마이크로파를 사용한 화학 프로세스가 고부가가치 분야에 이어 범용화학에도 적용될지 주목된다.
일본 Microwave Chemical은 전자레인지에 사용하는 마이크로파를 화학 프로세스에 적용하는 기술을 개발해 환경부하가 적고 고품질 소재를 만들 수 있는 제조 프로세스로 많은 관심을 받고 있다.
최근 나노소재, 그린케미칼, 라이프사이언스 등 고부가가치 분야를 중심으로 사업을 추진하고 있으며 장기적으로는 범용 분야에도 관련기술을 도입할 방침이다.
Microwave Chemical은 마이크로파를 사용해 대상 분자에 직접 에너지를 전달하는 기술을 화학반응에 적용하고 있다.
전자레인지에 사용하는 2.45GHz 주파대의 마이크로파는 물 분자에 들어가면 수cm 정도로 반감기를 맞아 물질에 대한 침투도를 제어하기 어려워 화학제품 양산에 적합하지 않는 것으로 평가됐다.
하지만, Microwave Chemical은 마이크로파로 물 분자를 진동시켜 열에너지로 변환시킴으로써 식품 등을 데우는 전자레인지와 같은 원리로 물질이 흡수하는 마이크로파에 고유의 파장대가 존재하고 같은 물질이라도 온도에 따라 흡수하는 파장대가 다르다는 점 등을 고려한 시뮬레이션 기술을 적용해 제조 프로세스를 개발했다.
마이크로파는 사용기기 등의 환경이 크게 변화하는 실험실에서 벤치 테스트로 규모를 확대하기 어렵기 때문에 조건을 상세하게 설계하는 노하우가 성공을 좌우하고 있다.
물질 파장대와 온도의 상관관계, 시뮬레이션 데이터 등 장기간 축적해온 연구실적이 프로세스 개발을 뒷받침한 것으로 알려졌다.
마이크로파를 사용한 화학반응은 나노입자를 용액 속에서 합성할 때 용매만을 가열함으로써 균일한 핵 발생, 입자 성장을 촉진하고 미세한 입도분포의 입자를 얻을 수 있는 특징이 있다.
또 합성수지 건조공정에서 수분만을 증발시켜 열 열화 및 수축을 억제할 수 있으며, 열전도를 사용한 화학반응에 비해 에너지 사용량을 3분의 1 설비투자 코스트는 60% 가량 절감할 수 있는 것으로 알려졌다.
Microwave Chemical은 기본기술 확립, 시험제작 설비를 통한 실증을 거쳐 2014년 3월 Osaka에 마이크로파를 사용한 세계 최초의 양산공장을 완공했다.
이후 양산공장 가동이 계획대로 진행되면서 외부 제휴가 가속화되고 있다.
BASF와는 폴리머 제조공정의 에너지 효율화와 관련해 공동개발 계약을 체결했으며, Taiyo Chemical과는 합작기업을 설립해 2017년 3월 식품첨가물에 사용하는 설탕에스테르 양산공장을 가동하기 시작했다.
이밖에도 스마트폰, 태블릿PC 등 터치패널에 사용하는 투명 전극소재용 은나노와이어, 세라믹소재용 나노입자의 양산화 등 다양한 프로젝트를 국내외에서 진행하고 있다.
일본 우주항공 연구개발 기구(JAXA)와는 달과 화성의 땅 속에 있는 얼음에서 물을 채취하는 기술을 공동 개발하고 있다.
최근에는 마이크로파를 사용한 화학반응 프로세스의 라이센서를 목표로 하고 있으며, 특히 범용화학제품 분야를 주목하고 있다.
중동, 유럽, 미국의 화학기업 및 플랜트 건설기업으로부터 범용 분야에 대한 제휴 제안이 들어오고 있는 것으로 알려졌다.
1기로 대량 생산하는 범용화학 플랜트는 에너지 및 코스트 원단위를 낮춤으로써 수익을 크게 개선할 수 있기 때문에 마이크로파를 도입한 제조 프로세스를 검토하는 사례가 증가하고 있다.
화학산업은 글로벌 시장규모가 약 5000조원으로 추정되고 있으며 에너지 소비량은 산업계 전체의 30%, 이산화탄소(CO2) 배출량은 17%를 차지하고 있는 것으로 파악되고 있다.
이에 따라 마이크로파 기술은 고부가가치 분야에 이어 범용화학 분야에도 적용함으로써 제조업 전반의 환경부하 감축에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.