공기청정기·정수기·혈액필터 등 일상서도 사용 / 국내기업, 에너지저장장치 시장 진입 적극 나서

일본 후쿠시마 원전사태로 인한 오염수 유출 때 일본에서는 오염수의 정화를 위해 활성탄소를 이용했다. 지난 2007년 우리나라 태안 앞바다 원유 유출 사건 때에도 상당한 양의 활성탄소가 바다에 뿌려졌으며, 2010년 미국 멕시코만 원유 유출 사건에도 활성탄소가 사용됐다. 활성탄소는 원유를 흡수해서 뭉치는 특징이 있기 때문에 원유제거에 매우 효과적인 역할을 수행할 수 있다. 또 지난 2003년 이라크 전쟁 당시나 북한 생화학 테러 위협이 있었던 2005년에는 활성탄소를 이용한 방독면과 보호의, 개인정수장치 등에 대한 시장수요가 폭발했었다. 그런가하면, 최근에는 국내 주요 기업인 GS칼텍스, OCI, 애경유화, 비나텍 등이 활성탄소를 이용한 에너지저장장치의 시장진입에 적극적으로 나서고 있다.

△활성탄소의 구조

활성탄소가 무엇이기에 이처럼 여러 가지에 쓰일 수 있는가?

우리나라에서는 예전부터 된장이나 간장을 담을 때 숯 등을 사용해 왔다. 활성탄소의 일종인 숯이 흡습 작용이나 액상오염물에 대한 탈색력을 가지고 있는 것은 경험적으로 알려져 왔다. 이러한 작용에 관한 과학적 검토는 1773년 Scheele에 의해 시작되었으며, 현재 활성탄소에 대한 연구는 탄소과학의 주요한 한 부분을 이루고 있다. 활성탄소로 대표되는 다공질 탄소는 그 내부의 기공구조 특성으로 인해 실생활 전반 (공기청정기, 정수기, 방독면, 혈액필터, 각종 배터리 등)에 걸쳐 다양하게 사용되고 있다.

활성탄소는 다양한 형상(분말상, 입상, 섬유상 등)으로 제조될 수 있으며, 그 형상에 따라 흡착특성(물리화학적인 고체-기체 결합)이나 에너지저장특성, 기계적 강도 등이 서로 다르다. 입상 및 파쇄상은 주로 수질정화용으로, 조립상과 섬유상은 대기정화 및 고도정화용으로 활용되며, 고순도의 활성탄소 분말은 에너지저장용 전극재료로 사용된다.

활성탄소의 가격은 천차만별이다. 일반 상하수도 정화용 활성탄소의 가격은 ㎏당 약 2000원~3000원 수준이며, 방독면용 활성탄소는 1만원~2만원으로 10배 가량 비싸다. 또 에너지 저장용 활성탄소는 5만원~20만원으로 상하수도용에 비하면 100배 이상 비싼 경우도 있다.

현재 국내 활성탄소 시장은 연간 약 1조원이며, 환경에 대한 관심이 높아지고 에너지저장 분야의 시장이 확대되면서 매년 8% 이상 시장규모가 커지고 있다.

활성탄소를 이용한 산업적 응용은 구체적으로 두 가지로 분류된다. 첫째는 수질 및 대기환경 개선을 위한 필터소재이며, 둘째는 에너지저장용량 증대를 위한 배터리용 전극재료이다.

△수질환경 분야

액상에서 활성탄소의 이용은 제당공업의 탈색으로부터 시작되었다. 현재도 많은 분야에서 탈색을 주목적으로 사용하고 있으나 탈색 이외의 효과를 동시에 얻는 경우가 많다. 활성탄은 탈색/탈취, 수중 유기물 제거, 방향족 탄화수소계 제거, 무기오염물질 제거, 탈이온을 통한 해수담수화 등의 효과가 있기 때문이다.

상하수도 정화목적의 활성탄 사용은 가장 중요한 응용이라 할 수 있다. 상수도에 처음으로 활성탄을 사용한 것은 1925년 체코의 아들라에서다. 그러나 초기에는 활성탄소의 기공구조에 대한 이해가 낮아 그 효과가 미미하였다. 세계 1차 대전 이후 방독면 기술이 쌓이면서 수처리 부분에서도 급진적인 기술개발이 동반되었다.

미국에서는 1927년 시카고에서 수중 염소제거에 활성탄소가 적용되었으며, 이를 시작으로 미국 전 지역으로 사용이 확대되었다. 유럽에서도 탈취 목적으로 상수도 정화용 활성탄이 보급되었다.

우리나라에서도 가정용 수도의 잔류염소를 제거하기 위한 소형 정수기나 대형공장 정수장치의 전처리, 그리고 이온교환장치 등에 활성탄을 사용해왔다.

현재는 많은 나라가 수질환경을 보전하고 물 부족을 해소하기 위해 가정에서 나오는 하수를 1, 2차 처리한 후 하천에 방류하기 전에 활성탄소로 추가처리 한다.

게다가 활성탄은 크롬, 구리, 니켈 등 다양한 중금속의 제거에도 탁월한 효과가 있어 산업폐수의 처리에도 널리 사용된다.

△대기환경 분야

활성탄소는 기공이 잘 발달되어 있어 흡착능력 및 흡착속도가 우수하고, 비표면적과 미세기공의 크기 및 구조를 그 사용목적에 따라 다양하게 변화시킬 수 있어 대기환경 개선에도 널리 사용되고 있다. 또한 화학물질을 첨착시켜 물리흡착과 동시에 미량의 유해가스를 효과적으로 제거하는 필터로도 사용되고 있다.

그러나 이러한 우수한 물성에도 불구하고 필터 내에 부착된 세균이나 바이러스 등이 적당한 온도와 습도에서 증식될 경우 2차 오염을 유발할 수 있는 단점이 있다. 따라서 이 같은 단점을 보완하기 위해 활성탄소의 표면에 항균기능성을 가지는 은, 구리, 니켈과 같은 금속을 분자분리 방식으로 도포하여 항균기능을 갖추게 한다. 흔히 말하는 은 나노 기술이 대표적인 사례이다.

△에너지저장분야 응용

21세기 들어 에너지의 효과적인 저장 및 이용은 환경과 사회를 유지하기 위한 중요한 과제다. 특히, 우리나라는 부존자원의 부족으로 에너지의 대부분을 외국에서 수입하여 사용하고 있어 에너지 저장 및 이용 효율을 높일 수 있는 새로운 에너지 기술의 개발이 반드시 필요하다. 게다가 환경친화적 신에너지 시스템에 대한 요구와 정보화 사회로의 변화에 따라 휴대용 고밀도?고출력 에너지 저장 시스템의 개발은 21세기 선진국의 필수 개발기술로 인식된다.

수소연료전지는 슈퍼커패시터와 함께 무공해 전력 공급장치라는 점에서 차세대 청정에너지 발전 시스템으로 각광받고 있다. 연료전지와 슈퍼커패시터의 핵심 전극으로 사용되는 것이 바로 활성탄소다. 독특한 기공구조로 인해 많은 양의 에너지를 내부에 저장할 수 있기 때문이다.

특히 슈퍼커패시터 제조 때 활성탄소가 차지하는 가격비율은 40%에 달하며, 모바일 전원의 핵심인 리튬이온전지의 단점을 완벽하게 보완해 줄 수 있다. 즉, 출력밀도를 높이고 리튬이온전지의 수명을 크게 늘릴 수 있다.

이 때문에 최근 개발되고 있는 전기자동차에서는 리튬전지와 슈퍼커퍼패시터를 하이브리드화하여 적용하고 있다. 현재 국내에서는 슈퍼커패시터와 관련하여 비나텍(주), 네스캠(주), 코칩(주), LS 엠트론 등이 활성탄소 전극소재를 기반으로 하는 에너지저장소자를 제조하고 있다.

한편 수소연료전지의 경우 백금이 담지된 활성탄소를 주요 전극소재로 사용한다. 수소연료전지는 수소 및 산소를 직접 이용하여 전기를 생산하기 때문에 활성탄소와 같이 기공이 잘 발달된 전극소재가 필요하기 때문이다. 아직까지 연료전지의 시장이 뚜렷하게 형성되어 있지 않지만 촉매가격 문제를 해결하면, 향후 거치형 및 모바일형 에너지 저장장치로 패러다임 변화를 주도할 것으로 많은 전문가들은 예측하고 있다.

△탄소융합기술원은

한국탄소융합기술원에서는 2009년부터 다양한 응용분야를 가지는 다공성 탄소재료, 즉 활성탄소의 개발을 진행해 왔다. 슈퍼커패시터 메이커인 비나텍, 하드카본 메이커인 애경유화, 그리고 활성탄소 메이커인 OCI 및 GS칼텍스와의 협력을 통해 국내 활성탄소 분야에서 기술적 네트워크를 공고히 하고 경쟁력을 확보해 나가고 있다.

또한 활성탄소 관련 학계와도 꾸준한 업무 협력을 통해 폭넓은 전문가풀의 지원을 받고 있다.

한국탄소융합기술원이 초점을 맞추고 있는 부분은 고가의 에너지저장용 활성탄소를 저비용으로 생산할 수 있는 기술개발이다. 특히 슈퍼커패시터 분야에서 미국 맥스웰사보다 기술우위를 점할 수 있도록 관련 기업들과 신제품 개발에 집중하고 있다.

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