[신사업 소개] 희성촉매 R&D 소개

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… NICE, 제32권 제6호, 2014

희성촉매 R&D 소개

김 복 희

[email protected] 희성촉매

희성촉매는 1983년 치과용 합금재료 및 수금 (liquid gold)을 생산하는 회사로 당시 미국의 엥겔하 드와 럭키금성(樂喜金星) 그룹의 합작회사로 설립되 었다. 오늘날과 같은 촉매전문회사의 모습을 갖추게 된 것은 1988년 서울 올림픽을 계기로 국내에서 강화 된 자동차 배기가스 규제 대응을 위해 가솔린자동차 용 삼원촉매를 생산하기 시작하면서부터라 할 수 있 다. 현재는 년간 800 만개 이상의 자동차배기가스 정 화용 촉매를 비롯하여 휘발성유기화합물(VOC) 저감 촉매와 같은 고정원 촉매, 그리고 화학공정용 촉매를 개발, 생산하고 있는 국내 유일의 종합촉매회사로 성 장하게 되었다.

희성촉매의 급속한 성장에 크게 기여해 온 연구소 는 1992년에 5명의 인원으로 설립되었으며, 초기에는 생산지원 위주의 활동을 수행하였다. 1998년 이후 활 발한 연구개발투자가 진행되면서 촉매 개발도 활발하 게 이루어지기 시작하였다. IMF 외환위기가 최고조 에 달했던 시점에서 25억원이 소요되는 실차동력계 (차량에서 직접 촉매 성능을 평가 할 수 있는 시스템) 설치를 결정한 것은 연구소 성장 과정에서 가장 큰 이 정표라고 할 수 있다. 이후의 지속적인 연구개발투자 를 통하여 촉매 개발의 전 과정에서 필요로 하는 대부

분의 설비들과 100여명의 직접개발 인력을 보유하게 되었다. 특히 2010년에는 연구소 건물을 신축하고 대 규모의 설비 증설을 마무리 함에 따라, 촉매 개발 역 량을 획기적으로 강화할 수 있게 되었다.

촉매를 개발하고 생산하는 과정은 상당한 시간과 비용을 필요로 한다. 촉매 자체가 갖는 나노 및 표면 특성을 이해하기 위한 기초 특성 분석, 개발 단계별 촉매 성능을 평가, 생산성 및 경제성을 확보하기 위 한 제조 공정 개발, 촉매 양산에 이르는 설비들을 확 보하고 있다. 아래의 사진은 자동차촉매 개발에 있어 서 가장 핵심적인 설비라 할 수 있는 엔진동력계와 실차동력계이다. 현재 희성촉매 연구소는 15대의 엔 진동력계, 2대의 실차동력계 및 다양한 종류의 분석 기들로 이루어진 세계적 수준의 엔진랩을 보유하고 있다.

1. 연구개발 분야 및 현황

희성촉매의 연구개발은 촉매 자체 개발과 개발된 촉매의 적용을 위한 촉매시스템 개발을 두 축으로 하 여 이루어지고 있다.

가솔린 자동차 촉매

·SULEV 이후 규제 대응용 삼원촉매 기술 개발

·HC Trap촉매, 가솔린 미세 매연 제거 필터 개발

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·소형/대형 디젤 자동차 EURO-6 시스템 개발

·Post-EURO6 시스템 개발

·디젤 산화촉매, 디젤 매연 제거 필터 개발

·NOx 저감촉매: Lean NOx Trap, SCR 촉매

화학환경 촉매

·PM/Alumina, PM/Carbon Type

·BMO types

·VOC 저감촉매

·NOx 저감촉매(SCR)

삼원촉매(TWC)는 공기와 연료의 이론 당량비 영 역에서 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 산화시 키고, 동시에 질소산화물(NOx)를 환원시킬 수 있는 촉매 기술이다.

가솔린 자동차용 삼원촉매(Three-Way Catalyst) 는 사용되는 귀금속 조합에 따라, Pd-only, Pd/Rh, Pt/Pd/Rh 타입으로 분류되고 있으며, 최소의 귀금속 을 사용하여 강화되고 있는 환경규제를 만족시킬 수 있도록 촉매 성능을 지속적으로 개선시키고 있다. 보 다 적은 양의 귀금속을 사용하여 해마다 강화되는 규 제를 만족시킬 수 있는 것은 support, promoters 등과 같은 새로운 원재료와 공정개발을 통해 가능하다.

삼원촉매 외에도 시동초기의 탄화수소 배출량을 저

감하기 방안으로 촉매 층의 온도가 낮을 때는 탄화수 소를 흡착하였다가 촉매가 활성화되면 탈착시켜 산화 시키는 HC-trap이 포함된 삼원촉매 개발과, 최근 급 격히 보급되고 있는 가솔린직접분사(GDI) 엔진으로 부터 배출되는 미세 매연 저감을 목적으로 필터 개발 이 진행되고 있다.

디젤엔진에서 배출되는 배기가스 저감에는 다양한 촉매 기술이 적용되고 있다. 탄화수소, 일산화탄소 저 감을 위한 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), 매연 저 감을 위한 DPF(Diesel Particulate Filter), 질소산화 물 저감을 위한 DeNOx 촉매들이 개발되고 있다. 대 표적인 DeNOx 촉매기술로 LNT(Lean NOx Trap), Urea-SCR 그리고 HC-SCR 촉매 등이 있다.

디젤 배기가스 정화용 촉매 기술에서 가장 기본적 인 기술은 DOC라 할 수 있다. DOC 단독 또는 DOC+DPF, DOC+DPF+DeNOx의 조합 형태로 사 용되고 있으며, 적용 목적에 따라 요구 특성은 매우 다르다.

다음 그림은 최근 큰 관심을 받고 있는 LNT 촉매 기술에서 지난 3년 동안 달성한 촉매 성능의 개선 정 도를 나타낸 것이다. 이는 신규 NOx 저장 물질 (NSC)의 적용 및 귀금속과 NSC 사이의 상호작용을 최적화함으로써 가능하였고, in-situ DRIFT 시험을 통해 촉매 표면에서의 NOx 흡착, 탈착 거동 변화의 결과를 바탕으로 더욱 확실히 할 수 있었다.

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Urea-SCR 촉매는 현재 디젤엔진에서 배출되는 NOx 저감을 위한 가장 효율이 높은 촉매 기술이다.

고정원에서 사용되는 SCR 촉매는 400도 수준의 내열 성 온도와 300도 이상에서의 NOx 정화율이 주된 관 심 영역이지만, 자동차 경우에는 800도 수준의 높은 내열성과 200~450도 영역의 넓은 작동 온도 영역을 필요로 한다. 따라서 제올라이트를 기반으로 하는 촉 매가 주목을 받아왔지만, 내구성 및 활성에서 충분한 신뢰를 갖지 못하고 있었다. 희성촉매에서는 기존에 널리 적용되어 왔던 Fe-zeolite와 다른 형태의 Cu- zeolite 적용하여, 위에서 기술된 조건의 조건에서 충 분한 내구성 및 활성을 확보하였다.

자동차 배기가스 정화 목적 이외의 환경촉매로는 고정원에서 배출되는 휘발성유기화합물(VOC,

Volatile Organic Compound)을 저감하는 VOC 촉 매, 질소산화물을 저감할 수 있는 선택적 촉매 환원 (SCR, Selective Catalytic Reduction) 촉매를 개발, 생산하고 있다. 자동차와 고정원에서 배출되는 유해 성분을 효율적으로 저감시키기 위해서는 촉매 자체 개발과 함께 촉매시스템이 최적화되어야 한다. 효과 적인 최적화를 위해 해석 기반 촉매시스템 설계 기술 이 유용하게 활용되고 있다.

화학촉매분야는 크게 귀금속 담지형 촉매와 비귀금 속 촉매로 구분하여 개발하고 있다. 자동차촉매개발 을 위해 구축된 제반 인프라를 기본적으로 공유하고 자동차촉매 분야의 지식과 경험을 전통적인 화학촉매 기술과 결합시켜 경쟁력 있는 촉매를 개발한다는 기 본 방향을 갖고 있다. 석유화학 및 제반 화학 공정에 서 적용되는 Pt/Alumina, Pd/Alumina, Pd/Carbon 타입의 귀금속 촉매 개발이 활발하게 진행되고 있다.

2. 향후 전망 및 당면과제

환경촉매의 적용 범위는 날로 확대되고 있는 추세 이다. 현재 소위 on-road 차량에 국한된 자동차 촉매 의 장착이, 건설기계와 농기계 분야에 2010년부터 적 용되어 2014년에는 Tier-4 Final 규제로 강화되고 있 다. 선박의 경우에도 2016년부터 크게 강화되는 NOx 규제를 대응하기 위한 가장 유력한 수단으로 Urea- SCR 촉매 기술이 검토되고 있다. 현재 진행중인 프로 그램에서 개발되는 촉매들은 다음과 같이 엔진을 사 용하는 모든 운송수단 또는 설비들에 장착이 되어 우 리의 환경보호에 기여하게 될 것이다.

전세계 촉매시장에서 가장 큰 부분을 차지하고 있 는 제올라이트는 DOC에서 HC-trap 기능 성분으로 제한적으로 사용되어 왔다. 이는 제올라이트 자체의 수열 내구성이 낮고, 흡착 특성과 탈착 특성이 균형을 이루지 못하는 데 기인하였다. 그러나 배기가스 규제 가 더욱 강화되고, 새로운 항목들이 설정되면서 (CO2, CH4, N2O, NH4, NO2) 제올라이트는 새로운 전기를

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대량의 제올라이트가 소요될 것으로 예상되고 있다.

이는 고온 수열조건에서의 내구성이 확인되고, transient 조건에서의 특성이 검증되는 것을 전제로 하고 있다.

환경촉매와 비교하여 국내에서의 화학촉매개발 및 생산 경험은 일천한 상황이다. 그나마 다행인 것은 국 내 화학산업계에서 촉매기술의 자립 분위기가 증가하

고, 여기에 부응하고자 하는 희성촉매의 의지와 노력 이 합해지면서 진전을 이루고 있음은 분명해 보인다 는 사실이다. 희성촉매는 2011년 7월에 화학촉매 생산 공장을 안산 반월공장에서 충남 당진으로 확장 이전 함으로써 보다 향상된 화학촉매 생산 및 연구개발 역 량을 바탕으로, 앞으로도 자동차촉매와 화학촉매 분 야 모두에서 국내 촉매산업을 주도적으로 이끌어 나 가기 위해 노력할 것이다.