■공업 NH₃생산의 출발과 숙제

암모니아(NH₃)의 상업적 생산은 농업용 제품의 필요에 의해 시작됐다.

1800년대 인구 폭증으로 식량 부족문제에 부딪힌 유럽 각국은 토양에 질소를 공급할 소스로 칠레산 ‘초석’에 의존했으나 이는 수입의존과 자원 고갈의 문제로 대체물질의 개발이 강력하게 요구됐다.

이에 산화질소(NO) 합성 연구 등을 거쳐, 대기의 80%을 차지하는 질소(N)와 수소(H)를 반응시켜 NH₃를 합성하는 방법에 대한 연구가 진행됐으며, 독일의 프리츠 하버(Fritz Haber)가 1905년 질소-수소에 의한 NH₃ 합성 이론 ‘공중질소 고정법’을 발표했다.

당시 하버의 방법은 철(Fe)를 촉매로 이용해 1,000℃에서 소량의 NH₃를 합성하는 데 그쳤으나 이후 오스뮴(Os)으로 촉매를 바꿔 500℃라는 비교적 낮은 온도에서 합성이 가능해졌다.

물론 이 역시 200기압의 당시로서는 초고압을 요구해, 기술 및 경제적 면에서 상업생산에는 많은 난점이 남아 있었다.

그러나 1909년 독일의 화학기업 바스프(BASF)가 하버의 합성법 특허를 구입해 카를 보슈(Carl Bosch) 등 회사 기술진이 하버와 함께 실용화 공정개발에 나섰고 1913년 NH₃상업생산의 기반인 ‘하버-보슈법(Haber-Bosch process)이 제안됐다.

이 공로로 하버는 1918년 노벨 화학상을 수상했으며 보슈도 합성 효율 향상 시키는 금속 촉매 개발 공로로 1931년 같은 상을 받았다.

현재까지 질소비료를 생산하는 가장 효율적인 방법으로 알려져 있으며 전세계 농경지에 뿌려지는 질소비료의 40%가 하버-보슈법에 기반한 비료다.

하버-보슈법은 태생적으로 고온 고압 하 합성이라는 점에서 에너지 가격이 높아질 수록 경제성이 크게 후퇴한다는 약점이 있다.

또, 원료인 수소 공급을 석유산업의 부산물에 의존하고 있어 가격 상승은 물론 고갈 우려가 제기되고 있는 석유가 아닌 다른 공급원을 찾아야 한다는 장기적인 숙제도 안고 있다.

■수요·원료가 ↑ 공급부족 우려

세계 NH₃ 생산능력은 2010년 기준 약 2억톤 추정. 세계 시장은 2003~5년 불황을 벗어나 꾸준한 회복세를 보이고 있다.

특히 대량 생산국인 미국이 설비 폐쇄 등 강력한 구조조정을 시행한 이후 수급밸런스가 개선됐으며 저가의 천연가스를 앞세운 중동, 아프리카, 트리니다드토바고 등에서 신규투자가 이어지고 있는 부분은 눈여겨 봐둘 만하다.

최근 수년간 세계 NH₃시장은 2009년 150만톤, 2010년 160만톤의 신증설분이 추가됐으나 세계 최대 비료 수입국인 미국의 바이오 에탄올 생산과 그에 따른 옥수수 재배 및 비료 수요 급증, 중국을 중심으로 한 아시아의 비료 수요 폭증으로 공급부족이 우려되고 있는 상황이다.

더욱이 국제 유가가 최근 배럴당 111달러, 나프타가격도 톤당 1,000달러를 기록하는 등 초강세를 이어가고 있어 제조사로서는 막대한 원가부담을 안게 됐다.

이로 인해 나프타 기반 제품이 경쟁력을 상실하게 되면서 생산능력과 별개로 당분간 NH₃제품은 생산량 감축이 지속될 전망이다.

여기에 천연가스 생산국의 자원 국유화에 따른 원료공급 축소와 미국 NH₃공장의 가동중단이 예상돼 세계적으로 공급이 빠듯해질 것이라는 예상도 나오고 있다.

■국내 NH₃산업 ‘수입’ 의존 심화

NH₃생산은 하버-보슈법에 의한 합성이 산업의 기틀을 열었지만 현재로서는 천연가스 분해에 의한 생산이 가장 경제적인 방법으로 각광받고 있다.

전 세계 NH₃생산량 가운데서도 중동을 비롯해 러시아, 북·남미 등 산유국이 대표적인 수출국으로 꼽히는 이유다.

반면 미국, 인도에 이어 세계 3대 수입국인 우리나라는 최근 삼성정밀화학의 생산중단으로 저순도 NH₃를 전적으
로 수입에 의존하게 됐다.

삼성정밀화학은 지난달 18일 최근 적자를 지속해온 암모니아(NH₃) 및 요소((NH₂)₂CO)계열 제품의 생산을 중단하기로 결정, 이달 말부터 암모니아, 요소, 메틸아민, 개미산 등 품목의 생산이 중지될 예정이다.

창사 이래 회사 주력 제품으로 지난해 1,500억원의 매출을 올렸지만 지난 2003년 이후 적자행진을 이어온 점이 이번 결정의 배경이다.

특히 고유가의 지속으로 나프타 베이스의 삼성정밀화학이 천연가스 기반의 중동, 석탄 기반 중국 업체들에게 원가 경쟁력에서 밀릴 수 밖에 없는 현실이 결정적이었다.

삼성정밀화학은 생산 당시 연 20만톤 가량의 생산능력을 갖췄지만 채산성 등의 이유로 50% 정도만 가동, 부족분을 수입으로 충당해 왔다.

연평균 수입량은 삼성정밀화학이 연평균 70만톤, 남해화학이 60만톤 가량으로 전해지고 있으며 대부분 자체적으로 소비하고 일부를 판매해왔다.

현재 국내 소비량은 연간 100만톤 규모로 추정되며 그중 30%가 질소질비료 생산, 20%가 질산, 16%가 카프로락탐, 10%가 반도체 공정용으로 사용되는 것으로 알려져 있다.

수입된 저순도 NH₃는 화학 및 제약, 농업 관련 대량 수요처에 직납되거나 LED, 반도체를 비록한 중소 수요처에 직납 및 대리점 공급이 이뤄지고 있다.

이처럼 채산성 부족으로 국내 기업들이 손을 뗀 저순도(99.8%) 시장과 달리 이를 원료로 정제해 ‘특수가스’로 불리는 고순도(99.999%, 5N 이상) 및 초고순도(99.99999%, 7N 이상) 시장은 LED 및 화합물 반도체의 급성장으로 신규 진출이 줄을 잇고 있다.

■조명 및 LCD 중심 고순도 수요↑

일반적으로 수입된 순도 99.8% 원료가스를 순도 99.9995%(5n5) 이상으로 정제한 고순도 제품은 5N급 고순도(블루암모니아)와 7N(순도 99.99999%)급 초고순도(화이트암모니아)로 구분되며 저순도와는 전혀 별개의 시장을 형성하고 있다.

이른바 ‘특수가스’로 취급되는 고순도 제품은 가격 면에서 저순도 제품의 수십배 이상에 달하는 고부가가치 제품이다.

지난해 수입물량으로 볼 때 저순도가 주를 이루는 호주·인도네시아산 수입 제품은 370~390달러/톤, 고순도가 대부분인 일본산 제품은 8,200달러/톤을 상회해 저순도 대비 20배 이상 가격차를 보이고 있다.

이같이 수익성을 보장받던 고순도 제품은 최근 국내 신규업체 참여 증가로 수요증가분 이상으로 공급이 늘면서 채산성이 악화돼 종전 가격에 못 미치는 가격대를 형성하고 있다.

그동안 12~15달러/kg 국내 5N 제품 실거래가가 최근 5~7달러선으로 내려 앉았다.

특히 최근 수요증가로 인해 대용량 용기를 통한 대량공급이 증가하면서 각 공급사들이 공격적인 투자에 나섰고 공급과잉 현상이 두드러지면서 가격이 급락하고 있는 것이다.

고마진 소량유통을 기반으로 한 특수가스의 위상을 지켜온 고순도 NH₃제품이 저마진 대량 유통되는 ‘벌크제품’으로 전락할 것이라는 우려 마저 제기되고 있는 상황이다.

그러나 전반적으로 고순도 제품의 경우 갈륨비소(GaAs), 실리콘게르마늄(SiGe), 인듐인(InP), 실리콘카바이드(SiC) 등 화합물반도체 비롯해 LED와 LCD 패널시장의 급속한 성장으로 대폭적인 수요확대가 기대돼 시장전망은 매우 밝다는 점은 변함없다.

조명시장 내에서 LED의 입지가 급속도로 확대되면서 해당 분야에서의 NH₃수요가 기대되고 있으며 특히 LED BLU 탑재형 LCD TV가 대형 제품을 중심으로 각광받으면서 국내의 삼성전자, LG디스플레이는 물론 일본 소니, 샤프 등을 중심으로 한 패널분야에서도 꾸준한 수요증가가 예상된다.

원익·코아텍 캐파 경쟁 ‘후끈’
<다음 호에 계속>