1. 서론
21세기 국내외 에너지환경은 새로운 도전과 변화를 예고하고 있다. 대외적으로는 석유자원의 고갈 및 고유가, 기후변화협약 발효에 따른 국제적인 새질서의 도래, 그리고 중국·인도 등 거대 개도국의 에너지수요 폭발 등 근본적이고 막대한 영향을 미치는 새로운 도전들이 닥치고 있다. 에너지 및 환경이슈에 대한 이러한 도전들을 비용 효과적으로 슬기롭게 극복하기 위하여 에너지 기술 개발과 기후변화 대응에 대한 시대적 요구가 증가하고 있으며, 신 에너지·환경 산업의 기술경쟁력 확보를 위하여 선진 각국들은 정부 주도하의 대규모 기술개발 계획을 추진하고 있다. 특히 산업이 고도화됨에 따라서 필연적으로 발생하는 에너지의 과다한 소비와 급속한 환경의 악화로 야기되는 문제점에 대한 해결책이 요구되고 있으나, 기존의 에너지 환경 소재로는 에너지 절약 및 환경오염 방지에 한계가 있는 실정으로 신 에너지·환경산업에 맞는 첨단 세라믹 소재의 개발이 중요한 전략이 될 것이다.

에너지 환경 세라믹 기술은 현재의 에너지산업 발전의 한계를 극복하고 고효율화, 고청정화를 추구할 수 있는 원천·기반 기술이고, 또한 미래 산업의 신기술을 창출할 수 있는 핵심 선도기술로 있기 때문에 이 기술은 에너지, 환경 등와 같은 미래 주요 핵심산업에 미치는 파급효과가 매우 크다. 또한 이 기술을 확보해야만 국가간 기술경쟁력에서 우위를 점할 것으로 예상된다. 특히, 기후변화협약과 Kyoto Protocol을 계기로 온실가스저감 및 처리를 위한 신재생에너지 및 환경 기술 개발이 최근들어 강화되는 추세로 있고, 아울러 획기적인 효율향상 및 청정에너지를 획득하기 위하여 에너지 환경 세라믹 소재 기술개발의 필요성이 날로 증대되고 있다. 에너지 환경 세라믹 소재는 환경오염 방지 및 에너지 절약에 기여할 수 있는 다양한 종류의 소재가 있으나 여기서는 대표적으로는 고온 구조소재, 반응 분리 소재, 광전변환 소재, 에너지저장 소재 등을 중심으로 기술할 예정이다.

2. 국내 세라믹소재 기술개발 및 발전현황
선진국의 경우, 국가 에너지 및 환경문제를 핵심기술인 소재의 개발로 해결하고자 정부주도에 의해 대형 프로젝트(프로그램: 미국의 Vision 21, FutureGen, 일본의 New Sunshine, 유럽의 SAVE, ALTERNATIVE 등)에 에너지 및 환경 소재를 포함시켜 진행하고 있다. 국내의 경우는 에너지 환경 소재에 대한 기술개발이 선진국 모방형으로 진행되고 있으나 최근들어 국가의 주도하에 체계적으로 접근하고자 노력하고 있다.

고온 구조 세라믹소재는 고온에서의 기계적, 열적, 화학적 특성이 우수하여 에너지 및 화학공정용 부품, 환경용 부품, 자동차 및 우주항공 부품 등의 개발을 위한 원천 핵심재료로서 사용되고 있다. 현재 알루미나와 지르코니아 등과 같은 산화물계 세라믹스가 상용화 되고 있으며, 비산화물계 세라믹스는 일부 중소기업에서 절삭공구, 초경재료 등에 대해 생산체제에 들어가고 있는 실정이나 제철, 제강, 화학분야에서 필요로 하는 에너지절약형 구조 세라믹스에 대해서는 기술개발 도입 및 실용화 정도가 미흡한 실정이다. 섬유강화 복합소재의 경우는 세라믹 섬유들을 고가로 수입하여 세라믹 복합소재 제조를 위한 기술개발 경험을 가지고 있으나, 특히 이들 섬유는 수입단가가 매우 고가일 뿐만 아니라, 미국이나 일본 모두 세라믹 섬유 원료는 판매를 기피하는 수출제한 품목인 점이 있어 세라믹 섬유제조 국산화 기술개발이 필요하다. 국내의 코팅기술은 에너지관련 산업분야에서 요구되는 특성이 초고온, 극저온, 저열전도성, 극저마모 등의 극한환경 분위기에서 견딜 수 있는 기술 흐름에 대처하지 못하고 주로 부가가치가 낮은 플라즈마 코팅법에 의존하는 정도의 기술을 보유하고 있기 때문에 신시장 개척에 어려움을 겪고 있다.

반응 분리 세라믹 소재기술는 차세대 에너지절약형 공정으로 인식됨에 따라서 국내외적으로 분리막 소재 기술개발이 활발히 진행되고 있으나, 국내의 경우 분리막 소재의 원천소재인 지지체 기술의 열세에 따라서 대부분 지지체가 외국에서 고가(국내제품가의 3배 이상)로 수입되고 있는 실정이다. 따라서 청정연료인 수소의 생산 및 활용기술은 산업구조의 고도화에 따른 단기적 수요와 중장기적인 미래에너지원 확보 측면에서 고투과 선택성 분리막 국산화가 절실한 시점이다. 또한 수소정제, 탈수소화, 석탄가스화, 천연가스개질, 에스테르화반응 등 산성 분위기 공정에서 안정한 내산성 분리막 소재 확보가 상업적으로도 매우 중요하다.

지지체 기술은 국내에서 2개의 제작업체가 상업화하여, 나노기공소재(주)와 세라컴에서 기공율 35~40%의 튜브형 지지체를 생산하고 있지만, 국내 공급되고 있는 일본 NOK, NGK, Nikkato사 제품보다 제막 후의 분리성능이 떨어지는 것으로 보아 지지체 표면구조의 균질도와 핀홀 등 결함제거 기술개발이 요구된다. 특히, 막 분리 공정의 스케일업으로 200cm2 이상의 큰 면적의 지지체 수요가 급증하고 있지만, 지지체 크기가 커짐에 따라 압출성형과 열처리 과정에서 표면결함, 휘어짐, 두께 불균일 등의 불량요소가 발생하기 쉽기 때문에 대면적 지지체의 제조기술은 분리막 공정의 상업화의 장애요인이 되고 있다.

수소경제 실현을 위해서는 저비용($4/MMBtu 이하) 수소제조 기술 확보가 관건이며, 이를 위해서는 원천소재 기술확보 함께 각 공정별 고율화 및 저비용화 기술개발이 필요하다. 수소제조용 촉매 기술은 수소화 경제를 대비한 수소스테이션 구축 등 실증화 연구에 치중되었고, 플랜트 엔지니어링 기술의 도입과정에서 외국의 상업화된 촉매를 함께 들여와 원천기술의 확보가 매우 어렵고 국내 기술 자립도가 높지 않은 실정이다.

흡착제는 석유화학, 제철, 제강 분야의 산업 전반에 걸쳐 다양하게 이용되는 소재지만, 촉매의 경우와 비슷하게 플랜트 엔지니어링과 함께 turn-key 방식으로 함께 도입되고 있어 국산 흡착제 개발이 시급한 실정이다. 200℃ 이하의 저온영역에서 공기의 흡착분리, 순산소 연소, 의료용 산소발생기 등 중소형 공기분리 시스템은 일부 국산화 되었지만, 핵심 소재인 흡착제는 수입 제품에 의존하고 있다. 최근에는 전력연구원에서 청정석탄발전기술과 CCS 기술을 연계 개발하는 IGCC 플랜트 실증, 에너지기술연구원의 CTL 개발사업 등 합성가스 고도 정제를 필요로 하는 공정에서 사용되는 핵심 세라믹소재에 대한 기술개발이 진행되고 있다. 국내 태양전지 기술 수준은 선진국 대비 70%에 근접하고 있어 잠재적 능력은 인정받으나 삼성, LG, 현대 중공업, 경동 솔라 등의 업체들을 중심으로 주로 태양전지 모듈 및 시스템 중심으로 기술개발이 이루어지고 있는 실정이다. 매년 30% 이상의 고속 성장하고 있는 태양광 산업의 확산에 따라 기판원료인 폴리실리콘 품귀현상이 지속적으로 나타나 단가가 급속하게 상승하고 있다. 또한 연간 20억장이 폴리실리콘 기판이 수입되고 있기 때문에 실리콘 태양전지 단가절감을 위해서는 모듈 생산가의 50% 이상을 차지하고 있는 폴리실리콘 소재와 기판 제조기술에 있어 혁신적인 기술개발이 필요한 상황이다. 동양제철화학에서는 미국 선파워, 중국 창저우 트리나솔라에너지 등과의 장기계약을 기반으로 연간 5,000톤 규모의 폴리실리콘 파일럿 설비를 2008년에 구축하여 폴리실리콘 원료를 생산중에 있으며, KCC에서는 연간 1500톤 이상의 삼염화실란 제조용 유동화 반응공정을 개발한 바 있다.

한국에너지기술연구원에서는 실리콘 태양전지 저가화를 실현하기 위해 금속정련을 이용한 고순도 다결정 폴리실리콘 제조기술과 이를 이용한 리본형 기판 제조기술 및 태양전지 제조기술 연구를 수행중에 있다. 또한 태양전지의 고효율화 및 생산 단가절감을 위해 화합물 반도체, 박막형 및 염료감응형 태양전지 기술 개발이 산학연 모두에서 활발히 진행되고 있다. 국내 이차전지업계 현황을 보면 소형 이차전지에서 LG화학 등이 세계 2위의 시장 점유율을 보이고 있으나 핵심 소재 및 부품, 생산설비는 대부분 수입에 의존하고 있어 수익성이 낮으며 대외 의존도가 높은 실정이고, 대형 이차전지로 전환 될 경우 문제의 심각성은 더해질 것이다. 국내의 기술개발 투자는 대부분 소형 전지에 한정되어 있으나 현재의 시장상황을 고려해 볼 때 향후 하이브리드 및 연료전지 자동차용 등으로 대체될 것으로 예상되며, 이때의 이차전지의 시장규모는 예측을 불허할 정도로 성장할 것이다.

3. 에너지 환경 세라믹 산업전망
고온 구조 세라믹소재 분야의 기술수준은 선진국에 비해 매우 취약한 상태이나 그동안 상당한 기술개발 투자와 노력으로 에너지 환경 산업용 기기 부품 등 일부 품목을 선진국 수준으로 끌어올리는데 성공해 이 제품들을 외국에 수출하고 있다. 한편 자동차 및 우주 항공, 에너지 산업분야 등에서 고성능화로 열효율 향상을 통한 에너지절감 등의 파급효과가 클 것으로 예상된다. 열차폐 코팅 소재도 발전용 각종 플랜트 설비, 자동차, 항공, 선박 부식 방지제, 제철 제강 산업 등에 이르기까지 광범위한 기술이기 때문에 그 전망이 매우 밝다. 석유 및 화학분야 등의 반응분리 공정에 사용되는 분리막 기술분야는 현재 6,000만달러 수준으로 많지 않으나 연평균 성장률이 16.5%로 다른 분야보다 성장 잠재력이 높은 것이 특징이다. 흡착 촉매 소재기술의 핵심 애로사항은 낮은 선택도, 활성도, 고온 안정성 등으로 요약할 수 있으나 향후 이에 대한 기술개발이 집중 투자되어 산업화할 경우, 에너지 환경 공정의 고효율화 및 신개념 공정 개발이 활성화 될 것으로 기대된다. 또한 에너지 효율 및 청정 에너지 확보에 대한 관심이 급증함에 따라서 분리막 기술의 애로기술인 대면적화 및 고온 선택도 증진기술이 개발될 경우, 에너지 환경 산업에서의 기체 분리막 소재의 산업 응용 가능성은 매우 밝다고 전망된다.

최근의 태양전지 시장은 급속히 성장하고 있으며 성장률로 보아 2010년 약 100억$로 전망되며, 염료감응형 및 박막 태양전지 기술 개발 또는 저비용 실리콘 소재 개발을 통해 개발 완료 시점으로부터 10년 이후 세계 시장의 10% 확보가 가능할 것으로 예상된다. 현재 국내 기술수준은 선진국대비 리튬이차전지의 경우 약 80%, 초고용량 커패시터 약 70%정도이나, 사업이 완료되는 시점인 2013년경에는 리튬이차전지와 초고용량 커패시터의 경우 선진국 대비 95%정도 기술력을 보유할 것으로 예측되며 핵심소재 및 부품의 국내 기술의 도약이 있을 것으로 예상된다.

 안영수

한양대학교 무기재료공학과 학사

한국과학기술원 재료공학 석사

충남학교 재료공학 박사

한국에너지기술연구원 미래원천기술연구본부 책임연구원

현재 한국에너지기술연구원 미래원천기술연구본부장