▲ 문희성 LG경제연구원 선임연구원

무더운 여름철에 더욱 많이 찾는 시원한 병맥주를 마시다 보면 ‘비열처리’라는 단어를 보게 된다. 말 그대로 열처리를 하지 않았다는 뜻이다. 생맥주라는 것은 효모 등 미생물이 살아있어 상온에서 보존기간이 짧다. 그래서 이 문제를 해결하기 위해 과거에는 가열살균 처리를 했다.

그러나 이제는 열처리를 하지 않아도 맥주의 고유의 맛과 향을 즐길 수 있게 되었다. 그 비밀은 바로 멤브레인(Membrane, 분리막)에 있다. 이것을 통해 맥주 제조 과정에서 존재하는 효모와 잡균이 걸러지는 것이다.

아웃도어 활동이 많아지면서 기능성 의류들을 많이 찾고 있다. 가장 대표적인 것이 고어텍스(Gore-Tex) 이다. 미국 고어(Gore)사가 1960년대에 개발한 섬유로 물이 스며드는 것은 막고 수증기는 밖으로 배출하는 기능성 소재이다.

이러한 기능의 비밀도 역시 멤브레인에 있다. 가로×세로 1인치 당 90억 개 이상의 미세구멍으로 이뤄진 얇고 하얀 막이다. 미세구멍의 크기가 물방울보다는 2만 배 작은 반면, 수증기 입자보다는 700배나 크기 때문에 외부에서 들어오는 비, 눈은 완벽하게 차단하는 한편 피부에서 뿜어 나오는 땀은 수증기 형태로 원활하게 배출할 수 있는 것이다.

▲ 멤브레인 처리를 통해 효모 등이 걸러져서 투명해진 맥주 사진(왼쪽) 및 고어텍스(Gore Tex)의 방수투습 원리.

최근에는 멤브레인이 채소 비닐포장재로 적용되기도 했다. 기존의 밀폐포장은 포장재 내부의 산소가 소진되면 신선도가 떨어지거나 상하게 되는 반면, 멤브레인 포장재는 산소는 통과하지만, 수분, 세균 및 박테리아는 통과할 수 없어 보존기간이 길어진 것이다.

일반적으로 정수기 속에나 들어있을 듯했던 멤브레인은 도드라지지는 않지만 이미 우리 생활 속에 이렇게 가깝게 자리하고 있다. 특히 멤브레인은 사용될 분야가 앞으로 크게 늘어날 것으로 보여 성장 전망이 밝을 것으로 기대되고 있다.

▲ 멤브레인의 전체 시장규모는 1997년 12억 달러에서 2007년에 33억 달러 규모로 연평균 11% 성장했으며 수처리 분야가 가장 큰 시장을 형성하고 있다. 수처리용 멤브레인은 공공 상하수, 산업용수, 담수, 초순수 등으로 대상 시장의 범위가 매우 넓으며, 앞으로도 눈에 띄는 성장이 예상된다.

 

선택적 분리 기능 갖는 멤브레인

‘멤브레인’이란 액체 또는 기체 환경의 혼합 물질에 대해 원하는 입자 등에 대해서만 선택적 투과 및 분리를 하는 제품을 말한다. 일반적으로 우리는 멤브레인과 유사한 개념으로 분리막, 세퍼레이터(Separator), 필터 등 여러 가지 용어를 혼용해서 쓰고 있고, 따라서 이를 각기 다른 영역으로 보는 경우가 있다.

그러나 수처리에서의 멤브레인에서 전지에서의 세퍼레이터와 연료전지(Fuel Cell)의 멤브레인까지 그 세부 제조 공정은 달라도 선택적 분리를 수행한다는 점에서 본질은 동일하다고 말할 수 있다.

멤브레인은 분리 성능에 따라 MF(Micro- filtration, 정밀여과막), UF(Ultrafiltration, 한외여과막), RO(Reverse Osmosis, 역삼투막) 등으로 분류되며, 소재에 따라 고분자, 세라믹, 금속으로 나눠지기도 한다.

멤브레인은 19세기부터 연구가 시작된 이래, 2차 세계 대전 중 독일 상수도 시설의 오염도 측정을 위해 처음으로 사용되었다. 멤브레인으로 식수원의 각종 병원성 세균의 오염도를 측정함으로써 기존에 4일 걸리던 검사기간을 하루로 단축할 수 있었다.
또한 RO 멤브레인을 이용해 바닷물을 민물로 바꾸는 담수화 초기 기술은 1940년대 2차 대전 당시 미 해군에서 개발되었다. 당시 대양에서의 작전기간이 길어짐에 따라 민물이 필요했기 때문이다.

이후 [그림 1]과 같이 기업들의 기술 개발에 따라 멤브레인 성능의 지속적 혁신이 이루어졌으며, 멤브레인의 응용분야도 급속히 확대되었다. 그 결과, 현재는 우유 등 유제품, 각종 과일 주스 등의 음식료부터 반도체, 디스플레이 등 IT산업에 이르기까지 멤브레인은 다양한 산업 분야에 이용되고 있다.

 

 

▲ [그림 1] RO 멤브레인 성능 향상 추이

수처리 분야 중심 시장 형성
멤브레인의 전체 시장규모는 1997년 12억 달러에서 2007년에 33억 달러 규모로 연평균 11% 성장한 것으로 나타났다([그림 2] 참조). 세부 시장별로는 비중이 다소 줄긴 했지만 수처리 분야가 가장 큰 시장을 형성하고 있다. 수처리용 멤브레인은 공공 상하수, 산업용수, 담수, 초순수(Ultrapure Water) 등으로 대상 시장의 범위가 매우 넓은 특징을 보인다.

성장의 주요 요인은 수처리 방식이 기존의 화학처리나 증류 방식에서 멤브레인 방식으로 대체되고 있다는 점이다. 최근 들어 수질 기준이 강화되고, 기술 혁신에 따라 멤브레인 방식이 효율성은 높아진 반면 가격은 하락했기 때문이다.

성장률 측면에서는 제약·의료 분야가 1997년부터 2007년까지 연평균 15% 로 가장 높은 성장률을 보였다. 이는 의약품 제조공정의 안전성 강화 규제로 고성능 멤브레인의 수요 증가에 기인한 것이다.

실제로 과거 절반 가량을 차지하던 MF 멤브레인은 비중이 점차 감소하는 반면, UF와 RO 멤브레인은 증가하는 추세를 보이고 있다. 에너지 분야의 이온교환 멤브레인은 2차 전지와 연료전지에 주로 사용되는데, 현재까지는 대부분이 2차 전지용 세퍼레이터 수요이다. 모바일 기기의 대중화에 따른 소형 리튬이온전지 시장의 수요 증가로 이 분야 역시 14%의 높은 성장세를 기록하고 있다.

▲ [그림 2] 멤브레인 수요현황

향후 에너지 분야 시장 성장 주도
멤브레인 시장은 앞으로도 눈에 띄는 성장이 예상된다. 프리도니아(Freedonia Group) 보고서에 따르면, 2017년의 멤브레인 시장은 전체 규모가 76억 달러로 2007년 대비 연평균 9%의 성장을 전망하고 있다([그림 3] 참조).

여전히 가장 높은 비중을 차지하는 것은 수처리 분야이다. 전세계적으로 도시화, 산업화, 기후변화 등으로 물 부족이 심화될 전망이며, 이에 따라 담수화 부문의 성장이 두드러질 것으로 보인다.

성장성 측면에서 가장 돋보이는 시장은 2차 전지로 대표되는 에너지 분야이다. 모바일 기기, 자동차용 등으로 2차 전지의 지속적인 성장이 예상되는 데다, 에너지 발전 및 절감을 위한 멤브레인 수요도 점차 증가할 전망되기 때문이다.

 

 

▲ [그림 3] 멤브레인 주용시장별 수요 전망 및 수처리 시장 전망

전지용 멤브레인의 주 수요산업이라 할 수 있는 리튬이온전지 시장은 2014년 180억 달러, 2020년에는 430억 달러의 시장을 형성할 것으로 전망된다. 특히 하이브리드(HEV)나 전기자동차(EV) 시장의 성장이 예상되면서 자동차용 멤브레인의 한 높은 성장이 기대된다. 골드만삭스(Goldman Sachs) 등에 의하면, 2차 전지용 멤브레인 시장은 2009년부터 2020년까지 연평균 17%의 높은 성장이 전망된다([그림 4] 참조).

에너지 발전 분야의 대표격인 연료전지 시장도 장기적으로 높은 성장이 기대된다. 프리도니아 보고서에 따르면, 연료전지 세계 시장 규모가 2009년 26억 달러에서 2014년이면 약 136억 달러로 증가할 것으로 전망하고 있다. 일본의 경우 가정용 연료전지의 2008년 누적 보급량은 3천300여 대에 불과하나, 2012년까지 10만대 보급을 목표로 하고 있다.

최근 우리 정부도 ‘그린에너지산업 발전전략’에 따라 2020년까지 가정용 수소연료전지 10만대를 보급한다고 발표한 바 있다. 연료전지용 멤브레인으로는 듀폰(Dupont)의 내피온(NafionTM)이나 고어(Gore)사 등의 불소계 고분자 멤브레인들이 대표격이지만, 비불소계 고분자나 세라믹으로도 적용하고 있다. 이제 시장이 본격적으로 열리고 있어 제품 개발 경쟁이 본격화될 것으로 예상된다.

에너지 절감 분야에서의 멤브레인 이용 사례로는 석유·화학산업을 들 수 있다. 석유·화학 산업은 분리공정이 전체의 60∼80%를 차지한다. 원유에 혼합되어 있는 물질 중 프로판과 프로필렌의 분리 등이 예이다. 증류탑에서 순도가 높은 물질을 분리하기 위해 증류탑이 계속 높아지고 있고, 그만큼 에너지 소모도 많아지게 된다.

이러한 공정을 고효율 멤브레인으로 대체할 수 있다면 증류과정에서 발생하는 에너지를 절감할 수 있다. 현재 석유·화학산업 분야의 멤브레인 이용은 많지 않은 편이나, 적용 시 기대효과가 크기 때문에 미국의 멤브레인 테크놀로지(MTR), 독일의 GKSS연구소 등 많은 기업들이 연구개발에 뛰어들고 있다.

 

 

▲ [그림 4] 이온교환 멤브레인(리틈이온전지 분리막) 시장 전망

글로벌 선도 기업 중심 공격적 투자
멤브레인 수요가 급증하면서 관련 글로벌 기업들도 빠르게 시장 환경 변화에 대응하고 있다. 현재 멤브레인 시장은 소수의 글로벌 기업이 시장을 주도하고 있는 상황이다. 주요 선도 기업들은 [표 3]에서 보듯이 다양한 분야의 포트폴리오를 구성하고 있다. 대부분 화학 또는 섬유 사업을 기반으로 해서 성장해온 기업이기 때문에 고분자 기술에 대한 역량을 보유하고 있다는 공통점이 있다.

글로벌 선도 기업들의 최근 동향을 보면 미래를 준비하기 위해 생산 능력(Capa)를 증설하거나 멤브레인 사업영역을 확장하는 사례가 눈에 띄게 늘고 있다. 멤브레인 제조 플랜트 확장을 위해 공격적 투자를 하는 기업은 다우 케미컬(Dow Chemical), 니토덴코(Nitto Denko), 아사히 카세이(Asahi Kasei) 등을 꼽을 수 있다.

RO 멤브레인 분야 1위인 다우 케미컬은 2006년 다우 워터 솔루션을 설립하여 물 관련 사업 창구의 단일화를 이룬 바 있다. 이후 다우는 시장 장악력을 높이기 위해 8천800만 달러를 투자해 미국 내 RO와 NF 멤브레인 생산능력을 25% 늘렸다.

니토덴코도 2008년에 8천만 달러를 투자하여 멤브레인 생산 능력 증설에 나서고 있으며, 2012년까지 현재 생산 능력의 3배로 확장할 계획이다. 2차 전지용 멤브레인에서 글로벌 시장 점유율 1위인 아사히 카세이는 전지용 멤브레인의 연간 생산 능력을 현재 1억2천만㎡에서 2010년 2억㎡ 규모로 늘릴 계획이다.

도요보(Toyobo), 미쓰비스 레이온(Mitsubishi Rayon), 아사히 카세이 등 멤브레인 시장의 적극적인 확대를 추진하는 기업들도 늘어나고 있다. 도요보는 다른 기업과 달리 RO 멤브레인을 중공사(Hollow Fiber) 형태로 만들어 중동지역 멤브레인 시장의 60%를 점유하고 있는데, MF/UF 멤브레인으로 제품 라인업을 확장하여 북미 시장의 정수와 하수 처리 시장에 진입하려 하고 있다.

미쓰비시 레이온(Mitsubishi Rayon)은 니토덴코와 최근에 카시드 테크놀로지(Kathyd Technology)라는 조인트 벤처를 설립한 바 있다. 양사는 각각 MF 멤브레인과 RO 멤브레인이 주력 분야로 제품 개발 등 협력을 통해 사업의 시너지 효과를 얻으려 하고 있다.

아사히 카세이는 주력 분야인 전지용 멤브레인의 시장 지위 유지와 함께 바이오 분야를 강화하기 위해 인공신장용 멤브레인의 올해 말까지 연간 모듈 생산 능력을 600만 개에서 3천400만 개로 늘릴 계획이다.

▲ [표 3] 주요 선두기업의 멤브레인 포트폴리오

성능 향상시키는 와해성 기술 등장
멤브레인의 성능은 투과도와 선택도에 의해 결정되며, 따라서 멤브레인의 기술 혁신 방향은 가격 경쟁력의 확보를 전제로 이 두 가지 요소를 어떻게 향상시킬 것인가에 집중되고 있다. 구체적인 예로는 멤브레인의 고효율과 지능형 멤브레인 개발을 들 수 있다.

첫째, 멤브레인 기능을 고효율화 하는 사례로 멤브레인 표면을 코팅하거나 멤브레인에 생체 모방 개념을 도입하는 등의 시도가 나타나고 있다. 우선 표면 코팅은 초친수성(Superhydrophilicity)을 부여하는 것으로 나노기술이 발전함에 따라 나노입자 등을 활용하려는 여러 가지 시도가 이뤄지고 있다.

미국 벤처기업 Nano H2O는 RO 멤브레인 표면에 수십 나노미터(㎛) 두께로 나노물질을 코팅하여 멤브레인의 내구성이나 물 투과 성능을 향상시켰다고 발표했다. 또한 덴마크의 아쿠아포린(Aquaporin)과 단포스 아쿠아(Danfoss AquaZ) 등 벤처기업들은 생체 내 세포에 있는 멤브레인 단백질을 멤브레인에 적용, 생체 모방 개념을 통해 기존 대비 선택성을 10배까지 높이는 성능을 보이고 있다.

두 번째 방향은 단순히 기계적인 선택성을 강화하는 것을 넘어서 지능형 개념이 적용되는 멤브레인을 개발하는 것이다. 섬유 소재를 예로 들면, 앞서 소개한 고어텍스에서 한 단계 진보한 것으로 외부온도에 따라 수증기 투과량이 달라지는 소재를 개발하는 것이다.

일본 미쓰비시중공업(Mitsubishi Heavy Industries)이 개발한 다이아플렉스(Diaplex)라는 제품은 환경온도 적응 기능을 가진 최첨단 소재다. 고분자 설계단계에서 기준 온도를 조절, 소재에 기억시킨다. 그러면 외부 온도가 기준 온도 이상으로 올라가면 수증기 투과량을 증가시키고, 그보다 내려가면 수증기 투과량을 억제함으로써 더울 때는 시원하게, 추울 때는 따뜻하게 만드는 효과를 기대할 수 있다.

▲ 나노기술을 기반으로 한 와해성 기술을 보유한 벤처기업들.

국내 기업들, 원천 소재 기술 부족
환경과 에너지 문제가 갈수록 강조되는 상황에서 미래에 각광받을 핵심 소재의 하나로 멤브레인을 주목할 필요가 있다. 이미 선진 기업들은 멤브레인의 중요성을 인식하고 적극적인 시장 확대에 나서는 한편 미래에 대한 대비에도 관심을 기울이고 있다.

국내 기업들 역시 최근 들어 멤브레인 사업에 대한 관심이 높아지고 있으나, 아직까지는 원천 소재 기술 부재로 선진 기업과의 기술 격차가 존재하는 것으로 파악된다. 그러나 멤브레인 시장은 아직 높은 성장 단계로, 향후의 발전 가능성은 풍부하다고 할 수 있다. 이에 따라 국내 기업들도 적극적인 연구개발과 투자를 통해 경쟁력 확보에 노력해야 할 것으로 보인다. [문의= 02-3777-0513 / 이메일 : hsmoon@lgeri.com]