21세기 첨단세라믹스 산업의 성장기대 분야 첨단 세라믹스 환경소재의 현황과 성장전망 黃光澤 공학박사 / 요업(세라믹)기술원 도자기연구센터 선임연구원 1. 서론 산업의 발전으로 인하여 대기 및 수질분야의 환경오염이 심화되면서 국내외적으로 환경오염 방지에 관심이 고조되고 있다. 전 지구적인 차원에서 인류 삶의 질 향상에 직결되는 환경문제는 모든 산업분야에 영향을 미치게 될 것이다. 이에 따라 1990년대에 들어서면서 국제적인 환경규제가 강화되고, 환경을 이유로 무역과 산업활동에 대한 규제가 시작됨에 따라 산업계는 환경성을 고려한 생산 방식으로 전환이 이루어지고 있다. 국내 환경 산업은 시장규모가 매년 15%씩 성장하고 있으며, 환경부도 최근 보고서에서 지난 2000년 8조 9,000억원에 불과했던 시장규모가 올해에는 11조 8,000억원, 그리고 다가오는 2005년에는 18조 5,000억원에 이를 것으로 예상했다. 이는 2000년 5,237억 달러와 올해 5,862억 달러, 2005년에 6,942억 달러 등으로 3∼6%의 성장률을 보이는 세계 환경 시장의 성장 속도에 비해 최고 5배 빠른 것이다. 환경오염의 감소는 원천적으로 오염물질의 양을 줄이거나 발생하지 않도록 하는 방법과 발생되는 오염물질을 효과적으로 감소시키는 방법으로 진행된다. 환경소재로서 세라믹스는 주로 오염물질의 처리 분야에 주로 사용되고 있으며, 대기분야, 수질분야 및 소음·진동방지 분야로 분류될 수 있다. 2. 대기환경과 세라믹스 대기오염 물질은 입자상과 가스상 물질로 구분되며, 입자상은 고체 또는 액체의 미세한 물질이고, 가스상은 황산화물, 질소산화물, 일산화탄소, 오존 등이 있다. 배출량을 기준으로 수송, 산업, 발전, 난방의 순으로 오염물질이 발생한다. 가. 분진제거용 세라믹스 발전소나, 소각로 등과 같은 고온에서 발생되는 분진제거 등에 세라믹 캔들 필터(ceramic candle filter)가 주로 사용되고 있다. 이러한 캔들 필터는 세라믹 분말과 섬유 중 하나 또는 이들을 혼합한 후 다양한 성형방법을 이용하여 제조된다. 고온·고압가스의 분진제거 용도에 쓰이는 필터의 재질은 일반적으로 열충격에 강한 탄화규소나 코디어라이트(cordierite)등이 주로 사용되어 지고 있으며, 여과효율은 99.9%이상의 만족할 만한 결과를 나타내고 있다. 하지만 표면적이 작아 장치의 소형화가 어려운 점이 해결되어야 하며, 분진 제거 이외에 필터에 촉매를 입혀 질소산화물이나 황산화물의 동시 처리 기술의 발전이 이루어 질 것이다. 나. 자동차 배기가스용 세라믹스 대기오염 중에서 자동차에 의한 오염 배출양이 가장 많은데 국내의 경우 특히 경유차량에 의한 오염이 심각하다. 배기 규제가 강화됨에 따라 엔진내부에서의 유해가스 저감 기술만으로는 규제를 만족하기에는 한계가 있어 후처리 기술의 적용이 불가피해졌다. 가솔린 엔진의 경우 일산화탄소, HC(hydrocarbon), 질소산화물을 동시에 저감시키는 ‘삼원촉매기술’이 현재 사용되고 있으나 규제 강화에 따라 과도기술로 예열촉매기술이 채용될 것이며, 장기적으로는 희박연소식 엔진에 환원제를 사용하는 촉매채용 기술이 적용될 전망이다. 디젤엔진의 경우는 입자상 물질과 질소산화물의 배출이 많아 이의 저감기술이 우선적으로 필요하며, 입자상 물질 대책으로 매연여과장치와 촉매가 채용될 것이다. 촉매를 담지하는 세라믹 허니컴 필터는 월 플로우 필터(wall-flow fliter)라고도 불리우는데, 이 필터 제품의 모양을 그림 1에 나타내었다. 허니컴 필터는 담체의 양끝단을 서로 엇갈리게 체크무늬 모양으로 밀봉한 것으로 배기가스가 필터를 통과시 끝단이 막혀 있기 때문에 반드시 다공성의 벽을 통과하여 지나가야만 한다. 이 과정에서 입자상 물질은 다공성벽에 의해 여과되어 벽에 축적되며 여과된 청정가스만이 대기중으로 방출된다. 이러한 허니컴 필터의 경우, 다른 형태의 필터에 비해 큰 표면적을 가진 장점이 있어 가장 많이 사용되고 있다. 이 필터의 적용시 가장 문제시 되는 것은 열충격에 의한 필터의 균열이나 파손이다. 이러한 열충격 현상은 재생 시 필터 중심부분의 온도는 높은 반면, 열손실이 많은 외부는 온도가 낮아 그 온도 차이에 기인하여 발생된다. 이 문제를 해결하기 위하여 여러가지의 방법이 모색되고 있는데 재생시스템의 적절한 조절에 의하여 입자의 축적량, 가스의 속도 및 온도 등을 적절하게 조절하는 방법과 세라믹 필터의 소재 및 모듈설계 최적화를 통하여 해결할 수 있다. 다. 대기정화용 세라믹 촉매 담체 세라믹 소재를 활용한 대기오염 정화분야 중 대표적인 것이 휘발유 자동차에 쓰이는 배기가스 정화용 촉매담체라 할 수 있으며, 국내의 경우 1987년부터 모든 휘발유 차량에 촉매전환기의 부착을 의무화하였다. 일반적인 소재로는 코디어라이트가 사용되는데 이는 코디어라이트의 저열팽창계수, 우수한 내열성 및 고온강도를 이용한 것이다. 자동차용 촉매전환기는 이러한 코디어라이트 담체에 그 비표면적을 넓히기 위하여 감마알루미나를 코팅하고, 그 위에 다시 백금, 로듐 등의 촉매를 다시 코팅한 후 이를 금속제 캔으로 감싸서 제조한다. 이 때 담체와 금속제 캔 사이에는 담체를 고정하는 물질이 삽입되는데 이의 재료로는 주로 세라믹 매트가 이용되어진다. 한편 세라믹스 촉매 담체는 이러한 자동차용 촉매담체 뿐만 아니라 각종 공장, 발전소, 소각로 등의 유해가스를 제거하기 위한 용도로도 사용되어진다. 즉, 질소산화물을 제거하기 위하여 가장 일반적으로 사용되는 방법은 촉매환원법(SCR:selective catalytic reduction)이라 할 수 있는데, 이 방법이 유해가스 처리효율이나 경제성 면에서 보다 우수하기 때문이다. 이 방법은 배기가스를 촉매와 접촉시키면서 암모니아와 같은 환원성 물질을 분사하여 질소산화물을 질소와 물로 환원시키는 기술로, 각종 세라믹스가 이 공정에서의 촉매(제올라이트, 알루미나 등)나 촉매담체(코디어라이트, 알루미나, 물라이트, 제올라이트 등)용으로 사용되어진다. 3. 수질환경과 세라믹스 수질 개선을 위한 처리 기술들이 다양하게 사용되고 있지만 일반적으로 사용되는 정수 처리기술 종류는 표 1에 정리되어있다. 위 다양한 공법 중에서 세라믹스 막분리를 이용한 수질 정화 공정은 기존의 다른 공정에 비해 에너지 소모가 적고 공정이 단순하여 용수 및 폐수 처리, 해수의 담수화, 초순수 제조 및 식품제조 분야에서의 분리 및 정제 등의 액상 공정에 이르기까지 다양하게 이용될 수 있다. 세라믹 여과막을 이용한 분리 공정의 유용성은 분리 막의 특성에 의하여 좌우될 수 있는데 현재 주로 사용되는 유기질 막은 열적, 기계적, 화학적 및 생물학적 안정성이 낮고 세척이나 열처리에 의한 재생성이 용이하지 않기 때문에 차후 이들을 대체하여 열악한 조업 조건 하에서 효율적으로 장시간 사용될 수 있는 세라믹 막이 개발되고 있으며, 응용분야가 확대될 전망이다. 가. 수질정화용 세라믹　필터 세라믹을 사용하여 제조된 필터의 시장은 90년대 중반부터 크게 증가하고 있다. 2003년부터는 심각한 환경 규제로 인하여 활성화 될 것으로 전망되며, 세라믹 및　금속 필터의 연도별 시장 현황을 살펴 보면 표 2와 같다. 세라믹 필터는 전반적으로 물 또는 용액을 사용하는 모든 산업분야에 적용할 수 있으며, 시장은 30% 이상 지속적으로 증가되고 있다. 국내에서는 아직까지 세라믹 필터의 대량생산기술을 보유하고 있는 기업이 없으나, 가까운 시일에 상용화가 예상된다. 세라믹 필터의 재질은 알루미나, 탄화규소, 물라이트, 규조토 등이며 기공율이 35∼50% 정도의 다공성 지지체와 그 위에 중간층 또는 최종적으로 여과에 적합한 크기의 미세기공을 가진 최종막으로 구성된다. 세라믹 필터의 적용은 과거 수질 속에 함유되어 있던 부유 입자의 제거에 주로 사용되었지만 최근에는 음용수, 발효식품의 정제 그리고 초순수의 제조에까지로 점차 확대되고 있다. 또한 발효균의 분리를 위한 대량생산 공정에 세라믹스 필터가 사용되고 있으며, 공장 폐수 및 지하수의 정수분야 등으로 응용분야는 넓다. 현재까지는 고분자 재질이 많이 사용되고 있는데 이는 세라믹 필터의 몇가지 단점에 기인한다. 우선 세라믹의 난 소결성에 의해 제조공정이 복잡하고, 공정의 제어가 어려우며, 세라믹의 일반적인 단점인 취성이나 대량생산에서의 신뢰성 문제가 있다. 이러한 단점을 극복하는 시도가 이루어지고 있으며, 세라믹스의 장점인 내열·내식성 및 내화학성, 고압에 대한 내구성, 세척에 의한 장수명 등에 의하여 그 적용 영역은 확대될 것으로 예상된다. 나. 수질정화용 세라믹 담체 세라믹 담체는 미생물이 부착증식하여 생물막을 형성하는데 필요한 표면을 제공하는 역할을 하며, 이를 이용한 생물막 폐수처리 공정은 반응기 내에 다양한 미생물이 증식할 수 있을 뿐만 아니라, 담체의 수명이 길고 슬러지의 자기 산화가 촉진되기 때문에 폐슬러지의 발생량이 적은 이점이 있다. 또한 다양한 미생물종이 군집을 형성함으로써 온도와 pH변동, 충격부하 및 난분해성 물질유입에 따른 대처능력이 뛰어나고 슬러지 부상 등과 같은 문제점을 줄일 수 있다. 폐수처리에 사용되는 담체는 초기에는 폴리머나 천연석을 이용하기도 하였으나, 점차로 미생물의 부착능을 고려하여 인위적인 기공을 형성한 세라믹 담체로 바뀌어가고 있으며, 운전 특성에 적합하도록 담체를 설계하여 제조할 수 있는 수준에 이르렀다. 현재 많이 사용되고 있는 담체는 고분자 재질로 비표면적이 크고 가벼운 것이 장점인 반면 강도가 낮고, 열적, 화학적으로 약하다는 단점이 있다. 이에 비해 세라믹스 재질은 기계적 강도가 크고 내열성 및 내화학성이 우수하며, 미생물과의 친화성에 의해 고분자 재질의 단점을 보완할 수 있어 시장규모가 증가해 나갈 것이다. 다. 수질정화용 응집, 침강제 정수과정이나 폐수처리 과정에서 부유물질의 제거는 생물학적 및 화학적 산소요구량, 중금속 및 탁도 등의 제거효과를 얻을 수 있는 분리조작으로 매우 중요한 공정이다. 미세입자들은 모두 응집침전에 의해 제거되는데 응집제로는 현재 알루미늄염이나 철염 등이 주로 사용되고 있다. 응집침전 과정은 미세 응집의 생성, 응집체들 간의 충돌 접촉으로 큰 응집체를 형성하는 뭉침과정, 큰 응집체들의 침강과정 등 3단계로 나눌 수 있다. 알루미늄계 응집제는 정수시 수돗물과 폐수의 처리수내 알루미늄의 농도 증가 요인이 되기도 한다. 알루미늄은 인체에 축척되거나 생태계에서 독성을 나타내는 것으로 알려져 있으며 산성비로 인하여 농도가 지속적으로 증가하는 것으로 보고 되고 있다. 따라서 이러한 응집침전반응을 개선하여 기계적 강도가 크고 밀도가 높은 응집체를 생성할 수 있는 응집제가 개발된다면 빠른 침강속도로 처리시간을 크게 단축할 수 있어 기존의 방법에 비하여 효율적이고 경제적인 처리가 가능할 것이다. 알루미늄이나 철염 대신 부분적으로 응집효과가 있는 것으로 칼슘과 실리콘 등 인체에 무해한 성분을 주축으로 하는 새로운 세라믹스 재질의 응집제를 개발함으로써 기존의 응집제가 가지는 문제점들을 크게 개선하고 또한 알루미늄의 유해성 문제까지도 해결할 수 있게 된다. 최근에 적조 및 녹조에 의한 피해 사례 등이 보도되면서 이 분야의 기술개발이 촉진되고 있다. 지금까지 국내에서 개발된 적조 또는 녹조제거를 위한 방법은 황토살포법, 생물효소를 이용한 방법, 화학응집제에 의한 응집 후 부상처리 등이 있으나 세라믹스 재질의 침강, 응집제가 가장 유망한 방법으로 제시되고 있다. 또한 축산폐수의 전처리 공정에서 사용이 가능하여, 이 분야에 대한 연구개발의 필요성이 커지고 있다. 4. 결론 환경오염의 심각성을 인식하고 수질 및 대기의 개선을 위한 연구는 지속적으로 수행되어져야 하며 우선 오염된 환경을 재생하려고 노력하는 것보다는 오염물 발생 억제에 더욱 깊은 관심을 가져야 할 것이다. 수질이나 대기에서 현재까지는 폴리머나 금속을 이용한 환경소재가 주를 이루고 있었으나 산업의 다양화와 이차 오염물질의 발생의 문제 등으로 인하여 세라믹 소재의 사용량이 증가되고 있다. 따라서 세라믹스 재질을 이용한 환경오염 방지 연구는 오염 인자에 대한 분석 그리고 세라믹스의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 지속적인 연구 개발이 수행되야 할 것이다. 세라믹스가 환경산업에 적용되기 위해서는 개발된 소지를 장착한 시스템을 설계할 수 있는 연구가 병행하여 이루어야 한다. 또한 현재 발생되어지고 있는 재활용이 가능한 무기계 폐기물을 이용하여 세라믹 환경소재를 제조하는 연구가 필요하며, 대기 및 수질오염 방지 분야에서 기존 소재들을 세라믹스 재질로 대체함으로써 시장 및 활용분야가 확대되어져 나갈 것이다.