수소경제 주목되는 기술·제품 65. 희성촉매의 ‘탄소중립 촉매기술’

송도국제도시와 마주한 오이도와 근접한 시흥시에 희성촉매 본사가 있다. 일단 기술연구소부터 찾는다. 완성차에 들어가는 촉매의 성능과 내구를 확인하기 위한 섀시다이나모미터 실차 테스트가 한창이다.

화학촉매팀장인 김호동 수석연구원이 한마디 한다.

“우리가 사용 중인 대부분의 내연기관이 탑재된 이동 수단이나 화학제품의 90% 이상이 촉매 반응의 도움을 받고 있다고 보시면 됩니다. 촉매라는 것이 기업을 상대로 하는 B2B 사업이죠. 기본적으로 고객사와 NDA(비밀유지계약)를 맺고 일을 진행하기 때문에 정보 공개가 어렵습니다. 어쨌든 기자님이 알고 있는 대부분의 회사와 연관이 있다고 보시면 됩니다.”

현대차‧기아, GM, 르노 할 것 없이 대부분의 차량에 들어가는 배기가스 정화 촉매를 바로 이곳 희성촉매에서 생산한다. 2006년에 현대차‧기아로부터 기술 5스타 인증을 받았고 지금까지 꾸준히 유지 중이다. 본사 전시장에 가면 2011년 12월에 생산한 1억호 제품, 2022년 7월에 생산한 2억호 제품을 볼 수 있다.

“기후위기에 대응하기 위한 신규 공정이 다양하게 개발되면서 탄소중립 기반의 공정 촉매, 연료전지와 수전해, 배터리 촉매 기술이 큰 주목을 받고 있어요. 당사에서 친환경 에너지 소재 개발에 착수한 시점이 2017년입니다. 내연기관 중심의 자동차에서 전기차, 수소전기차 같은 친환경차 개발로 변화하던 시기와 맞물리죠.”

희성촉매를 찾은 이유는 여기에 있다. 무탄소 연료인 수소, 암모니아를 비롯해 재생에너지, 바이오매스, CCUS, 합성가스 등과 연관된 신기술 개발에 촉매가 핵심 역할을 한다. 시중에 제품이 나오기 전 소재 단에서 연구가 진행되는 만큼 수소산업의 가까운 미래를 예측해볼 수 있다.

자체 기술 갖춘 촉매업계 ‘글로벌 파운드리’

희성촉매는 희성그룹과 글로벌 화학업체인 바스프(BASF)의 합작회사로 잘 알려져 있다. 1983년 설립 이후 자동차 배기가스 정화용 촉매를 국내에서 최초로 생산해 환경오염 방지에 기여해왔다. 

촉매(觸媒, catalyst)는 그 자체로 소모되지 않으면서 반응 속도를 증가시키는 역할을 한다. 석유정제 공정, 암모니아‧메탄올‧폴리에틸렌 같은 물질을 만드는 화학 공정, 나노테크놀로지에 기반한 수소연료전지 전극 촉매 등 많은 분야에 쓰임이 있다. 

희성촉매는 자체 기술을 기반으로 대만의 글로벌 반도체 파운드리인 TSMC처럼, 촉매산업을 대표하는 ‘글로벌 파운드리’로 성장하고 있다. 희성촉매의 지난해 매출은 1조1천억 원이며, 500여 명의 임직원 중 연구개발 인력만 150명이다. 

희성촉매는 지난 1992년에 회사의 두뇌에 해당하는 기술연구소를 설립했다. 10개의 촉매개발 연구실을 비롯해, 300종이 넘는 촉매 전문 분석설비를 갖추고 있다. 또 354건의 촉매 특허를 기반으로 자동차, 화학, 환경, 귀금속 소재, 전극 촉매 분야에서 촉매 국산화를 선도해왔다. 

수소생산 촉매, 연료전지 전극 촉매는 업무 분야가 달라 두 사업부의 책임자를 따로 만났다. 수소생산 촉매에 대한 답변은 화학촉매사업부 최덕호 사업부장이, 연료전지 촉매에 대한 답변은 전극촉매사업부 서정민 상무가 맡았다. 

‘수소생산 촉매’는 고온의 스팀을 활용한 천연가스 개질에 해당하는 SMR(Steam Methane Reforming), 암모니아 분해기술을 포함한다. 또 ‘전극 촉매’는 PEM(양이온교환막)과 AEM(음이온교환막) 수전해 분야, PEM(고분자전해질막)과 PA(인산염) 연료전지 분야에 집중했다. 
 

① SMR 

수소생산을 위한 수증기 개질반응에 어떤 촉매들이 들어가나?

SMR은 가장 경제적인 수소제조 공정으로 반응 후 생성물이 단순하고 수소의 선택성이 높아 상업적으로 가장 많이 이용되는 공정이다. 탈황, 수증기 개질, 수성가스전환, CO 제거의 각 단위공정 조합으로 구성되며, 희성촉매는 공정별로 특화된 촉매를 개발해 공급하고 있다.

화석연료에 포함된 유기 황화합물 성분, LNG에 포함된 부취제 등은 개질 촉매나 연료전지 전극 촉매의 성능을 악화시키기 때문에 사전 탈황처리가 꼭 필요하다. 다단흡착공정이 가장 효율적이며, 다양한 운전방식과 시스템 조건에 맞는 흡착제가 개발되어 있다. 250℃ 이상 고온 탈황조건일 경우에는 수첨탈황촉매와 황화수소 흡착제의 결합, 50℃ 미만 저온 탈황조건일 경우에는 전이금속과 제올라이트의 결합을 통해 효과적으로 황을 제거하게 된다.

개질기의 핵심이라 할 수 있는 수증기 개질반응은 높은 반응활성, 일정 기간의 수명, 높은 열전달, 낮은 압력 저하, 높은 열적 내구성과 기계적 강도를 요구한다. 이를 위해 기공의 크기, 표면적이 조절된 니켈(루테늄)-조촉매-증진제/복합알루미나 삼중촉매를 개발했다. 고온반응 조건에서도 촉매 비활성화의 원인이 되는 황 피독, 촉매 소결현상, 코크스 침적에 대해 저항성이 높은 점이 특징이다.

개질공정에서 나오는 일산화탄소를 제거하는 방법 중 하나인 수성가스전환(Water Gas Shift)은 CO를 수증기와 반응시켜 이산화탄소와 수소로 전환하게 된다. 구리(Cu)-아연(Zn) 계열의 복합산화물 촉매가 개발되어 있으며, 운전조건에 따라 조성을 다양하게 변화시킬 수 있다. 당사의 촉매는 개질공정에서 넘어올 수 있는 미량의 황화합물을 강력하게 흡착해 후단 공정을 보호하는 추가 이점을 제공한다.

마지막 CO 제거 공정은 일산화탄소만 선택적으로 반응시켜야 하므로 반응 선택도를 높여주는 촉매가 필요하다. 개발된 촉매로는 백금(Pt), 루테늄(Ru) 등의 귀금속에 보조제가 첨가된 형태가 있다. 공정별로 고객사가 원하는 형태의 금속조성 또는 물성의 촉매를 제공하고 있으며, 공동개발을 위한 협업 프로그램을 통해 고객사와 촉매공정 라이선스를 개발 중에 있다.

현재 진행 중인 연구과제는?

건물용, 발전용, 모빌리티용 연료전지에 사용되는 리포밍(개질) 시스템 방식이 고객사별로 다 다르기 때문에 각각의 시스템을 위한 맞춤형 촉매를 적용하기 위한 연구를 수행하고 있다. 또 메탄을 포함하고 있는 부생가스, 바이오가스를 수소로 전환하기 위한 개질공정 촉매를 추가로 개발 중에 있으며, 내년까지 필드테스트를 완료해 2026년부터는 상업화가 가능할 것으로 본다. 

개질공정 후단에서 배출되는 CO₂를 포집해 연료(이퓨얼)로 전환하거나 활용(CCUS)하기 위해 여러 기관들과 CO₂ 리포밍 촉매공정에 대한 연구를 수행하고 있으며, 수년 내 가시적인 결과를 내놓을 수 있을 것으로 본다.

희성촉매에서 개발하는 제품의 강점은 무엇인가?

화석연료 기반의 연료전지시스템에도 개질기가 들어간다. 그 구조나 수소생산 방식은 수소생산설비와 거의 동일하다. 연료전지시스템은 여러 종류가 있으며, 각 종류별 연료개질 시스템 디자인이 상이하고, 2~5종의 서로 다른 촉매 제품이 패키지로 들어가게 된다.

국내에는 그동안 당사를 제외한 화학공정용 촉매 공급사가 전무했다고 할 수 있다. 고객사들은 그동안 고가의 비용을 지불하면서 해외 촉매사로부터 다량의 재고를 확보해야만 했다. 국내에 촉매 공급사가 있으면 이런 부담을 덜게 된다. 

러시아-우크라이나 전쟁, 일본의 수출규제 사태 등을 돌아보면 원재료의 공급 안정성 확보가 사업의 성패를 가르는 중요한 요인이라는 점이 명확해졌다. 제품의 개발 시간을 줄일 수 있고, 수입 촉매 대비 가격과 품질 면에 장점이 크다는 점을 꼭 언급하고 싶다.

② 암모니아 크래킹 

최신 개발 동향은?

암모니아는 상온 압축으로 쉽게 액화가 가능해 저장과 운송에 매우 유리하다. 수소에 비해 액화에 드는 에너지가 적고, 암모니아 자체가 무탄소 원료이기 때문에 분해과정에서 수소와 질소만 생성되어 탄소 배출이 없다. 비료의 원료가 되는 암모니아는 이미 존재하는 거대 시장이 있다. 생산과 공급 측면에서도 기존 암모니아 플랜트 공정을 유사하게 활용할 수 있는 이점이 있다.

현재 널리 운용되는 SMR 공정의 운전온도가 약 800℃ 이상인 것과 달리 암모니아 크래킹 반응은 평형전환율상 촉매 특성에 따라 약 450~700℃로 비교적 낮은 온도에서 수소로 전량 전환이 가능하다. 

촉매 운전온도가 600℃ 이상에서 암모니아가 수소로 대부분 전환이 되기 때문에 실제 상업용 크래커(반응기)에 적용하기 위해서는 더 낮은 온도에서 고활성 촉매가 요구된다. 특히 선박이나 소형 암모니아 혼소발전 부문에서는 400~500℃ 수준의 반응온도에서 안정적으로 운전이 되는 촉매를 요구하고 있다.

열원이 부족한 소형 모빌리티용 반응기에는 500℃ 수준의 저온에서 90% 이상의 높은 크래킹 효율을 발현할 수 있는 루테늄(Ru) 같은 귀금속 촉매를 사용하게 된다. 니켈(Ni)의 경우 동일 온도에서 30% 수준의 수소 전환율을 나타내기 때문에 사용이 어렵다.

반면 열원이 풍부한 메가와트급 이상의 발전용 암모니아 크래커는 700℃ 이상 운전이 가능하게 되어 고온에서 니켈계 촉매를 사용할 수 있게 된다. 수십 톤 단위의 촉매가 장입되는 공정에 귀금속계 촉매를 사용할 경우 일단 가격 경쟁력이 낮고 고온에서 소결현상 등이 생길 수 있다. 이런 이유로 저렴한 전이금속인 니켈의 함량을 높여 촉매 소결이 일어나더라도 활성을 유지시키는 쪽으로 개발이 진행되고 있다. 

현재 진행 중인 연구과제는?

당사에서 개발해 보유하고 있는 루테늄계, 니켈계 촉매는 고객사 적용처에 따라 다양하게 구분되어 파일럿, 벤치, 필드 테스트에 적용된다. 희성촉매는 대량생산 구축 체계를 완료했으며, 국내외 고객사와 협업을 강화하고 있다.

일반적으로 발전용 암모니아 크래커용 촉매 형태는 단위 시간당 다량의 수소를 생산해야 하기 때문에 열배출 효율이 좋은 촉매 형상으로 설계가 돼야 한다. 이를 위해 열전도성이 높은 재료를 적용하고 촉매에 구멍을 뚫어 열 흐름을 높이는 연구를 수행 중이다. 또 최근에는 신규 타입의 크래커가 개발되고 있어 이에 적용할 수 있는 세라믹/금속계 모노리스 타입의 촉매 개발도 진행하고 있으며, 올해 말에는 완성단계에 이를 것으로 본다.

연소공정이 포함된 크래커인 경우 공정 후단에 NOx(NO₂, N₂O)가 발생하게 되는데, 이는 환경오염과 온실가스 생성을 초래하게 된다. 당사는 NOx를 저감하기 위한 SCR(선택적 촉매환원) 기술을 오래전에 상용화했으며, 아산화질소(N₂O) 제거용 촉매 기술은 현재 필드테스트를 진행 중에 있다. 

연료전지 전극 촉매의 최신 개발 동향은?

PEMFC, SOFC, PAFC, DMFC를 포함한 모든 연료전지시스템의 당면한 과제는 스택의 가격 경쟁력 확보에 있다. 30~50% 수준에 달하는 비용을 차지하는 귀금속이 적용된 전극 촉매의 재료비를 낮추는 방향으로 개발이 진행 중이다. 활성화도가 높은 귀금속을 적게 쓰거나, 그 대체 물질을 적용하면서도 성능이나 내구를 증가시키는 조성, 제조 공정과 지지체 개발이 무엇보다 중요하다. 

당사는 단순히 전극 촉매뿐 아니라 전극 제조를 위한 최적의 솔루션을 함께 제안하고 있다. 이런 경쟁력을 통해 시장의 적용 범위가 넓어지고 수요가 늘어 경쟁력 있는 제품을 만들어내는 선순환 구조가 생겨난다는 판단에서다. 현재 국내 시장은 값비싼 도입 촉매를 적용하거나 학계, 연구소 등에서 개발된 실험실 규모의 촉매가 시장의 검증을 받고 있다. 당사가 보유한 촉매 양산 전문 경험을 활용한 국산화나 상용화의 요구가 늘고 있다. 또 고객의 시스템에 적용해 장기 내구성을 평가 중에 있다. 

수전해 촉매의 개발 방향은?

탄소중립을 위한 그린수소 산업의 핵심 수소생산 기술로 전원의 변동성 대응에 유리한 PEM 수전해 기술이 조명을 받고 있다. 당사는 PEM 수전해에 적용되는 애노드와 캐소드의 맞춤형 솔루션을 제공하기 위한 연구개발에 집중하고 있다. 고객사의 경우 수백 킬로와트(kW)에서 메가와트(MW) 단위의 수전해 스택 내구 검증을 순차적으로 진행하고 있으며, 당사에서도 해당 내구를 만족할 수 있는 고성능‧고내구 촉매를 개발해 공급하고 있다. 

AEM은 알칼라인 수전해와 PEM 수전해의 장점이 융합된 형태로, 고압의 고순도 수소생산을 통한 고효율화, 비귀금속 촉매 사용에 따른 수소생산비용 인하 측면에 유리하다. 하지만 현재 개발현황은 촉매 합성과 촉매 단위의 특성평가에 국한되어 있으며, 수전해 스택이나 시스템 단위에서 체계적이고 구체적인 실증이 진행되고 있다. 당사는 1MW급 AEM 수전해 스택과 시스템 상용화를 위해 개발된 애노드‧캐소드 촉매에 대한 양산화를 목표로 이번 국책과제에 참여하고 있다.

현재 진행 중인 연구과제는?

고객사와의 비밀유지계약에 따라 제품이 시장에 나오기 전까지는 공개에 어려움이 있다. 대부분의 연료전지, 수전해 분야가 수요처라고 보면 된다. 업체명을 밝힐 순 없지만, 촉매 개발의 방향성은 분명히 나와 있다. 가격 경쟁력을 갖춘 소재, 조성 개발과 공정 개발, 촉매의 성능 향상과 내구성 개선 기술 개발, 최적의 성능 구현을 위한 솔루션, 대량 양산설비 구축과 품질 안정화 개발에 목표를 두고 있다. 

전극 촉매에 들어가는 백금의 사용량을 줄이기 위한 합금 촉매 기술, 활성 성분이 최적의 성능을 발휘하도록 하는 데 중요한 역할을 하는 지지체 기술 개발이 핵심이라 할 수 있다. 

촉매산업의 글로벌 파운드리 역할도 염두에 두고 있다고 했다. 어떤 의미인가?

당사는 현재까지 촉매기술 개발, 스케일업, 양산 공급까지 촉매의 상업화 과정을 40년 이상 독자적으로 수행해왔다. 그동안 안타깝게도 당사뿐 아니라 다른 회사의 연구소, 국내 연구기관에서 개발된 우수한 촉매기술이 상업화되지 못하고 사라진 사례를 무수히 경험했다. 

이런 뛰어난 촉매기술을 상업화로 이끄는 것도 희성촉매의 책무일 수 있다고 생각한다. 반도체산업만 해도 반도체를 설계하는 ‘펩리스’(애플 등)와 이를 양산하는 ‘파운드리’(TSMC 등)로 나뉘어 각각의 특화된 기술을 바탕으로 협업하는 산업 생태계가 구축되어 있다. 당사도 촉매산업의 파운드리로서 여러 국내외 회사, 연구기관과 협력을 강화해 촉매기술 상업화에 기여할 수 있다는 뜻이다. 

올해 완공을 목표로 본사 앞에 있는 신규 부지에 새 공장을 짓고 있다. 현재 당진에 있는 화학촉매 생산공장을 확장해서 이곳으로 이전하게 된다. 이렇게 되면 기존의 기술연구소, 생산공장(전극 촉매, 자동차 촉매)과 더불어 국내 최대 규모의 촉매산업 허브를 구축할 수 있게 된다. 

아무리 좋은 촉매기술이라 하더라도 양산을 위한 스케일업 과정에 수년이 걸리고, 양산설비 투자에 수백억 원이 넘는 돈이 들어간다. 희성촉매의 양산설비와 기술, 노하우를 통해 촉매 양산 파운드리로서 이런 부분을 풀어갈 수 있다고 본다.