신사업 소개
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… NICE, 제37권 제3호, 2019N 2 O(아산화질소) 생성 억제 배기 후처리 장치용 촉매 기술 개발
김태민
㈜이엔드디 연구소장 [email protected]
1. 개요
지구 온난화로 인해 점차 심각해지고 있는 기후 변화 현상 때문에, 최근 세계 각국에서는 온실가스 의 배출을 저감하기 위한 연구개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 자동차 부문에서 배출되는 온실가스 로는 주로 CO2(이산화탄소), CH4(메탄), N2O(아산화 질소)가 있으며, 특히 CH4와 N2O는 CO2에 비하여 배 출량은 매우 적으나 지구온난화지수로 비교하면 단 위 체적당 CO2에 비해 지구 온난화에 수십 배에서 수백 배 더 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 특 히, N2O는 CFC(염화불화탄소) 물질들과 더불어 오 존층 파괴의 주요한 원인 물질이기도 하다.
교통안전공단 도로안전본부의 2011년도 교통물류 온실가스 배출량 조사 보고서에 의하면 N2O 등 온실 가스 배출량이 꾸준히 늘어나고 있음을 확인할 수 있 으며, 특히 건설기계와 농기계 등 특수차량들도 많은 N2O를 배출하는 것을 알 수 있다. 현재 배기가스 정 화 시스템을 설계하고 제작할 때 NOx의 제거율이 가 장 중요한 설계인자이긴 하지만, 환산 온실가스배출 규제가 건설기계와 농기계 등 타 분야에 확산될 시점 을 대비하여 N2O 발생을 억제하는 배기가스 정화 시 스템의 선제적 개발도 필요한 실정이다.
본고에서는 생성된 N2O 농도를 감소시키기 위해 서 별도의 장치를 두어야 하는 기존 N2O 분해 제거
기술과는 차별화된 ㈜이엔드디에서 개발한 N2O 생 성 자체를 최소화 시키는 기술에 대해 소개하고자 한다. 이 기술은 N2O 저감을 위한 별도의 추가 장비 가 필요 없는 기술이다.
2. 개발 기술 소개
디젤 엔진은 희박한 공연비와 높은 출력에 따른 고온조건으로 인하여 NOx 및 PM 발생이 상대적으 로 높은 편이다. 배기가스 내의 배출물의 경우 오존 층을 파괴하고 온실효과를 야기한다는 점에서 엄격 히 규제하고 있는데, 이에 대응하기 위해서는 배기 후처리 시스템을 필수적으로 적용해야 한다. 그러 나, 배기가스에 포함된 오염물질을 제거하기 위하여 도입한 배기 후처리 시스템의 촉매에서 오히려 온실 가스인 N2O가 발생하여 배출되는 문제점이 있었다.
웃음 가스로도 잘 알려진 N2O는 매우 안정적인
그림 1. ㈜이엔드디 환경 촉매 배기가스 후처리 장치.
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구조를 가지고 있어서 대기 중에 약 150년간 머물며CO2 대비 310배의 온실효과를 나타내는 물질이다.
이처럼 오염물질을 저감하기 위하여 도입한 배기가 스 정화장치에서 형성된 N2O는 자발적으로 제거될 가능성이 거의 없기 때문에 이를 제거하기 위한 추 가 장치가 필요하다. 그러나, ㈜이엔드디는 N2O 분 해 제거가 아닌 생성 자체를 억제하는 기술을 개발 하여 별도의 후처리 장치 없이 환경 오염을 최소화 시키는 시스템을 만드는 데에 성공하였다.
㈜이엔드디가 개발한 기술은 DOC-DPF-SCR 로 구성된 배기 후처리 시스템으로써, DPF(Diesel Particulate Filter)와 SCR(Selective Catalytic Reduction) 이 각각 PM과 NOx를 저감하는 역할을 담당하고 있 고, DOC(Diesel Oxidation Catalyst)가 전단에서 이를 보조하는 역할을 맡게 된다. DOC 촉매는 배기가스 배출물 성분 중 hydrocarbon과 NO를 산화 시키는데, 특히 NO 산화를 통해 NO2를 생성시킴으로써, SCR 반응이 쉽게 일어날 수 있도록 도와주며, DPF 재생 온도도 낮추어주는 역할을 수행한다. ㈜이엔드디는 여기에 배기 후처리 장치를 거치며 부반응을 통해 생성되는 N2O 발생 자체를 억제하여 온실가스 배출 을 줄이는 기술을 추가하여 개발하였다.
㈜이엔드디가 개발한 기술에 대해 좀 더 부연 설 명을 하자면, SCR 촉매의 DeNOx 작용을 유도하기
위해서는 적정량의 암모니아를 필요로 하나, 암모 니아는 독성이 강하고, 기체 상태로서 저장 공간에 대한 문제를 내포하고 있다. 그러므로, 고정 플랜트 와는 달리 차량에 적용되는 이동형 SCR system에서 는 기체 암모니아를 사용하는 대신, 저장이 용이하 고 상대적으로 독성이 낮은 urea를 이용하여 SCR 반 응에 필요한 암모니아를 생성시키는 방식이 널리 이 용되고 있다. 따라서 실제 차량에 적용된 SCR 시스 템에서는 촉매 전단에서 urea를 분사하고 배기가스 의 열을 이용한 가수분해를 통하여 암모니아를 발생 시킨 다음, SCR 촉매 상에서 NOx를 저감하게 된다.
하지만 배기가스의 유해물질 제거 성능을 높이기 위 해서 후처리 장치에 백금 등 귀금속 촉매를 첨가하 기 때문에 저온 영역에서 NOx가 N2O롤 전환되는 부 반응이 발생된다. ㈜이엔드디가 개발한 기술은 촉매 자체적으로 배기 정화의 효율은 높이면서도 부반응 으로 인한 N2O 생성을 억제하는 기술이다.
3. 기술 개발 성공 요인
㈜이엔드디는 R&D 활동에 대한 투자를 아끼지 않고 있다. R&D가 기업의 미래라는 CEO의 신념에 따라 어려운 경영 환경에서도 높은 수준의 R&D 투 자 비율을 유지하고 있으며, 인적자원 또한 종업원 50명 내외의 소규모 회사임에도 R&D 인력은 10명
그림 2. 디젤엔진 N2O 생성 억제 촉매 기술 핵심 내용.
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… NICE, 제37권 제3호, 2019정도로 규모 대비 R&D 인력 비중이 높은 편이다.
또한, 기술 개발 성공에는 개방형 혁신(Open Innovation)의 적극적인 활용도 있었다. 보수적인 환 경 산업 시장의 특성상 회사 내에서의 아이디어를 통해 새로운 연구 과제를 만들기가 쉽지 않기에, ㈜ 이엔드디는 내부의 부족한 부분을 보완하기 위하여 환경산업기술원, 기계연구원, 자동차연구원, 화학연 구원, 에너지기술연구원 등의 국책연구기관이나 대 학과 협업하고 있다. 이렇게 다양한 외부 전문가들 과의 정기적 교류를 통해서 타 업체와 차별화된 기 술을 기획하고 구체화할 수 있게 되었다. 특히, 대학 과의 협업은 최근 기술 동향과 학계의 분위기를 이 해하고 연구개발 아이디어를 얻는 등 연구 기획 부 분에서 큰 도움이 되었으며, 본고에서 소개되고 있 는 N2O 생성 저감 촉매 기술 역시 서울대학교 연구 실과 함께 기획하였으며, 실제 과제를 수행하면서도 구체적인 자문을 구하는 형태로 함께 작업하였다.
4. 개발 기술에 대한 기대
건설기계와 농기계의 배기가스 정화장치 기술은 자동차 등 기존에 형성된 시장과 달리 신규 규제에 의해 새로이 형성되고 있는 기술 분야이다. 기존에 는 N2O의 발생량이 그다지 많지 않았기 때문에 환경 규제가 엄격하지 않았다. 하지만, 2013년 미국을 시 작으로 머지않아 한국에서도 이에 대한 배출을 제한 할 가능성이 높아지고 있다. 시장성 측면에서 볼 때
전 세계적으로 시장이 형성되기 시작하는 초기 단계 이지만, 향후 성장성은 매우 높을 것으로 예상된다.
㈜이엔드디는 세계 각국에서 이슈가 되고 있는 건설기계 및 농기계의 NOx 규제 대응에 N2O 저감 기술까지 고려한 신개념 배기가스 정화장치 개발을 통해 수입 대체 효과와 수출 증대 효과를 기대하고 있다. 더욱이, 이와 유사한 화력발전소 및 해양플랜 트 등 연관 분야에도 확대 적용이 가능할 것으로 예 상된다.
5. ㈜이엔드디 소개
㈜이엔드디는 2004년에 환경 파괴에 대한 문제를 인식하고 자동차 매연 등 실생활과 관련된 환경 문 제들을 해결하기 위해서 설립된 이래 지속적으로 환 경 분야의 기술을 개발하고 실용화하는 활동을 함으 로써 환경 촉매, 에너지 소재 관련 20여 개 국내외 특 허와 원천기술을 보유하고 있으며, 매출액 280억 원
그림 3. 관련 산업 파급.
그림 4. 2020년 대한민국 산업을 이끌 100대 기술에 선정(2013년).
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규모의 기업으로 성장하였다.㈜이엔드디는 친환경 기술 개발에 대한 그동안의 노력 및 성과들에 대해 인정받아, 2011년도에 벤처기 업대상 대통령상을 2015년에는 대한민국 친환경대 전 환경산업육성부문 국무총리 표창을 수상하였다.
또한, 2013년도에는 한국공학한림원 선정 2020년 대 한민국 산업을 이끌 100대 기술에 선정되었고, 2015 년에는 대한민국 우수환경산업체로 지정되었다.
이 밖에도 미국의 EPA 및 캘리포니아 대기위원회 (CARB, California Air Resources Board) 인증을 획득 하는 등 해외의 규제 기준을 충족하는 기술을 개발 하고 있으며, 현재 국내를 비롯해 중국·미국 등으 로 자동차, 가전용 기기, 농기계에 쓰이는 환경 촉매 를 공급하며 국내뿐 아니라 해외에서도 활발한 활동 을 이어 나가고 있다.
