멤브레인(Membrane)이란 액체 또는 기체 등의 혼합물질에서 원하는 입자만을 선택적으로 투과해 분리하는 기능을 하는 소재를 말한다.

다기능성 고분자 멤브레인 소재는 미래 그린에너지 산업을 주도할 수처리, 기체분리, 수소연료전지, 에너지절감공정 등에 사용될 수 있는 다기능 분리특성 고분자 소재로서 다양한 분야에서 대량으로 사용될 수 있는 공통 핵심소재다. 멤브레인 산업은 온실가스 증대와 물부족 현상 등 전 지구적인 문제를 해결할 수 있는 해결사로 떠오르고 있어 세계 각국은 원천기술 확보에 나서고 있다 .

2019년 시장규모는 국내 6조5,000억원, 국외 57조7,000억원으로 총 64조2,000억원에 달할 전망이다.
우리나라의 경우 고분자 멤브레인을 활용해 수처리 제품, 직접메탄올연료전지, 수소연료전지 등을 조립하는 기술 수준은 비교적 높으나, 그 핵심에 해당하는 고분자 멤브레인 소재 기술은 걸음마 단계로 해외 몇몇 기업 또는 기관에 의존하고 있다.

이에 코오롱이 주관을 맡은 지능형 멤브레인 소재 사업단은 △연료전지용 탄화수소계 강화복합막 △다기능성 정수처리용 멤브레인 소재 △저에너지 고효율 담수용 멤브레인 소재 개발 △OBIGGS(On Board Inert Gas Generating System, 불활성가스 생성 시스템)용 고투과성 고분자 멤브레인 소재 등을 개발에 나섰다. 사업단은 1차년도에 세계 최초로 연료전지용 내열성(150℃) 소재 및 수처리용 친수성 소재 개발을 시도했다.

▲ SWOT분석.

■연료전지

지구 온난화와 화석연료 고갈 문제를 해결하는 방안으로 연료전지는 태양전지와 더불어 에너지 생산시스템으로 자리잡을 것으로 전망되고 있다. 또한 수소연료전지 자동차가 차세대 그린카로 육성되고 있어 시장의 급격한 성장이 예상된다.

연료전지의 성능을 좌우하는 것은 고분자 전해질막으로서 수소이온 전달 통로 및 연료인 수소 혹은 메탄올을 차단해주는 역할을 하는 멤브레인 소재다.

현재 대표적인 연료전지용 전해질막으로는 미국 듀폰(Dupont)의 불소계 고분자 전해질막인 나피온(Nafion)이 있다. 현재 우수한 성능을 가지고 있으며 상용화돼 가장 많이 사용되고 있으나 높은 가격으로 인해 산업용으로서의 제약이 있다. 또한 얇게 만들어 사용하면 수소 이온과 함께 너무 많은 물이 함께 넘어가는 ‘플러딩’ 현상으로 연료전지의 성능을 저하시키는 단점이 있다. 연료전지 전용으로는 3M과 솔베이가 최근 독자적인 불소계 수지를 개발 완료했다.

탄화수소계 강화복합막은 연료전지의 작동환경에서 열안정성 및 산화 안정성이 매우 높고, 불소계 고분자에 비해 수소, 메탄올과 같은 연료의 투과율이 낮으며 가격도 훨씬 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 탄화수소계 전해질막은 내구성이 떨어지고 박막화가 어려워 이에 대한 연구개발이 다양하게 진행되고 있는 것이다.

국내에서는 코오롱, 동진세미켐, 제일모직 등의 소재업체에서 방향족 탄화수소계 전해질을 개발 중이며, 제일모직도 탄화수소계 수지를 판상입자와 나노하이브리드화한 복합막을 시생산해 메탄올 연료전지 시스템 효율을 개선하는 연구를 삼성 SDI 및 삼성종합기술원과 진행시킨 바 있다. 한국화학연구원은 미국 바텔 연구소 및 퓨얼셀 파워와 공동으로 연료전지용 탄화수소계 고분자 전해질막 개발 연구를 수행했다.

탄화수소계 강화복합막은 아직까지 상용화된 예가 없으나 수소연료전지가 2015년경부터 상용화될 것으로 예측되고 있어 그 개발은 매우 시급하다. 또한 태양전지, 레독스 배터리, 2차전지 세퍼레이터, 정수처리 등의 기술 개발에도 응용이 가능할 것으로 기대되며 이온전도의 특성을 활용해 각종 유가금속의 회수 등 자원 재생 산업에도 응용이 가능하다.

▲ 사업단 참여기관.

■수처리

지구온난화, 환경오염 등에 의해 수자원 고갈이 심화됨에 따라 수처리 관련 시장 규모는 빠른 속도로 증가하며 석유시장을 초과하는 거대 시장이 될 것으로 전망되고 있다. 이른바 ‘블루 골드(Blue Gold)’로 불릴 정도다.

차세대 수처리 기술로 각광받고 있는 멤브레인은 1990년대 말부터 상업화가 본격 시작돼 2000년대 들어 처리시설의 증가와 대규모화가 진행되고 있으며 기존 정수처리 기술의 대체가 이뤄지고 있는 시점이다. 현재 수만톤/일 규모에서 향후 10년 내 수십만톤/일 규모의 대규모 정수처리장에 대한 기술적, 경제적 경쟁력을 확보하기 위해 고 투수성능 및 내오염성 강화가 필요하다.

이를 해결할 소재로 고강도 친수성 신규 고분자 멤브레인 소재가 WPM을 통해 개발되고 있다. 기존 친수성 소재의 경우 내오염성에서 우수하나 내구성에 문제가 있어 소수성 소재인 PVDF가 주로 사용되고 있으나 오염에 취약한 소재적 제한을 갖고 있다. 고강도 친수성 신규 고분자 멤브레인 소재는 기존 소재에 비해 강도와 내오염성을 높이고 나노급 기공 크기를 줄여 바이러스 제거율을 대폭 향상시킬 수 있다. 이러한 특성으로 인해 정수처리 분야 외에 멤브레인의 적용이 급속히 증가하고 있는 해수담수 전처리, 하수 재이용 분야에도 적용이 가능하다.

수처리용 멤브레인 세계 시장은 GE, 지멘스, 다우케미컬, 아사히카세이, 도레이 등 해외 선진업체들이 장악하고 있다. 국내의 경우 대규모 정수처리용 멤브레인 제조 기술은 아직까지 활발하게 이뤄지지 않고 있다. 코오롱, 에치투엘 등이 ‘에코스타’과제를 통해 소재 국산화를 진행하고 있으나, 해외 선진 기술과 차별화되는 원천 기술은 없는 상황이다. 또한 정수처리 멤브레인의 원재료인 고분자 소재 기술은 국내 전무한 상태로 핵심 소재의 개발 및 국산화가 절실한 것으로 파악되고 있다.

특히 정수처리용 멤브레인 소재 기술 개발을 통해 소재 시장의 3~5배 규모의 시스템 시장과 시스템 시장의 2~5배의 EPC 시장에 대해 기술 파급이 가능하다는 점에 주목할 필요가 있다.

저에너지 고효율 담수용 멤브레인 소재는 현재 수준 이상의 수투과도를 확보하면서 저압(低壓)에서 운전이 가능해 에너지 소비를 극소화하는 것이다. 해수담수화 공정에서 에너지 비용이 전체 비용의 50% 이상을 차지하고 있으며 이 중 멤브레인 구동을 위한 고압 펌프가 70~90% 비중을 차지하고 있다.

가격 경쟁력 확보를 위해 세계 각국은 혁신 멤브레인 기술 확보에 나서고 있다. 주로 대학과 벤처기업에서 개발한 기술들이 실증테스트를 거치고 있는 것.

여러 기술 중 저에너지형 정삼투식 해수담수화 기술이 차세대 담수화 기술로 주목받고 있다. 이는 미국과 유럽의 선진 국가에서도 아직 상용화 단계에 이르지 못한 것으로 알려져 있다.

국내의 경우 해수담수화용 멤브레인을 제조하는 업체는 웅진케미칼이 유일하나 세계 선진기업과 동일한 고분자 소재를 이용하고 있어 해외 시장 진입에 한계가 있는 것으로 평가되고 있다. 따라서 전문가들은 저에너지형 정삼투식 해수담수화 기술 개발을 서두른다면 국제 수준으로의 도약이 단기간 가능할 것으로 기대하고 있다. 현재 한국기계연구원에서 2014년까지 관련 기술 개발에 나서고 있다.

■에어프로덕츠, 기체분리막 시장 장악

OBIGGS(On Board Inert Gas Generation System, 불활성가스발생장치)엔 항공기용과 선박용이 있다. 항공기에는 연료 탱크 내의 연료가 끓거나 낙뢰로 인한 화재가 발생하는 것을 방지하기 위해서, 선박에는 화재가 발생할 수 있는 LNG선, 화학 물질 운반선에 화재 방지용으로 OBIGGS가 공급되고 있다.

OBIGGS는 대부분 기체 분리막을 이용하고 있으며, 핵심 기술은 기체분리막 모듈 제조 기술이라고 말할 수 있다. 향후 OBIGGS는 필수적으로 모든 항공기와 설치돼야 하기 때문에 시장규모가 급격히 증가할 전망이다.

기체분리막은 세계적으로 10개사 미만의 업체만 제조하고 있으며 시장을 장악하고 있는 업체는 3개사다.

이 중 미국의 에어프로덕츠, 프랑스 에어리퀴드가 가장 큰 시장점유율을 차지하고 있다. 특히 우리나라는 세계 일류 조선산업을 보유하고 있음에도 불구하고 선박용 OBIGGS는 100% 수입하고 있으며 대부분 에어프로덕츠가 시장을 장악하고 있는 상황이다.

국내에서는 20여년 전부터 한양대, KIST 등에서 연구가 진행돼 왔으며 최근 한양대 이영무 교수연구진이 PBO 소재를 이용한 높은 투과 선택성을 가지는 소재를 개발했다. 코오롱과 대림에서 중공사형 기체 분리막의 기술개발을 진행했으나 상용화 단계에는 이르지 못했으며 현재 상업화 기술을 보유한 기업으로는 2001년 창립한 기체분리막 전문기업 (주)에어레인이 유일하다. 선박·항공 관련 기자재나 소재의 국산화를 위해선 애경유화, 에어레인, 효성 등 소재기업들과 현대중공업, 삼성중공업, STX 등 수요업체와 협력이 필요한 시점이다.