에너지 소재의 연구개발 동향

환경친화형 에너지 신소재의 연구개발 현황 및 전망

우 상 국 공학박사 한국에너지기술연구원 에너지재료연구센터 책임연구원

21세기 국내외 에너지환경은 새로운 도전과 변화를 예고하고 있다. 석유자원의 고갈, 기후변화협약 발효에 따른 국제적인 새질서의 도래, 그리고 중국·인도 등 거대 개도국의 에너지수요 폭발, 이라크 전쟁 및 카트리나에 의한 미국 석유 생산의 불균형 등과 같이 근본적이고 막대한 영향을 미치는 새로운 도전에 의해 배럴당 60달러를 넘어서는 고유가 시대에 부딪히게 되었다.
사용에너지의 97% 이상을 수입에 의존하고 있는 우리나라의 경우 2000년 들어 에너지 소비량이 약간씩 감소하고 있지만 여전히 연평균 6.6%의 증가율을 기록하는 등 고유가 행진에 국가적인 차원에서 에너지 문제를 해결하기 위한 방안을 적극적으로 모색해야 할 필요성이 있다. 특히 산업 고도화에 필연적으로 수반되는 에너지의 과소비와 그에 따른 급속한 대기환경의 악화로 야기되는 문제점에 대해 보다 근본적인 해결책이 요구되고 있으나, 기존의 소재 및 발전기술로는 환경오염 방지 및 에너지 절약에 한계가 있으므로 첨단 혁신 소재의 개발을 통하여 이를 극복할 필요가 있다.
2002년도 정부는 국가 경쟁력 제고를 위하여 ET
(Environment&Energy Technology), NT(Nano
Technology) 등과 같은 6개의 기술군에 99개의 기술을 핵심기술 분야로 선정하였으며 그 중 에너지분야 중점기술 가운데 최우선적으로 에너지소재 기술의 개발이 이루어져야 한다고 선정하였다. 이를 구체화시키기 위하여 국가과학기술지도(National Tech
nical Roadmap, NTRM)를 작성하여 이의 개발을 뒷받침하고자 하였다.  
과거에는 산업이 에너지 문제를 유발시켰으나 현재에는 에너지와 환경이 산업의 흐름을 바꾸어 가고 있는 상황에서 에너지 다소비 설비나 시스템에 사용되는 첨단 에너지 소재와 부품을 이용한 에너지 절약 기술 및 청정환경 기술의 개발은 매우 필요한 상태이다.
따라서 본고에서는 우리나라의 NTRM 상에 제시된 에너지소재 기술 중 세라믹을 이용한 에너지 소재 기술을 환경친화형 에너지 소재, 고효율화 에너지 소재, 미래형 에너지 소재로 분류하고 각각의 현황 및 전망을 제시하여 이를 토대로 우리나라 세라믹 산업의 선진기술 기반을 구축하기 위한 자료를 제공하고자 한다.

1. 서 론
친환경 에너지 소재는 기공제어, 활성도 증진, 고온 안정성, 투과도, 선택도, 경량화, 내열성 증진 등으로 환경오염 방지와 에너지 절약에 기여할 수 있는 혁신 소재를 통칭하는 것으로서, 그 용도가 다양하고 활용되는 범위가 매우 넓어 정의하기가 어려우나  청정환경과 청정에너지 기술의 핵심인 분리막, 촉매, 흡착제, 필터소재 등으로 분류할 수 있다.
흡착·촉매 소재는 유해물질을 물리·화학적으로 흡착 포획할 수 있는 소재 또는 유해물질을 덜 유해하거나 무해한 물질로 산화환원 반응에 의하여 변환시킬 수 있는 소재를 말한다. 흡착제로서는 제올라이트, carbon molecular sieve, 활성탄, 실리카, 알루미나 등이 사용되고 있으며, 상업용 촉매제로는 산화물 촉매 등이 사용되고 있다.
필터 및 분리막 소재는 혼합물로부터 순수한 물질을 분리해 내는 소재로서 석유 화학, 천연가스 산업 등 에너지 환경 산업뿐만 아니라 수처리 산업, 음료 산업, 생물 공학, 제약, 의료, 금속 정제 및 세정, 대체 에너지 산업 등에서 활용되고 있다. 이 중 세라믹을 이용한 필터 및 분리막 소재는 주로 기체분리용 소재로 많이 연구가 되고 있으며 실리카, 알루미나, 제올라이트, 탄화규소 및 복합산화물 등이 사용되고 있다.

2. 연구개발 현황
가. 산업동향
세계 에너지환경 시장 규모는 현재 약 6610억불에 이르며 친환경 에너지 기술 개발의 중요성이 강조됨에 따라서 연평균 약 10% 이상의 성장이 예상되고 있다. 그 중 친환경 에너지 소재 시장은 약 1500억불 정도이며 특히, 2020년 이후에는 차세대 친환경 에너지 소재의 실용화에 따른 무공해 화석연료 사용 기술과 수소 등 신재생 에너지 활용 기술이 산업화 초기 진입할 것으로 예상되어 그 시장은 더욱 활성화될 것으로 보인다. <표 1>에는 친환경 에너지 소재의 국내·외 산업동향 및 시장규모를 요약하여 나타내었다.
세계 분리막 시장 규모는 2004년 현재 약 40억불로 국내 분리막 시장 규모인 약 2160억원의 20배 이상으로 대부분 수처리분야, 식품 및 생물분야, 석유 및 화학분야에 활용되고 있다. 그 중 세라믹이 많이 사용되고 있는 기체분리막 분야는 현재 6000만달러 수준으로 많지 않으나 연평균 성장률이 16.5%에 이르는 등 발전 가능성이 매우 높다. 촉매는 많은 환경문제에 대하여 실질적인 해결책일 뿐만 아니라, 시장규모에서도 매우 중요한 기술로서 현재 세계의 촉매 시장은 약 90억 달러에 이르는 것으로 추산되며, 이 중 약 1/3인 30억 달러가 환경용 촉매시장이다. 그러나 주로 귀금속 촉매 등을 이용한 금속촉매의 개발이 주로되었으며 산화물을 이용한 촉매소재 개발은 MnO2 등과 같은 오염물질 처리용 촉매의 개발에 국한되고 있는 실정이다.
세계 흡착제 시장 규모는 정확히 파악되지 않으나, 2004년 세계 제올라이트와 활성탄 시장 규모는 약 32억불에 이르는 것으로 알려져 있다. 그러나 파악되지 못한 고부가치 고성능 흡착제 시장을 합할 경우 적어도 약 40억불에 이를 것으로 예측되고 있다. 산업 및 수송용 고온 세라믹 필터의 시장은 경유승용차의 증가 및 고효율 연소시스템의 증가에 따라 매년 10% 이상 증가하고 있다.
특히 경유승용차의 경우 휘발유자동차에 비해 열효율이 높아 연비가 우수하며 CO2배출량도 20% 이상 적게 배출되어 사용이 늘어나고 있는 추세로 전세계적으로는 약 400억불, 국내의 경우는 약 2000억원의 시장을 형성하고 있다.
나. 기술개발 동향
선진국의 경우, 국가 에너지 및 환경문제를 핵심기술인 소재의 개발로 해결하고자 정부주도에 의해 장기대형 프로그램(미국 Vision 21, 유럽 Joule, 일본 NEDO 프로그램들)을 운영하고 있으며, 소재 개발에 관한 대폭적인 지원과 체계적인 연구시스템을 구축하여 운영하고 있다. 그러나 국내의 기술은 선진국 모방형으로 산발적으로 진행되고 있으며 현재 선진국이 산업화 초기 단계인데 비하여 국내 기술은 기초 연구 단계에 머무르고 있다.
무기질 분리막의 개발은 1940년 이후 시작되었으나 1980년 이후 무기질 분리 소재 기술의 기초 연구뿐만 아니라 상업화 연구도 본격적으로 진행되었다. 1990년대 이후에는 투과도가 우수한 다공성 Al2O3 지지체에 선택도가 우수한 치밀한 SiO2, Zeolite, Carbon 막을 코팅함으로써 우수한 투과도 및 선택도를 갖는 무기질 분리막을 제조하는 연구가 진행되어 왔으며 다양한 분야(CO2, H2, O2 Separation)에서 그 응용 가능성이 제기되어 1990년 대 말부터 본격적으로 이에 대한 연구가 진행 되었다. 그러나 고효율 무기막 소재 개발기술은 에너지, 환경관련 최신기술로서 일본, 미국, 유럽 등의 모든 국가에서 정부주도 과제로 진행 중에 있다. 즉 일본의 NEDO, 미국의 DOE, 유럽의 LUCADI 등과 같은 에너지, 환경관련 부처에서 주도적으로 연구를 진행시키고 있다. 특히 1997년 후반부터 BP, Prax air, Amoco, Statoil, SASOL사 등이 국제적인 컨소시엄을 구성하여 천연가스로부터 합성가스를 제조하고 나아가 액체연료까지 얻을 수 있는 무기분리막의 개발을 위한 연구를 수행 중에 있으며 [그림 1]과 같은 제품을 개발하여 현재 현장실험 중에 있다. 국내의 경우에는 한양대, 한국화학연구원 등을 중심으로 고분자 분리 소재 개발에 연구 치중되어 왔으며 1990년대에 국내 무기질 분리 소재 연구가 연세대를 시작으로 기초 연구가 수행되었다. 2000년에 들어 고온 기체 분리 소재 기술의 중요성이 인식되어 한국에너지기술연구원, 연세대, 한국화학연구원, 생산기술연구원 등에서 Pervskite 산화물을 활용한 O2 분리막, 제올라이트 소재를 활용한 CO2 분리막, 촉매 분리막 반응기(catalytic membrane reactor)에 대한 연구가 수행되고 있으나 아직 기초적인 수준을 면치 못하고 있다.
촉매소재는 많은 환경문제에 대하여 실질적인 해결책일 뿐만 아니라, 시장규모에서도 매우 중요한 기술이나 주로 귀금속 촉매 등을 이용한 금속촉매의 개발이 주로 되었으며 산화물을 이용한 촉매소재 개발은 MnO2 등과 같은 오염물질 처리용 촉매의 개발에 국한되고 있는 실정이다. 흡착소재는 제올라이트 및 활성탄을 주로 사용하여 [그림 2]와 같은 VOC 흡착로터 등을 제조하여 왔으나 최근들어 전세계적으로 탄소의 기공 구조, 특히 micropore와 mesopore를 제어하는 연구를 진행하고 있다. 최근들어 일본에서는 균일한 micropore구조를 가지는 carbon molec
ular sieve (CMS)를 직접 열분해 하는 방법과 적당한 다공성 탄소체를 선정하여 기공 구조를 변화시키는 방법을 사용하여 제조하고 있다. 또한 고분자, 염료, 비타민 등의 분자 크기가 큰 물질을 흡착하기 위해서는 mesopore를 가진 기공체가 필요하며 두 가지 이상의 고분자 혼합물을 탄화시키는 방법을 사용하여 mesopore를 제조하고 있다.
산업 및 수송부문에서 석탄, 석유와 같은 화석연료를 이용하여 에너지를 투입하는 경우 SOx, NOx, CO 및 입자상 오염물질 등의 환경오염 물질이 발생하게 된다. 이의 해결을 위하여 [그림 3, 4]와 같은 허니컴형 및 캔들형 필터를 이용하게 되는데, 특히 고온 및 내식을 요구하는 경우 세라믹으로 이루어진 필터가 필요하게 된다. 현재 선진국에서는 디젤엔진으로부터 배출되는 분진이나 유해가스성분에 대한 규제를 입법화할 예정으로 있어 이에 대한 대책으로 미국, 일본 등의 선진국에서는 wall flow monolith라는 필터를 개발한 후 실차에 적용하고 있다. 코디어라이트, SiC, 세라믹파이버 등의 세라믹 소재를 이용한 연구가 주로 진행되었으며, 현재 일본의 Ibiden, NGK사 등에서 개발하고 있는 SiC 모노리스 필터가 많이 이용되고 있으며 특히 뿌조사에서 Ibiden사의 SiC 필터 사용하여 디젤차를 생산하고 있다. 고온의 산업공정 또는 대기오염 배출 시설물에서 고온 집진의 필요가 증대되고 있으며, 나아가 고효율 발전을 위한 PFBC, IGCC의 경우 1000℃, 20bar 이상의 고온, 고압 하에서 효율적인 집진기술이 더욱 요구되어 일반적으로 세라믹 필터를 사용하여 집진하고 있다. 세라믹 집진필터는 미국, 영국, 독일, 일본 등을 중심으로 20년 전부터 여러 종류의 고온용 집진필터를 개발하고 있다. 산화물을 이용한 고온용 집진필터의 개발연구는 1970년대에 들어서 시작되었으며, 상용화가 가장 많이 되어 있다. Blasch Precision Ceramics, Coors Ceramic Company 및 BWF 등의 기업체에서 mullite, alumina 등의 산화물 및 산화물섬유 등을 이용하여 개발하였으며 장시간 실험을 수행하였으나, 고온고압에는 사용하기에 부적합한 것으로 알려졌다. Oxide Filters의 단점을 보완하고자 1980년대에 들어와 Schumacher, Pall Advanced Separations 및  IF&P 등에서는 고온열전도가 우수하며 부식저항성이 좋은 비산화물질을 이용한 집진필터를 개발하였다. 그러나 고온에서 가열, 냉각을 반복한 결과 점토질 무기결합재가 유리화가 되어 열충격에 비교적 약해진다는 단점을 가져왔다. 따라서 현재 이러한 점토질결합 탄화규소는 650℃ 이하의 온도에서 주로 사용되고 있으며 이러한 단점을 보완하고 800℃이상의 온도에서 사용할 수 있는 집진필터를 제조하기 위하여 Schumacher, Pall사 등에서 연구를 계속하고 있는 실정이다. 또한 3M, McDer
mott, Albany International Techniweave 등에서 복합소재를 이용한 고온 가압용 세라믹필터의 개발하여 현재 실험용 가압유동층 설비에 설치하고 운전 중에 있으나 제조가 힘들어 가격이 높은 단점이 있다.
현재까지 국내에서 개발이 진행되고 있는 친환경 에너지소재의 기술수준과 핵심기술별 국내역량을 선진국과 비교하여 보면 각각 표 2와 표 3과 같다.

3. 기술개발 전망
21세기 국내외 에너지환경은 새로운 도전과 변화를 예고하고 있으며 이러한 도전들을 효과적으로 슬기롭게 극복하기 위하여 신에너지 기술 개발에 대한 시대적 요구가 증가하고 있다. 선진 각국들은 고효율, 고성능 에너지 절약기기 및 대체에너지 기기의 개발을 통한 에너지기술력의 강화로 신에너지 환경산업의 독자적 기술기반을 구축하여 차세대 에너지 시장을 선점하고자 차세대 핵심소재인 에너지소재 개발에 국가적 역량을 집중하고 있다. 최근 들어 우리나라의 경우에도 유해물질 배출에 대한 규제가 실효됨에 따라서 유해물질 저감 기술은 그 자체로 경제적 가치를 창출할 수 있을 뿐만 아니라, 선진국의 유해물질 저감 압력에 따른 타 산업 경쟁력 둔화를 극복할 국가 생존 기술로서 인식하고 친환경 에너지 소재에 대한 투자를 늘려가고 있다.
무기 분리막을 이용한 막분리 공정은 여타 공정에 비해 매우 효율적이고 경제적인 공정으로서 온실가스의 감축 방안이 요구되고 있는 이산화탄소의 분리뿐만 아니라 산소, 수소, 질소 등 유효기체의 효율적인 분리활용에서도 상당한 잠재력을 갖고 있다. 미국의 경우, DOE를 중심으로 연소시스템의 고효율화를 위하여 저가의 산소 제조에 심혈을 기울이고 있으며 이를 위하여 세라믹 막을 이용한 순산소 발생 장치의 개발을 유도하고 있다. 또한 세라믹 막을 이용한 이산화탄소, 합성가스 생산용 에너지 기기를 개발하고자 정부 차원에서 장기간의 연구계획을 수립하여 추진 중에 있으며, 일부 상용화 단계에 도달한 것은 민간 업체로의 이양을 통하여 사업화를 유도하고 있다. 따라서 우리의 경우에도 조성제어, 결정상 제어, 복합매질화, 촉진수송화, 미세구조제어, 대면적 박막화 기술 등의 핵심기술을 대학교 및 출연연구소의 전문연구인력을 양성하고 국내 파인세라믹스 제조업체와 접목시켜 연구인력의 결집과 연구결과 및 장비의 공유를 유기적으로 진행한다면 선진국과 경쟁할 수 있는 기술이 반드시 확립될 것이라 판단되며 시장은 매우 클 것으로 보인다.
석유화학 또는 화학 작업장에서 VOC 등 유해물질을 포획 및 제거하기 위한 흡착·촉매 소재 기술 개발에 대한 연구가 최근들어 집중되고 있으며 향후 이를 산업화할 경우 흡착 촉매가 탑재된 에너지 환경 공정의 고효율화 및 신개념 공정 개발로 산업화가 유리할 전망이다. 이를 위하여 먼저 현재 오염물질 제거와 고부가치 물질 제조에 활용되는 촉매를 나노구조화에 의해 고기능화, 저비용화하는 기술을 개발함으로써 향후 청정환경 공정의 고효율화와 저비용화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 현재 오염물질 및 신에너지 포획에 활용되는 흡착소재의 경우 기공구조 제어, 화학적 친화력 제어, 광물형 또는 탄소계 나노체 합성 등의 개발을 통하여 흡착소재의 고성능화를 이룰 수 있다. 이러한 고성화된 흡착소재를 이용하여 오염물질 및 신에너지 포획 공정의 효율을 극대화할 수 있어 향후 여러분야에 이용이 될 것으로 보인다.
필터소재의 경우, 산업 및 수송부문에서 에너지의 절감 및 유해환경 정화를 위하여 고온 세라믹 필터의 사용은 필연적으로 증가할 수 밖에는 없다. 현재의 문제점인 고온 안정성, 열충격저항성, 미세먼지 제거 효율 향상 등의 연구를 기존의 장비와 인력의 보강을 통해 집중적으로 수행 할 경우 우수한 성능과 기술의 확보가 가능하고 선진국과 격차를 줄이는 가시적인 성과를 거둘 수 있을 것이다.

4. 결 론
2005년 2월을 기해 발효된 기후변화협약에 따라 전세계적으로 환경오염물질에 대한 규제가 실효되었으며 세계 각국은 이에 대한 효율적 대응이라는 국가적인 과제를 안고 있다. 이러한 도전들을 비용 효과적으로 슬기롭게 극복하며 더욱 치열해지는 무한 국제기술경쟁 시대에 대처하기 위하여 선진국에서는 친환경 에너지재료의 나노화 및 복합기능화 기술 개발에 국가적 프로그램을 통하여 연구를 수행하고 있다. 다행히 우리나라도 친환경 에너지 재료의 중요성을 인식하고 차세대 핵심 원천소재 기술 분야에 친환경 에너지 소재 기술을 포함하여 개발하고자 한다. 그러나 아직 정부 지원은 미약한 상황으로 지식집약형 친환경 에너지 재료의 개발을 위해서는 정부 주도하의 집중적 연구투자가 절대적으로 필요한 실정이다. 단기적인 안목보다 향후 청정환경을 꿈꾸며 장기적인 그리고 꾸준한 지식집약형 친환경 에너지 재료의 개발이 이루어질 때 후손에게 깨끗한 나라를 물려줄 수 있을 것으로 생각된다.

필자약력
·연세대학교 세라믹공학과  학사
·한국과학기술원 재료공학과 석사
·한국과학기술원 무기재료공학과 박사
·한국에너지기술연구원 센터장
·한국에너지기술연구원 부장
·현재 한국에너지기술연구원 책임연구원

표1. 친환경 에너지 소재의 국내·외 산업동향

 표2. 친환경 에너지 소재의 국내·외 기술 수준

표3. 고효율화 에너지소재의 핵심 요소 기술별 국내역량 비교