다양한 전이금속 촉매 양산 기술을 통한 환경/공정용 촉매 양산
손민영
㈜퓨어스피어 상무이사 myson@puresphere.co.kr
사업 배경
기후 변화에 따른 환경문제는 인류가 해결해야 할 당면 문제로 떠오르며 전세계적인 이슈가 되 고 있다. 이러한 시대의 흐름에 맞춰 세계 각국은 환 경 관련 규제를 강화하고 온실가스를 제거할 수 있 는 기술과 소재의 개발에 많은 투자를 하고 있다. 그 중 촉매를 이용한 온실 가스 제거기술은 에너지 비 용이 저렴하여 가장 각광받고 있는 기 술이다. 특히, 전이금속(Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Zn 등)을 이용한 촉매 기술은 고가의 귀금속(Pd, Pt, 등) 촉매를 대체할 수 있고 고성능, 고효율의 성능 을 발휘할 수 있다. 최근 UNIST의 김건태 교수팀 은 온실가스로 친환경 연료 인 수소를 생산하는 기 술을 발표(Angewandte Chemie International Edition, 2020)하는 등 관련 연구가 활발 히 진행 되고 있다. 현재 전이금속 촉매는 대부분 수 입에 의존하고 있으며 일본, 독일, 미국 기업의 대량 양 산 기술을 바탕으로 몇 개 회사가 독점하고 있는 상황이지만 일본의 수출규제를 계기로 국내 기업 들 이 소재기술 개발에 앞장서고 정부의 투자가 이 어지 는 등 산업전망이 매우 밝은 편이다.
㈜퓨어스피어는 환경 촉매 및 환경 설비 전문기 업으로서 전이금속을 이용한 반도체 가스 정제용 촉 매, 휘발성유기화합물(VOCs)의 산화 촉매, 석 유화학 의 공정용 촉매, 석유화학 연소 반응제 등
다양한 공 정에서 사용되고 있는 촉매를 대량 생산 하고 있다. 2015년에는 국내 최초로 이산화망간 계 촉매의 대 량 생산에 성공하여 기존 수입 제품 보다 가격이 30% 저렴하면서도 성능은 더 우수한 촉매를 판매하기 시 작하였다. 현재는 국내 시장 뿐만 아니라 미국, 유럽, 중국 등 해외 10여개국에 수출하며 경쟁력을 인정받 고 있다. 최근에는 전이 금속 소재 촉매 양산 기술을 바탕으로 에너지절약 형 환경 설비를 설계, 제작, 시 공하는 기업으로 사 업영업을 확장하고 있다.
휘발성유기화합물 저온산화촉매 양산
우리나라는 미세먼지로 인하여 다양한 문제가 발 생되고 있으며, 미세먼지 절감을 위해 여러가지 대 책이 시행되고 있다. 지난 2021년 11월 29일 정부서 울청사에서 진행된 제 7차 미세먼지특별대 책위원회 는 대기오염물질을 10% 이상 줄이겠다 고 공언하였 으며 드론 등 첨단장비를 활용하여 오 염물질 배출시 설을 집중 감시하기로 하였다. 이러 한 규제와 더불 어 정부와 지자체에서는 소규모 대 기배출사업장에 방지시설 설치비를 최대 90%까지 보조하는 등 지원 정책도 동반하여 실시하고 있다.
국내에서 발생되는 미세먼지 중 상당수는 휘발 성 유기화합물에 의해 발생되고 있으며 이를 제거 하기 위해 축열식연소설비, 축열식촉매산화설비,
다양한 규격의 촉매
㈜퓨어스피어 대기오염 방지시설
농축열 연소설비, 농축촉매산화설비, 흡착설비 등 의 환경설 비가 산업현장에 설치되고 있다. 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 설비의 종류는 대기오 염물질의 농도와 성분에 따라 달라지기 때문에, 최 적의 설비를 설치 시공하기 위해서는 배출가스의 분석 능력이 중 요한 요소이다. 또한 설치 후 운전 유지비를 고려할 경우 촉매를 사용하여 휘발성유기 화합물의 산화온 도를 낮추는 것을 고려할 때 촉매 의 성능을 최대로 활용할 수 있도록 촉매에 대한 이 해도가 높아야 효 율적인 설비를 설계할 수 있다. 따 라서, 환경설비 시공사를 선정할 때는 이를 종합적 으로 고려하여 선정하는 것이 바람직하다.
축열식연소설비는 800℃에서 휘발성유기화합물 을 산화시키는데 비해 귀금속(Pd, Pt) 산화촉매를 사 용하게 되면 약 300 ~ 400℃에서 동일한 산화 성 능 을 기대할 수 있다. 운전온도가 낮아진 것은 그만 큼 에너지 절감을 통해 운전비를 낮출 수 있지만 비 싼 귀금속을 사용해야 되는 단점이 있다. 전이금속 (Cu, Mn)을 이용한 저온산화촉매는 귀금속 촉매에 비하여 저렴하고 약 200℃ 저온영역에서 휘발성 유 기화합물을 산화 제거한다. 기존 귀금속 촉매 대 비 운전 온도를 100℃ 이상 낮추었기 때문에 에너 지 절감 효과가 우수하며, 귀금속 촉매에 비하여 저 렴하기 때문에 보다 경제적으로 대기오염 방지시 설 을 운용할 수있다. 특히, 일산화탄소, 오존, 악취 등 의 제거성능이 탁월하여 산업현장의 촉매산화 환경 설비에 점차적으로 넓게 적용되고 있다.
전이금속 합성 기술에 기반한 고성능 가스정제용 촉매 양산
최근 반도체, 디스플레이 공정에서 사용하는 가 스는 공정 고도화 경쟁에서 우위를 점하기 위해가 스 를 정제하여 사용하는 추세이며, ppm 단위의 불순 물에서 ppb 단위의 불순물을 제거해야 하는 미세 제 어가 필요하며, 관련 가스 회사들은 가스 정제를 위 해 다양한 전이금속 촉매를 사용하고 있 으며, 대부 분 수입에 의존하고 있다. 코로나19 펜
데믹 이후 세 계 물류 공급망의 차질이 발생하여, 기술 대응, 납기 등의 문제가 발생하고 있다.
전이금속 촉매 양산시 성능에 미치는 영향으로 는 pH, 합성온도, 합성 전조물, 합성 시간, 합성 임 펠러 의 모양, 반응기 모양, 합성 교반기 속도, 합 성물의 여과, 세척 등 다양한 변수와 설비에 따라 성능이 좌 우되기 때문에 최적의 양산 프로세스를 갖추는 것이 매우 어렵다.
당사는 다양한 합성 기술을 보유하고 있으며, 전 이금속 산화물을 정밀하게 합성하며 입자의 물 성 조 정도 가능하다. 그리고 실험실합성(3 L 합 성조)에 서 양산에서 발생될 수 있는 변수에 대하 여 실험을 진행하고, 실증생산(100 ~ 1,000 L 합 성조)에서 양산 (5,000 ~ 10,000 L 합성조)이라는 프로세스에 맞는 설비를 구축하고 있어, 대기오염 물, 폐수 등 양산시 발생할 수 있는 문제를 최소화 하는 공정 기술을 확 보하고 있다.
석유화학 공정용 촉매 위탁 생산
2019년 일본 경제산업성이 반도체 및 디스플 레이 제조 핵심 소재의 수출을 제한하기로 발표 하면서 한 일 무역 분쟁이 시작되었다. 이에, 우 리나라에서는 일본 전략물자(1,194개)와 소재·부 품ㆍ장비 전체품 목(4,708개)을 대상으로 반도체, 디스플레이, 자동차, 전기전자, 기계ㆍ금속, 기초 화학 등 6대 분야 100개 품목을 선정하여 소부장 경쟁력 강화대책을 2019년 8월 5일 관계부처 합 동으로 발표하였다. 무역 분쟁 과 더불어 코로나 19 확산으로 해외 수입에 대한 불 안감이 커지고 납기 지연, 수입 비용의 증가로 핵심 소부장에 대 한 국산 기술 개발의 중요성이 날로 커 지고 있다.
석유화학 분야에서 각 공정별로 다양한 촉매 를 사용하고 있다. 국내 여러 연구기관에서 공 정용 촉 매에 대한 국산화에 노력하고 있지만 Axens, BASF, Clariant, Johnson Matthey, UOP Honeywell 등의 다국 적기업에서 생산한 수입 촉 매에 의존하고 있다. 최 근 공정용 촉매에 대한 국
산화가 그 어느때보다 중 요하게 부각되고 있고, 석 유 및 정유화학 분야에서 도 국내 촉매 제조 업체 발 굴, 투자를 통한 국내 업체와의 상생협력에 힘을 쏟 고 있다. 고품질 촉매 대량생산 시 고려해야 될 사항 이 많은데, 촉매 원천기술 을 확보한다 해도 양산 기 술 부족으로 사업화에 어 려움이 있고, 특히 촉매 공
장 설치 시 산업안전, 환 경(대기 및 수질), 유해화학 물질 취급(화관법ㆍ화평 법), 기타 인허가 등의 법규 를 준수해야 하므로 많은 어려움이 있다.
㈜퓨어스피어는 전이금속 촉매 합성 기술 중 침 전법(Precipitation), 함침법(Impregnation), DP 법 (Deposition-Precipitation)에 대한 다양
전이금속 촉매 양산 공정
다양한 전이금속 촉매
한 경험과 노하 우를 확보하였고, 실험실합성, 실 증생산, 양산시설 을 보유하고 있다. 2018년부터 석유화학 공정용 촉매 위탁생산 사업을 시작으로 양산 기술 및 설비를 토대로 여러 업체와 위탁생산 에 대한 기술적인 협의 가 진행되고 있다. 2022 년에는 침전법으로 제조된 Ni 촉매를 위탁생산 방 식으로 연간 50톤 생산할 수 있 는 합성 및 열처리 설비를 구축할 예정이며, 2023년 1분기부터 본격 적인 납품이 이루어 질 것으로 기대 하고 있다. 이 외에도 2019년 정부에서 발표한 수소 경제 활성 화 로드맵에 발 맞춰 그린수소 생산을 위 한 수전 해촉매(공침법) 위탁생산 기술검토 및 암모 니아 수소 추출 촉매 사업화를 진행 중에 있다. 2050 탄소중립 정책 목표 달성을 위해 비석유계 원료로 부 터 화학원료 생산 기술 필요성이 증가되고 있는 데, 바이오 디젤 부산물을 이용한 고부가 화학제 품 생산 을 위한 공침법을 이용한 촉매 양산 기술 개발을 정 부 연구과제 지원을 통해 2022년 하반 기부터 진행할 계획이다. 또한 입도분석기, BET, FT-IR, TPD/TPR, XRF 등의 물성분석장비와 다 양한 성능평가장비를 보유하고 있어 고객이 만족 하는 품질의 제품을 공급 할 수 있다.
석유화학/정유공장 염소반응제 양산
석유화학/정유공장에서는 백금 기반의 촉매를 개 질반응에 이용하고 있다. 이러한 촉매는 표면의 산점 을 활용하는데 사용기간이 늘어남에 따라 활성점 의 성능이 감소하게 된다. 이러한 활성점을 다시 회 복 시켜 주기 위해 염소를 투입하게 되며, 이러한 공 정 유체 내에 존재하는 염소들은 HCl 또는 다양한 유 기 염소화합물의 형태로 바뀌어 존재하게 된다. 일반 적 인 범위로 1 ~ 10 ppm 정도 수준이긴 하나 대규모 로 운전되는 공정의 특성상 Down Stream의 부식, 염 화암모늄과 같은 염의 증착, 오염 및 최종 생산되 는 제품의 사양에 영향을 미치므로 공정내 존재하는 염 화수소 및 염소화합물을 제거할 필요가 있다.
석유화학 염소반응제도 여느 정유공정 촉매와 마 찬가지로 Axens, BASF, Clariant, Johnson Matthey, UOP Honeywell와 같은 해외업체에 의존하고 있으 며, 국제적 무역분쟁의 대비를 위 해서 국내에서도 소부장 자립전략과 기술독립을 장려하고 있다.
당사는 2012년부터 반도체 공정에서 발생하 는 염소 및 염화수소, 염소 화합물 제거를 위한 반 응제 를 꾸준히 개발해 왔으며 해당 경험 등을 바탕
공정도
으로 석유화학 공정에서 발생하는 염소를 제거하 기 위해 기상용 및 액상형 정유 공정용 염소반응제 를 개발하 였다. (주)퓨어스피어의 기술을 통해 연 간 300톤 이상의 흡착제 생산설비를 보유하고 있 으며, 지속적인 설비 개선을 통해 생산규모를 확대 할 예정이다. 정유공정 염소반응제의 경우에는 염 소화합물의 높은 제거 성능이 필요하다. 이와 더불 어 유기염소화 합물 형성의 최소화를 통해 Green Oil 발생의 억제 와 더불어 염소반응제 표면에서 일 어나는 Fouling 또는 Blockage이 일어나지 않게 해야한다. 또한 각종 고비 점유기화합물에 대한 침 적을 최소화하여 탈염 소제거 흡착탑의 Plugging 현상을 줄이는게 중요하 다. (주)퓨어스피어에서 개발한 염소반응제는 MeO계 복합산화물을 적용 하여 반응제의 산점을 최소 화하였으며 이를 통해 Polymerizaton 반응에 의한 유기염소화합물 형성 을 최소화할 수 있었고 반응제 의 선택적 전구체 사 용과 기공형성제의 적절한 사 용, 제조 공정의 최적 화를 통해 기공의 분포도을 조 절할 수 있어 고비점 유기화합물의 침적을 최소화할 수 있으면서 높은 염소 흡착용량을 갖는 염소반응제를 개발하였다.
반도체, 디스플레이 공정 배기 가스 중 온실가스 저감용 촉매 양산
온실가스는 저감은 기후 변화 밀접한 관계로 절 감 목표를 달성하기 위해서 핵심 기술은 촉매를 이 용하는 기술이며, 당사는 전이 금속을 이용하여 과
불화화합물 가스를 700 ~ 800℃에서 가수분해하 는 촉매 시스템을 구축하였다. 반도체에서 사용하 는 가스는 다양하고, 복잡하여 여러 시스템이 복합 적으로 구성되어야 최적의 성능을 발휘할 수 있다.
- 전처리 시스템: 입자상 물질, 산성가스 등을 처리 - 촉매 분해 시스템: 과불화화합물 분해 처리 - 후처리 시스템: HF 등 처리
당사의 과불화화합물 촉매는 고성능과 함께 내 산성에 강한 전이금속계 촉매이며, 과불화화합물을 열로 분해하기 위해서는 1,100 ~ 1,300℃ 이상의 온 도가 필요하지만 촉매로 분해 시에는 700 ~ 800
℃ 에 분해되고 열분해시 온도를 올리기 위한 열원 으로 LNG를 사용할 경우 1,100 ~ 1,300℃에서 는 Thermal NOx가 발생되어 또 다른 오염물이 발생시키지만 촉 매를 이용할 경우 Thermal NOx 의 발생이 없다. 당사 는 촉매 양산기술을 바탕으 로 품질이 안정적인 촉 매를 대량 생산하여 공급할 수 있는 양산 설비가 구축되어 있으며, 설비 환경 조 건에 따른 다양한 모 양의 촉매를 공급한다.
맺으며,
㈜퓨어스피어는 다양하게 개발되고 연구되어 지 는 촉매에 대하여 각종 인허가, 양산 기술의 부족으 로 인하여 상용화가 안되고 사라지는 현실속에서 촉 매 양산 기술 노하우를 바탕으로 촉매 양산에 부 단 한 노력을 진행할 것이며, 탄소 절감, 환경 오염 을 절 감하는 글로벌 기업으로 성장할 것이다.
다양한 규격의 과불화화합물 분해 촉매
