기존 한계 극복 신개념 분리막 제조기술 必

■ 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

최근 우리나라도 심각한 수질 오염문제에 시달리고 인구 증가와 산업화 등으로 물 수요가 급증하면서 수처리 산업이 새로운 사업 기회로 떠오르고 있다. 기존 분리막 소재의 제조공정 개선을 통한 성능 강화와 새로운 원천 소재를 활용한 경제성 있는 제조기술을 확보한다면 국내에서도 글로벌 분리막 제조기업과 같은 대형 분리막 메이커의 탄생이 가능할 것이다. 그러나 아직까지 국내시장은 인접국인 중국과 일본에 비해 매우 작은 시장규모를 나타내고 있으며, 일본에 매우 의존적이다.

하지만 수처리 분리막의 국내 시장규모는 2012년 375억 원에서 2017년 950억 원(기체 분리막 제외)으로 연 15% 이상의 고성장을 지속하고 있다(표 3-3-2-7). 우리나라는 2010년 ‘물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률’이 제정되어 하·폐수 재이용을 정책적으로 선도하기 시작했으며 이에 따라 국내 분리막 생물반응기(MBR) 시장이 급성장 할 것으로 예상된다.

세라믹 분리막의 국내 시장에 대한 정확한 자료는 아직까지 발표되지 않고 있다. 일부 식품산업이나 정수장에 설치된 경우를 제외하고는 국내 시장규모는 매우 미미한 것으로 알려져 있다. 하지만 세라믹 분리막은 폐수·폐유처리와 같은 극한환경에서 고분자 분리막 보다 매우 우수하다는 장점을 보유하고 있기 때문에 추후 중소 규모 공장 시설을 중심으로 활발하게 도입될 것으로 전망된다.

2) 기업 현황

국내 분리막 소재 생산 대표기업으로는 도레이 케미칼, 두산중공업, 코오롱, 제일모직, 효성, SK 케미칼 등이 있으며 대부분 고분자 분리막을 전문적으로 개발·생산하고 있다. 그 중 도레이 케미칼은 해수 담수화에 사용되는 역삼투(RO) 분리막 분야에서 국내 시장의 60% 가량을 차지하고 있다.

현재 국내 분리막 주요 기업들은 세라믹과 같은 무기 소재 분리막에 관심이 적은 편이다. 이는 국내 세라믹 분리막 시장이 크게 형성되지 않아서 적극적인 진출을 고려하고 있지 않은 것으로 보인다. 그에 반해, 수처리 분야가 아닌 DPF처럼 대기 환경 개선용 세라믹 필터를 생산하던 압출 기업들은 글로벌 트렌드와 맞물려서 수처리 시장 진입을 위한 노력을 하고 있다. 구체적으로는 아이비머티리얼즈(IB Materials)가 점토 결합 탄화규소 기반 DPF 생산에서 납석 기반 분리막 생물 반응기(MBR)용 세라믹 분리막을 개발하여 시장 진입을 준비 중이다.

TiO2 산화물 기반 촉매 생산기업인 ㈜나노는 수질정화를 위한 압출형 세라믹 분리막 관련 연구를 진행하고 있다. 이외에도 세라컴 등이 알루미나와 코디어라이트(Cordierite) 소재를 중심으로 수처리 분리막 기술을 확보하고 있다.

■ 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

전 세계 분리막 시장은 매년 20억 달러 이상으로 추산되며, 분리막 모듈을 합친 전체 분리막 시스템으로는 약 50억 달러 이상으로 예상된다. 분리막 시장의 성장속도는 매년 12~15%에 달하며, 기체 분리막의 경우 향후 10여 년간 더 높은 성장세를 나타낼 것으로 예측된다(표 3-3-2-9). 이러한 추세로 2020년에는 120억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되며 주요 성장 요인으로는 음용수에 대한 수요 증대와 하수 재이용률에 대한 관심, 분리막 기반의 담수화 시설의 증가, 그리고 환경 기준 강화 등이 있다. 특히 산업화와 인구 증가가 활발히 이루어지고 있으며 이에 따라 첨단기술을 요구하는 아시아·태평양 지역에서 크게 성장할 것으로 예상된다. 현재 세라믹 분리막은 정밀여과 및 한외여과의 개발에 주로 국한되어 있으나, 기체분리 및 촉매 반응기와 같은 분야에서도 고분자 분리막을 훌륭하게 대체할 수 있으리라 기대된다.

대내외적으로 에너지 저감 및 환경 개선에 대한 수요가 증가하고 있고, 미래의 에너지 고갈과 기후변화에 대응하기 위해 환경 관련 산업에서 분리막 시스템의 수요가 지속적으로 확대될 전망이다. 2009년 일본에서 수처리용 세라믹 분리막(MF, UF)의 시장규모는 14억 엔으로 전체의 5.4%를 차지하였다. 수처리용 세라믹 분리막은 주로 정수장과 산업폐수처리에 사용되고 있으며 향후에는 해수담수화의 전처리에 사용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

세라믹 장점 부각 新 틈새시장 개척해야

산학연 유기적 협력 개발여건 마련 요구

2) 기업 현황

가. 메타워터(Metawater, 일본)

일본 세라믹 분리막 제조사인 NGK와 합작회사로서, 세라믹 분리막 여과기술과 오존 처리기술을 활용하여 상수처리와 하수처리 고도화 기술을 추진하고 있다. 특히 분리막을 제공하는 NGK는 일본은 1990년대에 기하학적 접촉면적이 0.5㎡인 세라믹 재질의 멀티채널(multi-channel) 형상의 1세대 분리막을 시작으로 2000년에 15㎡의 2세대 분리막을 거쳐, 2005년 이후 25㎡의 3세대 세라믹 하니컴 분리막을 만드는 등, 지속적으로 대면적화 기술을 개발하고 있다.

나. 리큐텍(LiqTech, 덴마크)

덴마크에 있는 회사로서 기존의 탄화규소(SiC) 소재 DPF를 수처리 분야로 특화시켜 발전시킨 회사이다. 최근 들어 수처리 분야에 치중하여 사업을 확장하고 있으며, 바이오매스, 쉐일가스 등 다양한 분야로 사업을 확대하고 있다. 리큐텍(LiqTech)사의 대표적인 수처리용 분리막은 직경 146mm에, 구형의 다수의 채널을 가지고 있는 압출 필터이다. 다음 그림에서와 같이 분리막은 3중 구조를 가지고 있다. 이때 지지체의 기공 크기는 3㎛, 중간층의 기공크기는 1㎛의, 최종 분리막층의 기공크기는 0.04㎛이다.

다. 베올리아(Veolia, 프랑스)

수처리 분야에서 세계 선두주자인 베올리아(Veolia)사는 만 명이 넘는 임직원의 현지 경험과 실질적인 운영 노하우, 그리고 수처리 분야의 다양한 제품, 서비스, 시스템 및 기술을 바탕으로 포괄적이며 광범위한 해결책을 제시하고 있다. 베올리아는 미국 세라믹 수처리 분리막 회사인 세라멤(CeraMem)을 인수·합병하여 운영하고 있다. 세라멤은 1986년도에 미국에 설립된 세라믹 멤브레인 전문 업체로서, 세라멤 필터는 탄화규소계 세라믹 필터가 주종으로 정밀여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF) 분리막 및 가스 필터로도 응용이 가능하다.

■ 미래의 연구방향

1) 고성능 세라믹 분리막 소재 개발이 필요

세계 각국의 분리막 기술과 분리막 공정기술은 이미 상용화되어 있고 각종 산업에 적용되는 분야는 점점 증대하고 있는 추세다. 그러나 수질 환경 개선에 대한 수요가 동시다발적으로 나타나면서 짧은 시간에 대용량의 수질을 처리해야하는 상황이 자주 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 높은 비표면적과 높은 투과성을 가져 생산효율을 높이고, 정밀한 미세기공 제어를 통해 높은 제거율을 갖는 고성능 세라믹 분리막 소재의 개발이 필요하다. 이를 위해 최근에는 기존의 분리막 제조기술과 나노소재 기술을 접목하여 매우 다양한 특성을 갖는 새로운 형태의 분리막을 제조하고 있다. 초친수성, 촉매·반응성, 흡착성, 소형화, 생체적합성 등이 다양한 특성의 일환이라고 할 수 있다.

2) 오염 저항성이 우수한 세라믹 분리막 소재 개발이 필요

수처리용 분리막은 작동 원리 특성 상 분리막 표면이 항상 공급수에 노출되어 있기 때문에 분리막 오염은 필연적이다. 그 탓에 유량 감소, 에너지 소비 증가, 처리수 수질 악화와 같은 문제점이 발생한다. 이를 해결하기 위해 분리막은 가동 중에 주기적으로 세정을 해야 한다. 이때 물리적 세정과 화학적 세정을 하게 되는데, 가역적 분리막 오염은 물리적 세정으로도 충분히 유량 회복이 가능하나 비가역적 분리막 오염은 반드시 화학적 세정을 통해서만 유량 회복이 가능하다. 따라서 기존 세라믹 소재의 표면특성을 제어하여 내오염성을 향상시킬 수 있는 표면개질 기술을 개발하면 세라믹 분리막의 유량특성을 장시간 유지하고 세척주기를 연장하여 운전효율과 생산성을 높이는데 크게 기여 할 수 있다.

3) 장기적인 분리막 소재기술 연구 및 실증화 프로그램의 필요

세라믹 분리막은 소재 특성 면에서 고분자 분리막에 비해 우수한 물리화학적인 특성을 가지고 있어 전 세계적으로 환경 친화적인 차세대 환경 정화 기술로 인정받고 있다. 하지만 고성능 및 고기능성의 미래지향적 세라믹 분리막 기술을 달성하기 위해서는 (1) 나노 기공제어 기술, (2) 분리층 코팅기술, (3) 세라믹 나노입자 제어기술, (4) 세라믹 지지체의 물성 향상 등이 확보되어야 한다. 이를 위해 각각의 요소별로 장기적인 연구계획을 수립·진행해야 할 뿐만 아니라 실증화를 위한 파일럿 실험이 체계적으로 이루어져야 한다.

■ 정책 제언

1) 세라믹 분리막의 확실한 수요와 해당 시장(market) 확보의 중요성

세라믹 소재를 이용하는 수처리 분리막 시스템은 기존의 고분자 위주의 분리막을 이용한 수처리 시스템으로는 달성할 수 없는 조건에서도 청정 조건을 달성할 수 있는 친환경적인 미래 전략기술이다. 다만 세라믹 분리막 분야는 국내에서 체계적인 연구가 이루어 지지 않는 상태라 선진국과 기술격차가 꽤 큰 편이다. 현재 미국, 일본, 유럽 등은 이미 수처리용 세라믹 분리막 상용화가 진행되어 플랜트가 설치되고 있는 시점이다. 따라서 향후 집중적인 연구개발을 통하여 기술 자립도를 높여 기술격차를 줄여야 한다. 또한, 세라믹 분리막 고유의 장점을 잘 부각시킬 수 있는 전문 수처리 분야를 발굴하여 새로운 틈새시장을 개척하는 것도 매우 필요하다.

2) 신개념 분리막 기술 개발을 위한 융합연구 추진

수처리용 세라믹 분리막은 물 산업을 견인할 수 있는 핵심 기술로, 기존 분리막 기술의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 개념의 분리막 제조 기술이 필요하다. 미래 선도적인 신개념의 수처리용 세라믹 분리막 소재는 복합화를 통하여 구조와 기능 특성을 극대화하여 처리용량을 증대시키고, 고집적화의 실현을 가능하게 할 수 있다. 또한, 분리막 소재의 단일기능을 융·복합 기능으로 확장할 수 있고, 고에너지 소비를 저에너지 소비로 바꿔 수처리 패러다임 변화에 대응할 수 있다. 이처럼 복잡 다변화된 미래 수질환경에 대응하는 소재를 개발하는 것이 매우 중요하다.

3) 산·학·연의 역할 분담 및 유기적 협력 체계 구축

차세대 분리막 기술을 개발하는 일에는 다양한 분야의 전문가를 필요로 할 뿐만 아니라 국가차원에서 기관별로 역할 분담을 시키는 것도 중요하다. 현재 분리막 관련 연구 사업은 대부분의 국가 R&D 사업처럼 학교, 연구소, 기업 간에 차이가 별로 없는 실정이다. 산·학·연 공동연구를 통한 시너지를 낼 수 있는 부분이 작기 때문에 지나친 경쟁만 유발할 뿐 국가차원의 연구개발 추진력이 약한 상태이다. 빠른 시일 내에 산·학·연이 유기적으로 협력하여 우수한 신개념의 분리막 기술을 개발할 수 있는 여건이 마련되어야 한다.

▲ <표 3-3-2-7>국내 수처리 분리막 소재 시장규모 및 전망

▲ <표 3-3-2-8>국내 분리막 소재 생산 대표기업

▲ <표 3-3-2-9>전 세계 수처리 분리막 소재 시장규모 및 전망

▲ <그림 3-3-2-9>Metawater의 알루미나 세라믹 멤브레인

▲ <그림 3-3-2-10>LiqTech 분리막의 외형(좌) 및 미세구조(우)

▲ <그림 3-3-2-11>CeraMemⓡ 분리막의 구조 및 수투과 원리의 모습

▲ <표 3-3-2-10>세라믹 분리막 제조 기술-국내 선도기업

▲ <표 3-3-2-11>세라믹 분리막 제조 기술-해외 선도기업