1. 역삼투 분리막 최초 개발로 세운 필터의 기준

한국내 1위 수처리 필터기업이 되기까지

도레이첨단소재는 제일합섬 시절인 1994년 7월 국내 최초로 역삼투 멤브레인 RO(Reverse Osmosis)를 자체 기술로 개발해 냈다. 이 역삼투 분리막은 부직포, 지지층, 활성표면층 등의 복합구조를 가진 형태로 비대칭막인 기존의 CTA(셀룰로오스트리아세테이트)형에 비해 항균성, 내압성, 정수량 등에서 우수한 제품이었다. 도레이첨단소재는 이보다 앞선 1993년에 염수(brackish water)와 해수(sea water)용의 역삼투 분리막 개발을 마치고 1994년 3월에 일본 후생성의 승인을 획득한 데 이어 6월에는 미국 FDA 승인까지 획득했다. 1995년 경산에 생산공장을 건설하고 1997년부터 본격적인 판매에 들어갔다. 그와 동시에 생산능력 증대를 위해 설비를 증설했다.
당시 국내 정수기 시장은 1993년부터 코웨이가 시장을 선도하고 있었는데, 끈질긴 영업과 까다로운 승인 테스트를 통과해 1997년 3월부터 납품에 들어감으로써 가정용 정수기 필터 1위로 부상하는 기반을 마련했다. 또한 1998년 전기펌프를 사용하지 않는 Pumpless 제품을 개발, 납품하여 코웨이 렌탈사업의 확장에 결정적인 기여를 함으로써 상호 협력의 신뢰관계를 굳게 다졌다. 이러한 관계는 현재까지도 탄탄하게 이어져 신제품 개발을 위한 공동협력 프로젝트팀을 운영하고 있으며, 향후로도 국내 정수기 필터 1위의 위상을 더욱 강화하게 될 것으로 기대하고 있다.
또한 1997년에는 산업용과 가정용 RO를 개발했던 노하우에 힘입어 보다 높은 난이도를 가진 해수담수용 RO(일반형)필터 개발에 성공했다. 그리고 연구 개발을 지속해서 2001년 제거율이 향상된 오염제거율 해수담수용 RO필터를 개발했다. 이를 통해 해수담수화용 8인치 역삼투 분리막이 국내 자동차 부품 대기업에 공급됐고 하루 1,800톤이라는 당시로는 국내 최대 규모의 정수 처리를 성공적으로 이뤄냈다.
대기업에서의 정상가동을 시작으로 역삼투 분리막 수출의 길이 본격적으로 열리기 시작했다. 이란의 SOUTH PARS 가스유전개발공사에 참여하고 있던 국내 건설회사는 현장의 음용수뿐만 아니라 설비용, 해수담수화용 역삼투 분리막을 도레이첨단소재로부터 납품 받았다.
일반적인 산업용 필터 설치 상황보다 까다롭고 열악한 환경인 가스유전 개발공사 현장에 국내 최초로 해수담수화용 역삼투 분리막을 대규모로 공급해 정상가동 시킴으로써 해수담수화프로젝트의 뛰어난 파트너로 부각되어 향후의 가능성을 높이는 계기가 됐다. 또한 홍도와 독도 등의 해수담수화 설비에 역삼투 분리막을 납품하여 도서지역의 물부족 해소에 일조했다.

발빠른 중국시장 진출

1998년 8월 중국 천자유한공사와 중국 천진에 정수기 및 가정용 RO모듈 생산회사를 출범시켜 해외시장에 처음으로 진출했다. 국내 사업이 안정화되기 전이었지만 중국의 수질이 좋지 않고 가정에서 수돗물을 정화해서 마셔야 할 필요성이 매우 높아 중국 시장이 급성장할 것으로 예측되었기 때문이었다. 2004년 100% 지분의 천진새한유한공사로 변경되면서 대중국 수출기지로서의 면모가 강화됐고, 2004년 30억 매출에서 2019년 215억으로 15년간 7배가 넘는 매출 신장을 기록했다.
2002년 8월에 산업용 폐수 재활용 공정과 음용수 시설에 사용되는 ‘내오염성 역삼투필터(FRM：Fouling Resistant Membrane)’를 개발하고 본격적인 판매에 돌입했다. 역삼투 분리막을 적용하는 수처리 공정에서는 막오염이 발생하는데 유기물과 무기물 그리고 미생물 등이 막을 오염시키는 주범이었다. 역삼투 공정 전처리에 막오염을 줄이는 단계가 있지만 완전히 제어하지는 못했다. 막오염이 생기면 유량과 제거율이 떨어진다. CIP(Clean in place)라는 세정공정을 통해 회복시킬 수는 있으나 근원적으로 막오염을 최소화하지 않으면 막의 수명 단축과 세정비용 증가, 그리고 목표 수질(水質)에 미달하는 악영향을 미쳤다.
도레이첨단소재는 여러 종류의 막오염을 분석하여 막의 표면을 친수화시키고 표면의 조도를 낮추면서 표면 전하를 중성으로 만드는 획기적인 기술을 발굴하여 분리막에 ‘내오염성능’을 도입한 FRM을 개발했다. FRM은 물속의 부패 유기물과 염분을 99.5% 이상 제거할 수 있는 물성을 가져 유기물 부착으로 인한 제품의 수명 단축을 최소화시킨다. 이로써 기존 역삼투 필터에 비해 약 2배 이상의 내구성을 갖게 됐으며 하수와 공업용수로 재이용되는 쾌거를 올렸다. 이 제품은 그 우수성을 인정받아 2003년 5월 산업자원부로부터 세계 일류상품으로 선정되는 영예를 안았다. 2009년에는 대한민국 신성장동력 경영 대상 수상과 2011년 대한민국 세계일류상품 유공기업 선정의 경사로 이어지는 원동력이 됐다.
2010년 경기도 이천에 소재한 반도체 기업에 탁도 제거를 위한 RO전처리 목적으로 PSf(Polysulfone) 분리막 6천 개를 납품했다. 탁도가 높으면 분리막 오염이 조기에 발생하여 원활한 정수작업이 되지 못하고 막 교체까지 해야 한다. 도레이첨단소재는 평막 및 모듈 가공 기술을 개발해 PSf 분리막을 만들어 납품했고 2019년 현재까지 10년 동안 문제없이 가동중에 있어 그 품질의 우수성과 신뢰성을 보증하는 것으로 평가 받고 있는 셈이다.

고객니즈에 맞는 차별화 제품으로 시장석권

2012년에는 중국시장을 겨냥한 가정용 정수기의 건식 분리막 제품을 출시했다. 중국에서 가정용 정수기 사용이 급격하게 증가하면서 기존의 습식 분리막에서 건식 분리막 생산으로 전환하여 시장 성장에 대응한 것이었다. 건식화를 위해서 염제거율 향상과 건식막 보관상태에서의 성능 유지를 위한 보습 기술 등 새로운 기술과 공정기술을 개발했고 여기에 설비 변경까지 병행하여 성공적으로 제품을 출시할 수 있었다. 건식 분리막의 출시로 중국의 모듈 시장뿐만 아니라 막 판매 시장까지 사업을 확대 전개하게 됐다.
2014년 도레이첨단소재가 웅진케미칼을 인수하여 도레이케미칼로 재탄생되면서 필터사업은 진일보하였다. 두 회사가 각기 보유하고 있었던 해외사무소와 법인을 통합 운영해 자원의 중복투자를 해소할 수 있었다. 또한 도레이는 해수담수용과 산업용 RO 중심으로, 도레이첨단소재는 가정용과 나노여과막을 중점 운영함으로써 각 회사의 장점 분야에서 최고의 성과를 낼 수 있는 프로세스를 정립하게 되어 글로벌 오퍼레이션에서 시너지를 냈다.
2016년도에 들어와서 막 개발의 행보가 빨라졌다. 가정용으로 고회수율/초고유량 제품을 출시했고, 산업용으로 저압용 내오염성 제품을, 그리고 신제품으로 정삼투 분리막을 개발하여 출시했다. 고염제거율 가정용 역삼투 분리막은 가정용 정수기 시장의 고회수율화 및 고농도에 대한 시장의 요구에 대응하여 개발한 것이었다. 투과유량과 염제거율 간의 트레이드 오프(trade off)관계를 극복하는 레시피와 공정기술을 설계하여 가정용 분리막 시장에서 최고 수준의 염제거율을 갖춘 분리막을 확보함으로써 기술적인 우위를 선점하는 성과를 올렸다.
초고유량 가정용 역삼투 분리막은 직수형인 가정용 정수기에 적용 가능한 RO제품을 만들기 위해 RO 분리막의 유량을 극대화하려는 의도로 개발을 진행했다. 직수형 가정용 정수기의 조건 아래 2인치 가정용 모듈의 유량을 400GPD(Gallon per day) 수준까지 올림으로써 초고유량의 특성을 확보하게 된 것이다.
5세대 FRM인 저압용 내오염성 역삼투 분리막은 저압용 제품의 염제거율과 내오염 성능을 향상시킬 목적으로 개발에 착수했다. 과제 수행 단계에서 원료의 변경 때문에 제조 조건을 확보하기 어려웠지만 결국 내오염 성능을 기존제품 대비 2배 이상 향상시킨 제품을 출시했다. 정삼투(Forward Osmosis) 분리막은 삼투압을 이용한 저에너지형 수처리 기술로 역삼투 공정을 대체할 차세대 수처리 분리막을 출시하려는 목적으로 개발했다. 이 신제품을 개발하기 위해 원재료 선정에서부터 완제품 생산까지 시행착오를 많이 겪었으나 신규 부직포 및 친수성 고분자 적용을 통해 고유량 FO 분리막을 확보할 수 있었고 모듈 가공 조건과 구성 변경을 통해 모듈을 최적화할 수 있었다. 그 결과 세계 최고 물성의 FO제품을 개발함으로써 FO 분리막 제조와 평가에 대한 기술력을 갖추게 됐다. 이후 전 세계적인 가정용 건식막에 대한 수요가 증가함에 따라 2016년 10월부터 코팅 3호기 개조에 들어가서 성공적인 가정용 건식막 생산이 가능해졌고, 계속되는 가정용 건식막 수요 증가에 맞추어 2019년 12월 5호기 개조에 돌입했다.

통합으로 이뤄낸 수처리사업의 시너지

2012년 8월 도레이첨단소재 구미 3공장내 출하장에서는 MF(Micro Filter)/UF(Ultra Filter) 모듈의 출하식이 거행됐다. 신사업으로 전개된 수처리 MF/UF 모듈은 2012년 6월에 설비 제작과 설치를 마치고 7월에는 시생산을 거쳐 8월부터 본생산에 돌입하여 이 날 80본의 구미 2공장의 필터 생산 공정 MF/UF모듈을 출하했다. 이 MF/UF모듈은 음용수 처리, 해수담수 전처리용, 공장폐수용 등 다양한 용도에 적용되는 제품으로서 물 부족 심화에 따른 전세계의 수처리 시장 규모가 확대됨에 따라 미래수요가 커질 것으로 전망됐다. 대구시와 경상북도는 1991년 낙동강 페놀 사태로 극심한 식수 오염의 고통을 겪으며 물관리에 대한 관심이 어느 지자체보다 높았다. 지역 내의 산업단지에서 물산업이 융성해 세계적인 중심지로 떠오르기를 희망하고 있었고 그에 따른 여러 조치를 실행했다. 이에 대구시는 2011년~2012년 연속으로 환경부가 주관한 물수요관리 추진성과 평가에서 최우수 기관에 선정됐다. 경북은 물산업과 기술의 중요성을 널리 알리고 투자 유치에 앞장서 왔다. 2014년까지 도레이첨단소재가 투자하여 수처리용 멤브레인 생산공장을 경북 구미에 건설하기로 발표하고 이 공장을 세계 최고 기술의 멤브레인 기업으로 육성하여 수출전진기지로 만든다는 계획을 세웠다.
이런 노력의 일환으로 2012년 9월 대구 엑스코에서 ‘제1회 대한민국 물산업전’이 개최됐고, 도레이첨단소재는 멤브레인 특별 주제관에서 당시 최신 기술이었던 중공사막 모듈 및 MBR(Membrane Bio-Reactor)용 평막 모듈 등의 첨단제품을 선보이며 도레이첨단소재 수처리 소재 기술의 우수성을 알렸다. 중공사막 모듈은 균일하면서도 0.01㎛의 미세한 공경을 구현해 내오염성, 내화학성 및 기계적 강도를 강화하는 동시에 높은 여과 유속을 유지할 수 있다는 장점이 있다. MBR용 평막 모듈은 PET 부직포 위에 0.08㎛의 균일한 미세 공경을 뚫어 하수, 오수, 폐수 등 수질 관리에서 내오염성, 내화학성과 높은 내구성을 유지하여 여과 유속을 높일 수 있는 우수한 제품이다.
도레이첨단소재는 경상북도와 함께 ‘2015년 제7차 세계 물 포럼’을 성공적으로 개최하고, 다양한 물산업 관련 이슈에 대해 긴밀한 협력체계를 갖춤으로써 경상북도를 ‘세계 물산업 허브’로 만드는데 기여할 것을 밝혔다. 도레이첨단소재는 선진 필터기술을 보유하고 있는 기업으로서 이 사업을 선도하는 입장에 서게 됐다.

2015년 4월 대구 엑스코(EXCO)에서 열린 ‘제7회 2015 대구·경북 세계 물포럼(7th World Water Forum 2015)’에서 도레이첨단소재는 수처리 시스템에 적용 가능한 제품들과 이를 적용한 시스템을 전시했다. 품목으로는 역삼투 RO 모듈, PVDF 가압형 MF/UF 중공사 분리막과 MBR용 분리막 등이었다. 도레이의 세계적인 기술력을 바탕으로 고기능성 수처리막 모듈을 생산하고 있는 도레이첨단소재는 국내 최대의 막 여과 정수장인 공주 정수장과 익산 폐수처리장 등 다수의 프로젝트에 이 모듈을 적용하였음을 알렸다. 2016년 RO막을 비롯해 국내 1위의 필터기업으로 성장한 도레이케미칼을 중심으로 양사의 수처리 사업을 통합했다. 도레이첨단소재가 막 모듈 생산뿐만 아니라 엔지니어링을 포함한 수처리의 토탈 솔루션을 제공할 수 있는 전문 기업으로서의 우수성을 보유하고 있음을 대외에 알리는 중요한 기회였다. 이로써 수처리 필터의 제품 구조의 다각화를 이루게 되었으며, 도레이와의 협력을 통해 기술의 고도화, 전문화를 이루고 세계시장에서 경쟁력을 한층 더 높일 수 있게 되었다.

수처리 필터의 새 역사를 쓰다

도레이첨단소재는 2018년 2월부터 엘레멘트 생산능력 증강과 신규사업 추진을 준비하기 위한 3개의 프로젝트를 진행하여 증설을 추진하고 있다. 도레이의 OEM 생산에 대응하기 위한 산업용 자동롤링기를 구축하여 대당 연간 4만 1,000EA 생산량을 올릴 수 있는 프로젝트와 도레이첨단소재 자체 생산을 위한 산업용 자동롤링기를 구축하는 프로젝트로 대당 연간 6만 1,000EA를 생산할 것으로 기대된다. 또 다른 프로젝트는 이온교환막 제막 설비로서 연간 157만㎡의 공급규모를 갖출 것으로 전망하고 있다. 2020년 8월까지 증설을 마치고 2020년 9월부터 본생산에 들어갈 예정이다.
이온교환체가 막의 형태로 되어 양이온이나 음이온 중 어느 하나만 선택적으로 통과시키는 이온교환막은 도레이첨단소재가 중점적으로 추진하고 있는 차세대 신사업이다. 양이온만 통과시키면 양이온교환막, 음이온만 통과시키면 음이온교환막이라고 부른다.
이온교환막은 크게 균질막과 불균질막으로 분류하는데 균질막은 다시 불소계와 탄화수소계로 나뉜다. 도레이첨단소재에서는 수처리용으로 적용 가능한 탄화수소계 방식을 채택하여 기술 개발 및 생산설비를 구축할 것이다.
이온교환막은 전기투석(Electrodialysis, ED 또는 Electrodialysis Reversal, EDR)과 전기탈이온(Electrodeionization, EDI), 축전식 탈염(Capacitive deionization, CDI)에 적용할 수 있다.
전기투석(ED)은 직류 전류를 구동력으로 전리되어 있는 이온을 양·음이온교환막을 이용하여 분리하는 장치로서 현재의 이온교환수지와 달리 화학약품 사용을 현격히 줄일 수 있고 조작이 간단한 장점이 있다. 식품 공정용수, 금속 및 산의 회수, 정유폐액의 탈염 및 농축, 방사성물질의 제거 등에 사용하는 어플리케이션이다. 전기탈이온(EDI)은 전기투석과 구조는 같으나 희석실에 이온교환수지와 같은 전도성 물질을 충진시켜 순수 및 초순수물을 제조한다. 반도체 산업용의 초순수 제조와 제약 및 바이오 공정용수, 발전소 및 열병합 발전용수에 적용된다. 축전식 탈염(CDI)은 정전기적인 인력(引力)에 의해 이온들이 하전된 전극 표면에 흡착하게 되는 원리를 이용하는 것으로 전극 표면에 흡착된 이온들은 전극을 단락시키거나 역전위를 인가함으로써 탈착할 수 있게 된다. 운전효율이 높고 오염물질 배출이 없어 보일러용수, 지하수의 TDS제거, 산업용 폐수처리 및 가정용 정수기 탈염에 적용된다.
도레이첨단소재의 필터 개발에는 기술연구소의 꾸준하고 지속적인 연구가 많은 기여를 했다. 2011년 내오염성 해수담수화용 역삼투 분리막 및 고염제거율 내오염성 역삼투 분리막을 시작으로, 2012년 설페이트제거형 나노 분리막을 개발했다. 2013년 가정용 건식 역삼투 분리막 개발, 2014년 1가/2가 분리형 나노 분리막, 전착도료 및 식품 정제용 한외여과막, 정삼투(FO) 분리막을 개발했다. 2015년 저압용 내오염성 역삼투 분리막과 탈산성수 가정용 나노분리막, 2016년 고염제거율 가정용 역삼투 분리막, 내산성 나노 분리막에 이어, 2017년 초고유량 내오염성 역삼투 분리막, 압력지연삼투(PRO) 분리막, 초고유량 가정용 역삼투 분리막을 개발했다. 2018년 경도제거형 나노 분리막, 하폐수재이용 역삼투 분리막 기술을 통해 수자원의 재활용 및 재이용을 위한 다양한 필터 공급을 위한 기반을 마련했으며, 2019년 양전하 필터(OBLIO-CUT) 개발에 이르렀다.
깨끗한 물에 대한 수요가 세계적으로 커지고 있는 상황에서, 이러한 끊임없는 필터개발에 대한 열정은 도레이첨단소재의 필터사업이 글로벌 경쟁력을 구축하고 전후방산업의 동반성장에 많은 기여를 해왔음은 물론, 향후 가정용 뿐 아니라 산업 현장에 최적화된 모든 필터를 공급함으로써 수처리 토탈솔루션 기업으로 성장하겠다는 목표를 실현하여 비전 2030 달성의 선두주자로 성장해 나갈 것이다.

• 제2장. 소재혁신으로 꿈꾸는 미래를 현실로 만들다