그린에너지 산업을 위한
세라믹스 소재 개발현황 및 전망

안영수 한국에너지기술연구원 효율소재융합연구본부, 책임연구원

1. 서론
우리나라는 에너지의 97%를 수입하고 있고 매년 에너지 소비량이 증가하는 추세로 있어 에너지 고효율화 기술, 신재생에너지기술 확보하여 에너지 자립도를 제고함과 아울러 기존 성장과정에서 발생하는 문제를 최소화하는 청정환경 기술을 확보하여 저탄소 그린에너지 산업을 전략산업으로 이끌 필요가 있다.
현재 에너지·환경 분야에서 저탄소 녹색성장을 견인할 중점기술로는 [그림 1]과 같이 태양전지, 연료전지, 풍력, 이산화탄소 회수 및 처리(CCS), 석탄가스화(IGCC) 및 석탄액화(CTL), 수소생산, LED 조명, 전력저장, 건물 단열 등을 들 수 있다. 각각의 중점기술 분야에는 세라믹스 부품이 핵심소재로 있어 그린에너지 산업에서 신정장동력을 창출하기 위해서는 세라믹스 부품에 대한 원천기술 확보가 매우 중요하기 때문에 집중적인 연구개발과 투자를 통한 기술 선점이 필요한 시점이다.
본고에서는 각각의 중점기술 분야에서 사용되고 있는 핵심적인 세라믹스 소재, 즉 고부가가치 물질 합성 또는 유효 및 유해가스 정제/분리용 세라믹분리막 및 고체흡수제, 요로 및 철강 산업용 세라믹로재, 열교환기, 건물용 초단열재, 청정환경 산업용 세라믹필터 , 염료감응형 태양전지 전극용 소재와 고체산화물 연료전지 소재에 대한 국내 기술개발 현황 및 전망에 대해 서술하였다. 
2. 에너지 효율향상 산업
국내 부문별 에너지소비량을 보면 산업 부문에서는 56%, 수송 부문에서 21%, 건물 부문에서 21%로 되어 있어 그린에너지 산업을 구축하기 위해서는 각 부문에서의 핵심부품으로 활용되고 있는 세라믹스 소재를 고성능 고효율화 할 필요가 있다. 산업부문에서 활용되고 있는 예를 들면, 화학산업에서의 유무기물합성, 석유제품 합성 등 석유화학, 정밀화학 부문의 반응·분리 공정 고효율화 기술과 관련된 세라믹분리막 등과 철강 및 요로 산업에서의 열교환증진기술과 관련된 세라믹 열교환기 및 로재, 그리고 건물부문에서의 에너지절약 핵심으로 있는 단열부분에 사용되는 초단열소재가 있다.
여기에서는 에너지효율향상 부문에서 활용되고 있는 대표적이고 핵심적인 세라믹분리막, 세라믹 열교환기 및 로재, 열차폐제, 초단열재에 대한 기술개발 현황 및 전망에 대해 서술하였다.
세라믹분리막은 이온을 전도하여 반응과 분리가 동시에 일어나는 치밀질 분리막과 기공구조에 의한 다공성 분리막으로 대별되며, 최근 들어서는 세라믹분리막의 응용에서 가장 활발히 연구되고 있는 것이 반응과 분리를 동시에 수행하는 분리막 반응기이다. 막반응기는 가역반응의 생성물을 분리막에 의해 연속적으로 선택 제거하여 역반응을 억제시키고 정반응을 진행시킴으로서, 열역학적 평형에 의한 것보다 높은 효율을 얻을 수 있다. 또한 온화한 반응조건에서 원하는 생성물의 선택율 및 수율을 향상시킬 수 있으며 반응 및 분리 공정의 결합에 의한 에너지절약과 전환율 향상을 기대할 수 있다. 이렇게 적용 가능한 반응 예로는 <표 1>에 나타낸 바와 같이 탈수소(dehydrogenation)반응, 탈수(dehydration)반응, 탄화수소의 수증기 개질반응 등에 적용 가능하다. 현재 분리막 반응기가 실용화되기 위해서는 분리막의 안정성 및 대면적화, 고효율 선택투과 분리반응성, 촉매활성화 개선 및 내구성 증진 등을 위한 소재 기술개발과 함께 모듈 설계 및 엔지니어링 기술이 뒷받침 되어야만 한다.
세라믹 열교환기는 현재 범용적으로 사용되고 있는 내열금속강재 열교환기의 경우에 비해 연료연소를 위한 예열온도를 상온보다 650-700℃ 정도 높이면 20% 이상, 800℃ 정도 높이면 30-40% 이상, 1100℃ 정도 높이면 50-55%의 연료절감이 가능하고, 또한 내부식성, 열간강도 등이 우수한 장점으로 있어 요로 및 가스터빈 등의 폐열회수에 주로 응용되고 있다. 세라믹열교환기 재질로는 코디어라이트, 뮬라이트, 알루미나, 탄화규소 등이 있으며 선진국에서는 일부 상품화하였고, 국내의 경우는 현재 SiC 재질을 이용한 세라믹 열교환기 연구개발을 진행하여 상용화한 바 있으나 세라믹의 취성파괴의 단점을 개선하고 신뢰도를 향상시킬 수 있는 세라믹섬유강화 복합재료를 이용한 열교환기 기술개발이 필요하다. 세라믹 열교환기는 금속제에 비해 수명이 2배 이상이고 에너지절약 효과가 20% 정도임을 감안 할 때 충분한 경쟁력을 갖고 있으므로 세라믹 열교환기 전망은 매우 밝다.
세라믹로재는 요로에서 에너지를 절감시키고 내구성 등을 증진시키기 위해 사용되는 치구로서 세라믹버너, 버너노즐, 금속용해로용 로재 및 용선, 용강로용  열전대 보호관 등으로 사용된다.
국내의 경우, 산화물계 세라믹스를 재질로 한 부품은 거의 선진국 수준으로 있으나 산화물계 로재 재질 특성상 내열성, 내식성 및 고온강도 등의 저하로 용도에 한계가 있다. 비산화물 세라믹 로재는 저품위 제품이 많고 소량 다품종이어서 부가가치나 국제경쟁력이 거의 없는 상태이다. 따라서 각종 로재를 고온특성 등이 우수한 비산화물계(Si3N4, AlN, BN, SiC, B4C, TiC 등) 세라믹스 및 세라믹섬유강화 복합재료에 대한 국산화 기술개발이 필요하다.
열차폐재료는 복합발전설비, 프랜트설비, 가스수송관, 각종 화학 및 석유 공정, 항공 및 선박산업 등에 광범위하게 적용될 수 있는 기술로서 고온 부위에서의 열손실을 20-30% 정도 절감할 수 있으며 단열효과에 의해 모재수명을 2-3배 연장시킬 수 있는 재료이다. 국내의 경우는 탱크류, 수송관 등에 적용 가능한 열차폐용 코팅제 등에 대해 부분적인 연구 및 실용화가 이루어졌으나 외국의 차폐기술 의존도가 높은 실정이고, 또한 광범위한 산업에 적용할 수 있는 기술로 있어 그 시장성이 매우 넓기 때문에 국내 기술개발이 필요한 상태이다. <표 2>에는 구조용 세라믹스가 적용되고 있는 산업공정 및 용도를 나타내었다.   
무기계 단열재로는 미네랄울, 글래스울, 펄라이트, 규산칼슘 단열재 등이 있으나, 최근에는 미국회사에서 개발 시판되고 있는 초단열성 실리카 에어로겔 소재를 국내에서 상용화 기술을 개발하여 현재 생산 시판중에 있다. 실리카 에어로겔의 초단열 특성외에 무기계 소재가 갖는 특성 때문에 산업부문의 LNG 수송선, 파이프라인, 냉동창고, 유리온실 및 열축적 장치 등과 건물부문의 내·외단열, 단열판넬, 채광창 등에 광범위하게 적용되고 있으며 응용분야 확대를 위한 연구가 선진국에서 활발히 진행되고 있다.
또한 실리카 에어로겔는 CFC을 사용하거나 화재시 유해가스를 발생시키는 유기계 단열재나 기존의 무기계 단열재보다 단열성능 면에서 훨씬 뛰어나고 환경 친화적인 소재로 있어 기존의 단열재를 대체할 가장 유력한 매력적인 소재로 평가되고 있다.
에어로겔 시장은 연간 30.1%의 평균성장률로 성장하여 2013년에는 6억 4,600만 달러에 도달하는 것으로 예측하였다. 현재 전 세계적으로 실리카 에어로겔을 제조하는 회사는 손안에 꼽을 정도로 산업 자체가 초기단계이므로 저비용 대량양산 기술개발과 함께 응용기술 개발에 박차를 가하여 세계시장에 진입할 필요가 있는 저탄소 소재로 있다.  
3. 청정환경 산업
청정환경 기술은 토양, 수질, 대기 중의 유해물질을 저감하는 기술로 크게 나눌 수 있지만 현재 우리나라는 수질, 토양 문제는 어느 정도 해결되었으므로 청정환경 분야에서는 대기환경 개선 기술개발을 위해서는 핵심부품으로 활용되고 있는 세라믹스 소재의 고성능 고효율화 기술개발이 필요하다. 여기에서는 대표적으로 발전소, 소각로 부분의 유해물질 제거에 활용되고 있는 분진제거용 세라믹필터 및 고체흡수제, 또한 수송 부문에서의 대기오염물질을 제거할 수 있는 디젤분진제거용 세라믹필터의 개발현황 및 전망에 대해 서술하였다.
분진제거용 세라믹필터는 폐기물 소각로, 가압유동층연소 복합발전, 화학산업 공정 등에서 화석연료 이용 시 발생되는 분진제거를 위해 광범위하게 적용되고 있으며, 또한 디젤엔      진의 배출가스에 포함된 공해물질중 입자상 물질의 제거에도 세라믹필터가 사용된다.
고효율 발전을 위한 PFBC, IGCC 공정의 경우, 1000℃, 20bar 이상의 고온 고압하에서 사용되며, 연소 배가스 중에는 미세입자외에 부식성 알카리 금속화합물이 휘발된 증기상태, 분진 등에 응축된 상태로 존재하고 있다. 현재 고온 고압하의 분진 필터시스템에서의 문제점은 탈진 조작 시 열충격에 의한 필터의 내구성 저하와 필터 내부에 침투된 분진을 제거할 수 없으며 황 및 미량의 알카리 금속화합물 등의 제거가 어렵다.
따라서 연소 배가스 고효율 정제를 위해서는 내열충격성이 우수한 구조를 가지며 낮은 압력손실과 넓은 표면여과 면적을 보유하고 필터 내부에 분진의 침투가 불가능한 표면여과 구조를 가져야 한다. 또한 디젤분진제거용 세라믹필터도 열충격에 의한 필터의 균열이나 파손이 문제가 되고 있다. 내열충격성 및 내구성 등이 우수한 고온 고압 분진제거용 및 디젤분진제거용 세라믹필터가 국내기술로 개발되어 상용화된다면 광범위한 분야에 적용 가능하므로 충분한 시장성 및 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 
       
4. 신재생에너지 산업
국내 신재생에너지 사용 비율을 보면 폐기물(72.4%), 수력(23.4%), 바이오(3.3%), 태양광/열(0.7%), 풍력(0.2%) 순위로 있어 부존자원이 없는 한국에서 가장 주력해야 할 부문은 재생에너지 관련 핵심기술 확보와 아울러 태양전지, 연료전지, 바이오연료 관련 기술 확보가 절실한 시점이다. 태양전지의 보급 한계는 고비용성에 있으므로 태양전지 기술은 저비용화 또는 고효율화 기술을 추구하는 전략이 필요하다. 다결정실리콘, 염료감응형, 박막형 태양전지 등의 개발에 집중할 필요가 있다.
또한 석탄, 천연가스로부터 화학물질을 합성하는 CTL(석탄액화), GTL(가스액화) 기술 즉, 고효율 F-T(Fischer-Tropsch) 반응 및 MC(Methane Coupling) 반응 기술과 바이오매스로부터 연료 및 화학제품을 얻는 biorefinery 기술 부문에서 활용되고 있는 세라믹스 부품 기술개발이 필요하다. 여기에서는 태양전지 저가화를 추구하고 있고 세라믹 소재와 관련이 있는 염료감응형 태양전지와 고체전해질 연료전지 기술개발 현황 및 전망 등에 대해 서술하였다.
염료감응형 태양전지 기술은 기존의 실리콘 기판타입 태양전지 및 박막 태양전지와 비교하였을 때 높은 가격경쟁력과 반투명하고 다양한 색구현이 가능한 장점 때문에 건물에 적용 가능한 차세대 친환경 전력생산 시스템으로 있다. 이 태양전지는 저온 및 비진공 공정으로 모듈제조 원가에 큰 비중을 차지하는 초기 투자비 부담이 적고 기술개발에 따른 원가혁신이 가능한 미래가치가 높은 저가격 태양전지로 있어 국내의 몇몇 기업에서 상용화를 추진 중에 있다. 이 태양전지 핵심소재로 있는 TiO2 페이스트는 국내의 각 연구그룹에서 자체적으로 합성하여 사용하고 있으나 현재는 전량 수입에 의존하고 있다. 프랑스의 Yole Development사의 분석자료를 보면 2010년부터 염료감응 태양전지의 상용화가 가능할 것으로 파악하고 있으며, 염료태양전지의 장점은 투명한 구조, 다양한 색구현 가능, 플렉시블 기판 사용가능, 창호적용 가능성 등을 꼽았고, 이 태양전지의 취약점으로는 장기 안정성 문제, 낮은 효율 등을 꼽았다.
최근에는 국내에서 선진국 수준의 나노 TiO2 입자제조 및 상용화된 TiO2 분말을 이용한 페이스트 제조기술을 개발한 바 있으나 대량생산기술을 확보하지 못한 상태이다. 따라서 핵심소재인 투명 광전극 필름을 제조하기 위해 TiO2 페이스트 핵심요소기술을 국산화함과 아울러 스크린 프린팅 및 스핀 코팅 기술개발을 통한 후막 및 박막 형성 기술을 확보하고, 또한 pilot 규모에서 TiO2 페이스트의 재현성있게 대량생산할 수 있는 최적공정을 개발하여 이 분야에서의 기술경쟁력을 확보할 필요가 있다. 
고체산화물 연료전지(SOFC)는 주로 분산전원형, 대형 발전소용으로 개발이 추진되었으나, 최근에는 가정용 열병합발전시스템, 자동차용 이동전원형에도 연구도 추진되고 있는 실정이다. 고체산화물 연료전지는 약 1000℃의 고온에서 작동되므로 주요 구성부품이 이온도에 견딜 수 있는 세라믹으로 구성되어 있고, 이들 세라믹 부품을 요구특성에 적합하도록 개발하는 것이 실용화를 위한 핵심사항으로 있다.
고체산화물 연료전지에 비해 다른 연료전지에 비해 열효율이 높고 연료개질기가 필요 없는 장점이 있는 반면 고온 작동시 발생될 수 있는 문제점을 해결하고자 600~700℃에서 작동 가능한 중온형 연료전지 개발에 국내외적으로 연구개발에 박차를 가하고 있다. 고체산화물 연료전지 실용화 기술개발을 위해서는 스택킹 및 모듈 기술개발도 병행될 필요가 있지만 주요 부품인 세라믹스의 고온 강도 및 인성 등의 기계적 신뢰도 향상, 내열충격성 향상, 그리고 각 부품의 접합 및 실링 재료에 대한 세라믹스 소재개발 연구가 선행되고 연료전지 부품의 요구특성을 만족시킬 수 있는 새로운 소재개발이 필요한 상황이다.

5. 기후변화협약 대응 산업
지구온난화의 주범인 이산화탄소는 산업(34%), 전환(31%), 수송(20%), 가정상업(13%) 등의 순으로 배출되고 있어 이 부문에서의 이산화탄소 배출 저감이 필요하다. CCS는 이산화탄소 포획 및 저장에 관련된 기술을 의미하며 저장장소가 부족한 우리나라는 포획부문에 기술 집중할 필요성 있다. 전환부문은 연소후회수, 연소전회수 등이, 수송부문은 연료전지 등이 대안기술로 제시되고 있다. 연소후회수 기술로는 고체흡수제를 이용한 건식흡수 기술 등이 있다.
또한 연소전회수 기술은 천연가스 개질/정제/수소분리, 석탄기화를 위한 산소제조/기화/정제/수소분리 등이 있다. 여기에서는 CCS와 전환부문에서 활용되고 있는 핵심소재인 세라믹분리막, 고체흡수제의 기술개발 둥향 및 전망에 대해 서술하였다. [그림 2]에는 석탄가스화 복합발전(IGCC) 공정도와 이 공정에서 핵심부품으로 사용되고 있는 대표적인 세라믹 부품을 나타내었다.
기체분리용 세라믹분리막은 화학 및 석유화학공정, IGCC/IGFC 공정에서의 수소 및 탄화수소계 기체분리 정제, 또는 발전소나 각종 산업 공정의 배가스로부터 지구온난화 가스인 CO2 등을 분리하는데 활용될 수 있다. 세라믹분리막은 고분자분리막에 비해 내열성, 내화학성, 기계적 물성 등이 우수하기 때문에 고온, 고압, 부식성 분야에서 응용 가능하며, 또한 고온 기체분리를 상변화를 수반하지 않기 때문에 잠열에 의한 에너지 손실이 없으므로 고온 공정에서 효율적인 분리법이다. 세라믹분리막에 대한 국내 개발현황은 크게 이온을 전도하여 반응과 분리가 동시에 일어나는 치밀질 분리막과 기공구조에 의한 다공성 분리막으로 대별된다. 치밀질 분리막으로 BaCeO3, SrCeO3 등의 세라믹 수소분리막, 그리고 ABO3의 페로브스카이트 구조의 복합산화물로 이뤄진 산소이온전도성 세라믹분리막(OTM) 등과 다공성 α-Al2O3 지지체 위에 제올라이트 분자체, SiO2, SiC 등을 코팅한 다공성 세라믹분리막이 개발 중에 있다.
특히 산소투과 세라믹분리막은 산소만을 선택적으로 투과할수 있어 메탄전환 막반응공정, 고체산화물 연료전지, 수소분리 등 여러 용도로 활용될 수 있는 소재로 있다. 전세계적으로 각종 분리막의 개발과 함께 분리막 공정의 응용이 급격히 늘어나고 있으며, 각 응용공정별 효율성을 높이기 위해 hybrid 또는 integrated 공정에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 미국, 일본 등지 선진국에서는 분리막 및 분리공정이 개발되어 에너지 환경분야에 활용되고 있으므로 국내에서도 세라믹분리막의 가능성 및 잠재력 감안하여 분리막 연구개발에 박차를 가하여 이 분야 연구를 활성화할 필요가 있다.
고체흡수제는 석유화학, 제철, 제강 분야의 산업 전반에 걸쳐 다양하게 이용되는 소재지만, 촉매의 경우와 비슷하게 플랜트 엔지니어링과 함께 turn-key 방식으로 함께 도입되므로 실제 국산화된 고체흡수제의 개발이 필요한 실정이다.  200℃ 이하의 저온영역에서 공기의 흡착분리, 순산소 연소, 가정용 및 의료용 산소발생기 등 중소형 공기분리 시스템은 일부 국산화 되었지만, 핵심소재인 고체흡수제는 수입 제품에 의존하고 있다. 500~800℃ 중고온 범위에서 합성가스를 분리하는 건식 고체흡수제는 배가스 탈황제 등의 연구개발이 G7사업이후로 활발하게 연구되었고, 최근 석탄의 청정활용을 위한 IGCC플랜트 실증, CTL 개발사업 등의 합성가스의 고도 정제가 필요로 하는 첨단 에너지기술 분야에서 고체흡수제의 국산화 기술개발 요구가 높아지고 있는 실정이다.
따라서 저온 및 중고온 고체흡수제는 장기간 반복 순환이 가능한 수준의 기계적 내구성을 만족시키며, 공정온도의 감소에도 높은 흡착능을 유지할 수 있는 기술개발 필요한 상황이다.

6. 그린에너지 산업에서의 세라믹스 전망
국내 세라믹소재 산업은 전자·정보통신, 기계, 에너지 환경 산업의 발전과 함께 전자 세라믹스, 구조 세라믹스, 에너지 환경 세라믹스는 2013년까지 연평균 13%의 성장이 지속되리라 예측되고 있으며, 국내 실정은 단기간의 제품화 기술 및 소재 가공위주 성장에 머물러 있다.
또한 세라믹스 핵심소재에 대한 대일무역 적자가 가속화되고 있으며 선진국에서는 신성장 동력산업용 세라믹 핵심소재 공급을 기피하고 있는 실정이다.
전술한 바와 같이 그린에너지 산업의 중점기술 분야인 태양광 분야에서는 염료감응형 태양전지 전극소재인 TiO2 등과, 그리고 CTL, GTL, IGCC 및 CCS 분야에서는 CO2/H2S/중금속 제거용 고체흡수제 , 세라믹 집진필터, 산소/수소/이산화탄소 세라믹분리막, 연료전지(SOFC) 분야에서는 전극 및 전해질 소재 등이 핵심 세라믹 부품으로 있다.
이와 같이 그린에너지 산업에서의 세라믹스 역할 및 중요성이 날로 증대되고 있고 그 수요도 급격히 증대될 것으로 예상되고 있으며, 또한 신제품 개발에 따른 신규 시장이 창출되고 있는 시점으로 있어 그린에너지 산업에서의 세라믹스 전망은 매우 밝다고 할 수 있다.
그린에너지 산업을 신성장동력화하기 위해서는 세라믹 핵심소재 개발과 원천기술 확보를 위한 관련 산업체에서 적극적인 연구개발 투자와 아울러 국가차원에서 R&D 정책 및 투자 지원이 필요한 실정이다.

그림 1. 저탄소 녹색성장을 견인할 중점기술분야 및 핵심 세라믹스 소재

표 1. 막반응기를 위한 반응 모델

표 2. 구조용 세라믹스가 적용되고 있는 산업공정 및 용도

 그림 2. 석탄가스화 복합발전 공정과 이 공정에서 사용되는 대표적인 핵심 세라믹 부품
 1.산소 세라믹분리막 2.황화합물 제거용 고체흡수제 3.촉매 4.수소 세라믹분리막
5.반응분리 동시공정(막반응 공정) 6.분진제거용 고온 고압 세라믹필터

안영수
한양대학교 무기재료공학과 학사
한국과학기술원 재료공학 석사
충남대학교 재료공학 박사
한국에너지기술연구원 미래원천기술연구본부장 책임연구원
현 한국에너지기술연구원 효율소재융합연구본부 책임연구원

<본 사이트는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아를 참조바랍니다.>