최적 공정과 신 공정 개발을 통한 사업비 10% 절감과 더불어 기존 반도체용 초순수 제조비용의 20%이상 절감이 가능한 ‘초순수 시스템’ 개발 연구가 국내에서는 처음으로 시도되고 있어 비상한 관심을 받고 있다.
고부가가치 사업 불구 순수 초순수 공정 설계경험 전무
‘MDG 일체형 TOC 저감’ ‘에너지절감 CDI’ 개발 추진
기체분리용 촉매수지탑 촉매멤브레인 기술 상용화 목표
현재 산업체에서는 침전수와 생활용수를 비롯한 순수, 초순수 등 다양한 수종의 토털 솔루션을을 요구하고 있다. 또한, 수자원공사에서 추진 중인 산업용수 사업 설계지원과 고부가가치 시장 참여를 위해서는 초순수 설계기술 확보가 시급한 실정이다.
특히, 일본과 미국 등 선진국의 순수, 초순수 설계기술 수준은 우수한 반면, 국내 업체는 선진국에 비해 열악한 수준으로 국내 초순수 공정은 대부분 일본에서 설계하고 있는 실정이다.
또한, K-water의 경우, 대산5사 순수에 대한 기본계획 수립과 함께 현대제철 RO 공정 운영업무를 수행하고 있지만, 아직까지 초순수 공정에 대한 설계 경험은 전무하다.
따라서 초순수 분야에서의 적기 사업지원과 시장 경쟁력확보를 위해 개별공정 설계기술 뿐만 아니라 최적 공정조합 설계기술 확보를 위한 파일럿 플랜트 설치․운영과 기존 공정을 대체할 수 있는 신공정 개발이 매우 필요한 시점이다.
한편, 경제․산업적 측면에서 볼 때 장래 전망이 좋은 초순수 분야는 대산5사 공급 순수(역삼투막 처리수) 단가 대비 5～6배 수준으로 고부가가치 사업으로 평가받고 있다.
현재 산업용수 세계시장은 2010년 기준, 29조원에서 오는 2025년 기준, 68조원으로 성장이 전망되며, 국내시장은 ‘10년 1조 1천억 원에서 ’20년 1조 7천억 원으로 성장이 예상되고, 국내 산업용수 설계시장은 ‘07년 330억 원에서 ’20년 680억 원으로 성장할 것으로 예측되고 있다.
즉, 국내 자체 기술을 갖고 초순수 설계시장에 진출 시 새로운 사업모델 창출과 매출증대에도 기여할 것으로 보인다.
이에 이 연구에서는 연구 3차년도인 1단계 연구를 통해 초순수 개별공정 효율검증, 최적공정 효율검증, 운영인자 도출 등을 통해 최적공정 조합 기술 확보와 함께 신공정 개발을 통해 현재 수자원공사에서 추진 중인 산업용수 사업에 대한 최적공정조합 선정과 적정 사업비를 제시하고 활용하는데 초점을 맞추고 있다.
이어 2단계 연구에서는 초순수 경쟁기술을 개발, 고부가가치 산업용수 사업의 경쟁력 제고에 기여하는 목표를 수립하고 있다.
따라서 1단계 연구에서는 최적공정과 신공정 개발을 통한 사업비 10% 절감을 2단계 연구에서는 기존 반도체용 초순수 제조비용의 20%이상 절감 가능한 초순수 시스템 개발이 이뤄질 예정이다.
 |
| 파일럿 플랜트 공정도 |
연구내용
2014년까지 진행되는 1단계 연구에서는 지난 2012년 초순수 파일럿 플랜트 설계․설치를 마치고 현재 초순수 파일럿 플랜트가 운영되고 있다. 특히, RO(역삼투막), DG(탈기), SC(강산성양이온), SA(강산성음이온), MB(재생형 이온수지), MBP(혼상이온교환수지) 등 단위공정별 처리효율 등 설계인자 검증에 중점을 두고 운영되고 있다.
이와 더불어 초순수 최적공정조합 설계기술 확보(HERO와 2PassRO, EDI와 MB, VDG와 MDG 등)와 조합공정별 시설투자비, 운영관리비 최적화로 산업용수사업 수주 확대 기반을 마련하려는 연구도 병행되고 있다.
이어 2014년도 연구에서는 신개념의 초순수 하이브리드 공정 분석과 개발이 이뤄지는데 이를 위해 최적공정(3단RO, EDI, DG+N2 등)개발과 플라즈마 등의 신기술을 융합, 신개념의 초순수 공정 개발이 이뤄지게 된다.
2016년까지 진행되는 2단계 연구과제는 초순수 신기술 개발과 상용화를 목표로 UV-막(MDG) 일체형 TOC 저감기술을 비롯한 에너지절감형 축전식 탈이온(CDI) 기술, 고효율 기체분리용 촉매수지탑과 촉매멤브레인 기술 개발, 상용화가 진행된다.
연차별 연구내용을 살펴보면, 1차년도 연구에서는 초순수 파일럿 플랜트 설계‧설치를 목표로 파일럿 플랜트 기본계획 수립과 함께 용도별 초순수 시스템을 고려한 파일럿 플랜트 설계, 파일럿 플랜트 현장설치, 시작품 제작 등이 이뤄졌다.
올해 수행 중인 2차년도 연구에서는 초순수 파일럿 플랜트 운영을 통한 설계인자 도출을 목표로 개별공정별 설계 인자 검증 연구와 이뤄지고 있다. 또한, 초순수 제조를 위한 공정조합 기술 확보를 목표로 초순수 최적공정 조합 운영항목 검증과 투자비․운영비 분석이 이뤄지고 있다.
3차년도 연구는 신개념 초순수 하이브리드 공정 개발을 목표로 초순수 최적공정 조합 설계인자 도출과 검증이 이뤄진다. 이를 위해 미량이온 제거 효율 증대와 공정 최적화를 위한 3단 RO 공정 개발, 기존 MB공정의 대체 가능한 EDI공정 개발, DG 공정에 N2적용으로 MDG공정 축소 등 탈기 최적화 공정 개발 등의 세부적인 연구가 수행된다.
이어진 4, 5, 6차년도 연구는 신기술 개발과 상용화를 목표로 핵심기술 확보를 위한 에너지 절감형 시스템 개발이 이뤄진다.
따라서 2단계 연구에서는 UV-막(MDG) 일체형 TOC 저감기술을 비롯해 에너지절감형 축전식 탈이온(CDI) 기술과 고효율 기체분리용 촉매수지탑과 촉매 멤브레인 기술 개발 등이 진행된다.
기대효과
파일럿 플랜트 설치‧운영으로 최적 설계인자와 공정조합을 통한 기술 경쟁력 확보가 이뤄질 것으로 보여, 국내의 첨단용수 설계‧운영 기술 발달에 크게 기여할 것으로 예상된다.
또한, 고효율 저비용 초순수 제조 기술 개발을 통해 안정적 수질 유지뿐만 아니라 에너지 절감으로 대외 경쟁력 제고도 이뤄질 것으로 전망된다.
특히, 이 기술 개발을 통해 최적 공정 설계기술을 적용, 투자비와 운영비 부문에서 경쟁력 있는 방안을 제시할 것으로 보여지며, 국내외 초순수 설계시장 진출 시 개별 또는 최적조합 공정 설계기술을 적용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
이외에도 현업지원을 위한 테스트베드로 활용, 현대제철과 대산5사 등 수탁사업의 생산수 수질 악화와 염제거율 하락 등에 따른 다양한 문제점도 해소할 수 있을 것으로 전망된다.
인 / 터 / 뷰
불순물 10ppb 이하
오염물질 거의 없어
 |
| 이경혁 책임연구원 |
K-water 연구원 이경혁 책임연구원은 “초순수는 복잡한 공정을 거쳐 물속에 녹아 있는 오염 물질들을 전부 제거한 물로 현재 반도체 제조 공정에서 광범위하게 사용되고 있다”고 말하며, “특히, 반도체 공정의 경우 나노 사이즈인 반도체 회로에 작은 오염 입자나 유기물이 끼게 될 경우 불량이 발생하기 때문에 초순수가 사용되고 있다”고 밝혔다.
순수는 사전적 의미로 불순물을 포함하지 않은 H2O로만 구성된 물을 말하며, 초순수는 순수보다 더 불순물이 극히 적은 물을 말한다. 특히, 초순수의 경우 수돗물 속의 불순물이 100ppm 정도인데 비해 초순수속의 불순물은 10ppb 이하인 만큼 오염물질들이 거의 없다.
25톤급 파일럿 플랜트 시설 구축
올해 설계 인자를 도출 연구 진행
이 박사는 초순수 시스템 개발에 나선 이유에 대해 “한 마디로 핵심기술의 국산화를 통해 신성장동력의 기술로 자리매김하기 위함”이라고 언급하며, “1차년도 연구를 통해 25톤급의 파일럿 플랜트 시설을 구축한 상태로 올해 설계 인자 도출과 함께 검증 연구를 수행하고 있다”고 소개했다.
이어 그는 “하지만, 초순수 시스템 개발은 고도의 다양한 수처리 단위공정은 물론 저농도 수질분석을 위한 고가 정밀 분석 장치와 기술, 고도로 숙련된 운영자 등이 필요할 뿐만 아니라 제품 생산의 안정성 확보를 위해 다양한 공정이 추가되는 어려운 점이 있다”며 “많은 어려움이 있지만, 내년도 연구부터 업계와 공동으로 연구개발에 착수해 기존 기술 대비 사업비 10%절감, 운영비 20% 절감을 통한 기술 경쟁력 확보에 나설 계획”이라고 밝혔다.
이 박사는 향후 초순수 시장이 활성화될 것으로 기대를 모으고 있는 가운데 이에 대한 방안으로 “핵심기술 개발을 통한 경쟁력 확보를 바탕으로 국내 운영 전문 인력 활용과 중국 등 신흥 개발국으로의 진출이 필요하다”고 말하며, “이와 함께 K-water의 광역 네트워크 적극적인 활용과 원수에서 초순수에 이르기까지 토털 솔루션 제공은 물론 기술력을 보유하고 있는 업체와의 컨소시엄을 구성, 공동사업 추진으로 업역 확장을 이끌어 내는 방안 마련도 필요하다”고 덧붙였다.
