하이드러노틱스&닛토(Hydranautics&Nitto, 미국) 및 토레이(Toray, 일본)가 견고하게 버티고 있는 수처리 필터 분야에 도전장을 던졌다. LG화학의 주요 분리막 재질은 폴리아마이드(polyamide, PA)이다. 폴리아마이드는 염제거율 및 수투과도가 높고 내화학성이 강하며 박테리아에 대한 내오염성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 나노여과 분리막의 경우 기술력의 부재로 인해 현재 생산되고 있는 제품이 없다.

2) 해외 동향

국외의 경우, 나노여과 분리막을 제조하는 회사로는 Dow Chemical을 비롯하여 Koch, Hydranaurics&Nitto, GE Power&Water, TriSep, AMI 등 미국 회사들이 독점을 하고 있는 실정이다(표 3-3-1-7). 분리막의 특징은 온도허용범위가 35, 45, 60, 70oC로 다양하고, 모듈 제조 방법에 따라서 분리막의 면적이 다양하다는 점이다. 분리막 소재로는 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate, CA)와 폴리아마이드를 많이 사용하였다. 제품의 종류에 따라서 운전 압력(15∼41 kgf/cm2)과 염제거율(20∼99%)이 다양하다.

역삼투 분리막의 제조로사로는 Dow chemical(미국), Toray(일본), GE power & Water(미국), TriSep(미국) 등이 있다. 과거에는 셀룰로오스 아세테이트 재질을 썼지만 현재는 대부분 폴리아마이드 재질로 바뀌었다(표 3-3-1-8). 제조 회사별로 다양한 염 제거율을 가지는 분리막 제품이 있고, 2.5 inch에서 16 inch까지 다양한 모듈이 생산되고 있다. 그 중 8 inch 모듈이 가장 많이 생산된다.

■ 국내외 선도기관

국내 수처리용 분리막 연구는 일부 대기업, 중소기업, 연구소 및 학교에서 다양하게 진행되고 있다. 하지만 시장성이 낮다는 단점 때문에 규모가 작은 연구들이 진행되고 있는 실정이다. 코오롱, 롯데케미칼, 효성, H2L, 퓨어엠비텍 기업을 중심으로 수처리용 분리막 중에서도 정밀여과 및 한외여과 분리막 제조 연구가 이루어지고 있다(표 3-3-1-9). 하지만 여전히 선진국의 기술과 비교했을 때 국내 기술이 많이 부족한 것이 현실이다.

국내의 나노여과 및 역삼투 분리막의 연구 및 제조는 웅진케미칼 기업이 주도하고 있다가 도레이(Toray)사에 인수 합병되어, 현재는 LG화학이 역삼투 분리막 제조 분야를 선도하는 기업이 되었다.

학문적 관점에서는 고려대학교, 한양대학교와 한국화학연구원에서 나노여과 및 역삼투 분리막 소재 제조와 관련하여 학계에 많은 연구 결과들을 보고하고 있고, 이 분야의 선도적인 연구 기관 역할을 수행하고 있다.

국외의 경우, 미국의 분리막 제조 선도기관으로 다우 케미칼(Dow Chemical), 하이드러노틱스&닛토(Hydranautics&Nitto), GE 파워&워터(GE Power&Water) 등의 기업이 있고, 주로 나노여과 및 역삼투 분리막 제조와 관련하여 세계 최고 기술을 보유하고 있다(표 3-3-1-10). 미국과 마찬가지로 일본도 아사히 카세이(Asahi Kasei), 토요보(Toyobo), 미쓰비시(Mitsubishi) 그리고 도레이(Toray) 등의 기업이 분리막 기술 개발을 주도하고 있다. 이들은 역삼투, 정밀여과 및 한외여과 분리막을 이용하여 음용수를 제조하는 연구에 집중하고 있다. 유럽에서는 프랑스의 아쿠아수르스(Aquasource)사와 독일의 지멘스(Siemens)사가 정밀여과 및 한외여과 분리막을 비롯하여 나노여과 및 역삼투 분리막 분야의 선도기업으로 자리를 잡았고, 나노기술을 이용한 분리막 연구도 활발히 수행하고 있다.

■ 산업 및 시장 동향-국내 동향

1) 시장규모 및 전망

국내의 수처리 분리막 시장은 2020년까지 연평균 10% 이상의 고속 성장이 예상된다(표 3-3-1-11). 사용 가능한 수자원이 제한되어 있는 상황에서 물의 수요가 급격하게 증가하고 있고, 분리막을 이용한 기술이 경제성을 확보하면서 시장이 빠르게 확대되고 있기 때문이다. 또한, 제조 기술의 혁신적인 발전으로 기존에 처리하지 못했던 물질을 분리할 수 있게 되면서, 분리막 기술을 이용한 분리 기술의 응용 분야가 확장될 것으로 예상하고 있다. 특히 담수 분야에서는 10년 전보다 분리막의 가격이 1/4만큼 하락하였고, 전기 소모량도 절반 이상 줄었기 때문에 분리막을 이용한 분리 기술의 경쟁력이 높아지고 있다. 국내 부품 및 소재 시장에서 현재 분리막이 차지하고 있는 비율은 매우 낮지만, 차세대 기술로 인정을 받고 있어 수요가 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 그리고 해수담수화뿐만 아니라 정수처리, 하수처리 공정에서도 분리막을 적용한 공정들이 개발되고 있고, 안전한 물에 대한 수요가 증가하고 있어 분리막 소재 및 공정 분야도 가파르게 성장할 것으로 예측된다.

선진국 기술 격차 커, 꾸준한 투자 요구

실제 공정 적용 실용적 연구들 이뤄져야

2) 기업 현황

국내의 수처리 분리막 시장은 도레이케미칼이 주도하고 있으며, 최근 2014년 웅진케미칼을 인수하면서 성장세가 가속화되었다. 도레이케미칼은 일본계 기업으로 역삼투 분리막 제조 기술을 보유하고 있어 세계적으로 3위 정도의 수처리 분리막 생산 규모를 자랑하고 있다. 그리고 시노펙스(주)가 역삼투 분리막으로 식수원의 오염물질을 여과하는 시스템을 개발하여, 상수도의 보급이 어려운 지역에 상수도 시스템을 공급하는 사업을 확장해 나가고 있다. 시노펙스(주)는 2014년 스탠포드 연구 기관과의 공동 연구를 통해 역삼투 및 나노여과 중공사형 분리막을 제조하여, 시장에 진출하려고 노력 중이다. 코오롱 인더스트리는 대규모 상하수도 처리에 적용할 수 있는 멤브레인 모듈을 개발하는데 성공하였고, 이 기술을 튜브형태의 정수기, 혈액 투석 및 단백질 분리에도 적용하기 위해 노력하고 있다. 한편 LG화학은 역삼투 분리막의 제조 시설을 증설하여 세계 시장으로 나아가기 위한 고성능 제품과 공정 기술 개발에 투자를 아끼지 않고 있다.

■ 산업 및 시장 동향-해외 동향

1) 시장규모 및 전망

세계적으로 수처리용 분리막 시장은 높은 성장률을 보였다. 분리막 종류에 따른 시장 규모를 살펴보면, 정밀여과 및 한외여과 분리막 시장은 2011년 기준 약 2억 달러에서 2018년 약 4억 달러로 확대되었고, 나노여과 및 역삼투 분리막 시장은 약 9억 달러에서 2018년 24억 달러의 규모로 성장하였다(표 3-3-1-12). 주요 성장 요인으로는 인구 증가에 따른 음용수의 수요 증대, 분리막 기반의 담수화 시설 증가, 그리고 환경 기준의 강화를 들 수 있다. 향후 산업이 급속도로 발전하고 인구가 지속적으로 증가하고 있는 아시아-태평양 지역의 시장이 다른 지역에 비해 증가 폭이 클 것으로 예상된다.

2) 기업 현황

정밀여과 및 한외여과 분리막은 GE Water 사에서 30% 이상의 점유율을 확보하고 있으며, 북미, 유럽, 아시아 등 전역에서 사용량을 늘리고 있다. 이외에도 지멘스 워터(Siemens Water), 아사히 카세이(Ashahi Kasei), 쿠보타(Kubota) 순으로 다수 기업에서 개발연구를 수행하고 있다(그림3-3-1-1). 특히, 독일의 지멘스(Siemens)사는 베올리아(Veolia)에서 US필터(united states filter corporation)사를 통해서 사업을 확장하고 있고, 미국, 유럽, 중국, 싱가폴 등 아시아에서도 점유율을 꾸준히 높여나가고 있어 유럽의 고분자 분리막 선도기업 중 하나로 떠오르고 있다. 나노여과 및 역삼투 분리막 시장에서는 다우 케미칼(Dow Chemical)과 닛토덴코-하이드러노틱스(Nitto denko-Hydranautics, Hydranautics & Nitto)사에서 각각 40%와 30%를 점유하고 있다(그림3-3-1-2). 이와 같이 세계의 고분자 분리막 시장은 특정 나라의 특정 기업들이 독점하고 있다. 역삼투 분리막 제조 1위 기업인 다우 케미칼(Dow Chemical)은 중동, 호주 등 해수담수화 및 유럽의 산업용 초순수(ultrapure water) 생산으로 시장을 확대하고 있고, 닛토 덴코-하이드러노틱스(Nitto denko-Hydranautics)사는 산업용 수처리 부분과 해수담수화 분야의 실적을 늘리는데 집중하고 있다.

■ 미래의 연구방향

고분자 분리막 기반 분리 기술이 나아가야 할 방향은 낮은 에너지 효율을 갖는 분리 공정 개발과 함께, 저가의 분리막, 저오염성 분리막, 고온 및 가혹한 수질조건에서도 사용이 가능한 고내구성 분리막을 개발하는 방향으로 연구가 진행되어야 할 것이다. 특히 고분자 분리막 소재 기술에서 반드시 해결되어야 하는 과제 중의 하나는, 분리막의 오염을 저감 시키는 기술을 개발하는 것이다. 분리막의 오염은 분리막의 성능을 급격하게 감소시켜 유지 비용을 증가시키기 때문에, 이를 완화시킬 수 있는 기술 개발이 요구된다. 현재 고분자 분리막 표면의 친수성을 높여 내오염성을 향상시키기 위해 다양한 물질들이 적용되고 있지만, 실제 공정에 적용하기 위해서는 보다 실용적인 연구들이 이루어져야 한다.

그리고 우리나라의 고분자 분리막을 이용한 분리 기술 관련 산업이 빠르게 성장하고 있지만, 여전히 핵심 소재 기술이 부재하여 선진국과의 기술 격차가 좁혀지지 않고 있다. 따라서 기술 격차가 존재하는 후발 주자로서 기존 기술과 차별화된 독창적인 소재 기술을 개발하기 위해서는 기업들의 꾸준한 투자와 정부의 관심이 요구된다.

■ 정책 제언

고분자 분리막 소재 시장의 특징은 기술이 특정 선진국과 회사에 집중되어 있고 시장 진입 장벽이 매우 높다는 것이다. 이러한 특징은 국내의 대기업 또는 중소기업들이 고분자 분리막 제조 기술 분야에 투자하는 것을 주저하게 하는 주요 요인이 되고 있다. 따라서 기업의 위험 부담을 줄이기 위해 국가적 차원에서의 적극적인 지원이 요구된다. 또한, 국내의 낮은 수요 문제를 극복할 수 있도록, 중국, 동남아 국가들과 같이 고분자 분리막을 이용한 분리 기술이 절실히 요구되는 국가와의 외교활동을 통해, 해외시장으로 수요를 확대할 수 있는 방안을 모색해야할 것으로 판단된다. 수자원을 확보할 수 있는 기술 그 자체가 국가의 경쟁력이 될 수 있음을 인지하고, 단순히 연구비를 지원하는데 그치는 것이 아니라 국가 주도하에서 고분자 분리막 소재 및 이를 이용한 공정 기술 개발 연구를 수행하고, 체계적으로 기술을 관리할 것이 요구되는 시점이라고 생각한다.

▲ <표 3-3-1-6>국내 역삼투 분리막 제조사 및 제품 특성

▲ <표 3-3-1-7>해외 나노여과 분리막 제조사 및 제품 특성

▲ <표 3-3-1-8>해외 역삼투 분리막 제조사 및 제품 특성

▲ <표 3-3-1-9>고분자 분리막 제조 기술-국내 선도연구기관

▲ <표 3-3-1-10>고분자 분리막 제조 기술-해외 선도연구기관

▲ <표 3-3-1-11>국내 분리막 시장규모 현황

▲ <표 3-3-1-12>세계 분리막 시장규모 현황 및 전망

▲ <그림 3-3-1-1>정밀·한외 여과 분리막 기업 점유율

▲ <그림 3-3-1-2>나노 여과·역삼투 분리막 기업 점유율