세륨 산화물 복합체 세라믹 산소분리막 기술 개발

석탄가스화 복합발전(IGCC)과 순산소연소(Oxyfuel) 등 산소를 이용한 고효율·친환경 화력발전이 주목받는 가운데, 산소분리 설비·제조비용을 절감할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국에너지기술연구원(원장 이기우)은 세륨 산화물(CeO2) 복합체를 이용해 안정적·경제적으로 산소를 분리하는 신개념 세라믹 산소분리막을 개발했다.

이번에 개발된 세륨 산화물 복합체 산소분리막은 안정적으로 산소이온을 전달하는 물질인 세륨 산화물(CeO2)과 전자를 전달하는 물질인 페로브스카이트(Perovskite)를 혼합해 기존보다 저렴한 소재를 사용해도 높은 산소 투과특성을 낼 수 있도록 고안됐다. 이를 통해 산소분리 설비비용을 최대 48%, 산소 제조비용을 최대 68%까지 줄일 수 있으며, 화학적 안정성도 기존 세라믹 산소분리막 대비 10배 이상 향상됐다.

기존의 산소 분리 방법은 끓는점의 차이에 의해 공기에서 산소를 분리하는 심냉분리법에 기초했다. 그러나 분리 시 대규모 공장이 필요하고 공기를 압축하는 과정에서 많은 전기를 소모해 최종 발전 효율을 9% 저하시키는 단점이 있었다. 이를 극복하기 위해 세라믹 산소분리막 기술이 개발됐지만 높은 산소 제조가격, 취약한 화학적 안정성이 문제로 지적돼왔다.

반면 세륨 산화물 복합체 분리막은 제조가격과 안정성의 문제를 극복해 기존의 발전 플랜트, 제철산업 효율 상승에 기여할 수 있다. 높은 비용절감 효과를 통해 친환경 발전 기술의 실용화를 앞당길 수 있게 된 것이다. 또 미국 등 기술 선진국의 투과 성능(3㎖/㎠·min)을 뛰어넘은 세계 최고 수준(3.6㎖/㎠·min)을 기록해 향후 분리막 시장 점유율에서도 우위를 차지할 것으로 기대된다.

연구책임자인 유지행 에너지기술연구원 박사는 “세륨 산화물 복합체 산소분리막 기술은 현존하는 세계 최고 수준의 기술로 기존의 산소분리 설비·제조비용을 3분의 2 수준으로 줄여 친환경 발전을 가능케 할 새로운 기술”이라며 “발전, 철강, 화학 공정, 생명 공학 분야와의 융합을 통해 고부가가치 산업을 창출할 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 이 기술은 지난 2월 영국 왕립화학회가 발간하는 재료분야 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 표지논문 및 ‘Chemistry of Materials’에 게재돼 학계의 인정을 받았으며, 연구진은 현재 실용화를 위한 모듈화 및 주변 장치 개발을 진행 중이다.