일본은 촉매산업이 꾸준히 성장하고 있다.
리먼 브라더스 사태 이전에 비하면 성장세가 전반적으로 둔화됐으나 공업용은 최근 수년 사이 회복세가 본격화되고 있으며 환경보전용은 2017년 큰 폭으로 성장했다.
중장기적으로는 전방산업이 고도화되면서 촉매가 더욱 진화해 글로벌 시장을 주도해나갈 것으로 예상되고 있다.
특히, 자동차산업에서는 친환경성 확보를 위한 배기가스 정화용을 중심으로 연구개발(R&D)을 강화하고 있으며 전기자동차(EV: Electric Vehicle) 보급이 본격화됨에 따라 앞으로 10년 동안은 개발을 적극화할 것이 확실시되고 있다.
일본 정부가 구축하고자 하는 수소사회도 성장동력으로, 연료전지 개발 및 연료전지자동차(FCV: Fuel Cell Vehicle) 보급이 필수적이어서 다양화 및 고도화되고 있는 요구에 맞추어 촉매산업이 진화를 거듭하고 있다.

공업용 위축에 환경보전용 회복세
촉매는 경제 전체의 흐름에 따라 수요가 좌우되고 있다.
일본 촉매 수요는 리먼 브라더스 사태 이후 대폭 줄어들었으나 2013년 수요량은 공업용이 절정기에 비해 95%, 환경보전용은 65%, 촉매 전체로는 88% 수준 회복한 것으로 나타났다.
2016년에는 공업용이 크게 신장하면서 전체적으로 생산량과 출하량이 전년대비 5.8% 늘어나는 등 호조를 거듭했다.
특히, 공업용은 생산량이 8만6010톤으로 9.8%, 출하량은 8만2189톤으로 10.0% 늘어나는 등 수요가 큰 석유정제용을 중심으로 신장세를 지속했다.
석유화학제품 제조용, 고분자 중합용도 증가하고 있다.
반면, 환경보전용은 수요량이 4년 연속, 출하금액은 2년 연속 감소했다. 다만, 자동차 배기가스 정화용은 회복조짐이 나타나고 있다.
2017년에는 공업용이 둔화된 반면 자동차 배기가스 정화용은 대폭 회복됐다.
공업용은 생산량이 3%, 출하량은 2% 감소한 반면 출하금액은 12%대 늘어났다. 출하단가가 높은 석유화학제품 제조용 출하금액이 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.
환경보전용은 자동차 배기가스 정화용 생산량이 17%, 출하량은 16%, 출하금액도 17%대 늘어나며 호조로 전환됐다.
일본 촉매공업협회는 2017년 1-10월 촉매 수출량이 4만4104톤으로 6.2% 감소한 반면 수출액은 1055억5200만엔으로 13.3% 늘어난 것으로 파악하고 있다.
촉매 수입량은 2만3702톤으로 2.7% 감소한 반면 수입액은 459억5800만엔으로 19.8% 증가했다.
일본 수요도 6만2918톤으로 2.2% 늘어나고 사용금액은 2171억6400만엔으로 15.1% 증가한 것으로 추산되고 있다.
출하량은 화학제품용이 대부분을 차지한 반면 출하금액은 자동차 비중이 컸다.
출하량 비중은 최대 용도인 석유정제용이 2008년 46%에서 2013년 44%로 하락했으나 최근 다시 49%를 회복했다. 석유화학제품 제조용과 고분자 중합용도 비중이 높아졌다.
반면, 자동차 배기가스 정화용은 2008년 15%에서 2013년 13%, 최근 12%로 서서히 축소되고 있다.

배기가스 정화용이 기술개발 주도
자동차 배기가스 정화용 촉매는 리먼 브라더스 사태 이전에 비하면 성장세가 둔화됐으나 기술개발은 주도하고 있다.
EV, FCV 전환이 가속화되고 조만간 가솔린자동차가 사라질 가능성이 대두되면서 앞으로 10년 동안은 관련 연구개발이 이어질 것으로 예상되고 있다. 환경대책 관점에서 자동차 배기가스 규제가 단계적으로 강화될 것이 확실시되고 있기 때문이다.
관련 니즈도 매우 엄격한 방향으로 강화되고 있다.
현재 주류를 이루고 있는 백금, 로듐, 파라듐 등 3원 촉매는 질소산화물(NOx)을 99% 제거할 수 있으나 제거율을 99.9%까지 높이고 싶다는 요구가 부상하고 있으며 동시에 자원 보호, 코스트 감축 관점에서 귀금속 사용량을 대폭 저감해야 한다는 목소리가 높아지고 있다.
촉매 컨버터는 자동차의 라이프사이클 전체를 커버하기 위해 내구성이 요구되고 있으며 미국을 중심으로 지구 6바퀴에 해당하는 15년간 15만마일 성능보증 규격을 제시하고 있다.
귀금속의 소결(Sintering)이 촉매 내구성을 저하시키는 문제도 제기되고 있다.
원래 입경 2-3나노미터 수준의 나노입자가 운전조건에 따라 주행 중 800℃ 이상의 고온 배기가스와 접촉하면 입자끼리 응축돼 20나노미터까지 확대되고 촉매 활성이 저하되는 문제가 나타나고 있다.
현재 나노입자를 다량 투입함으로써 문제를 해결하고 있으나 처음부터 고온환경에서 입자 성장을 제어할 수 있다면 충분한 내구성을 확보할 수 있기 때문에 귀금속 사용량을 대폭 줄이는 방향으로 움직이고 있다.

수소사회, 촉매 혁신을 선도한다!
촉매 개발은 기술 테마가 다양하고 개발 난이도가 높은 편이며 시행착오에 지나지 않는 연구가 많고 해결이 불가능한 사례도 다반사여서 물리화학적 이론에 입각한 설계, 최첨단 설계기술, 계산과학기술 등을 조합할 필요성이 제기되고 있다.
특히, 앞으로 기대되는 수소사회를 구축하기 위해서도 촉매 기술이 발전할 필요성이 강조되고 있다.
수소사회의 핵심기술로 주목받고 있는 연료전지는 수소 등 연료와 산소(공기)를 결합한 산소환원반응을 전기화학적으로 실행하는 것으로 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 발전시스템이며 연료가 수소일 때에는 물만 생성되기 때문에 차세대 청정 에너지원으로 주목받고 있다.
촉매는 연료전지의 전극에 사용되기 때문에 이미 가정용 연료전지 에네팜(Ene-Farm)용으로 고체고분자형 연료전지(PEFC) 채용을 확대하고 있다.
연료극은 백금 및 루테늄계 합금을 카본 단체에 분산시키고 있으나 공기극에는 내구성이 높은 합금촉매, 코어셸 촉매를 사용하고 있다.
수소 대신 메탄올(Methanol) 수용액을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 연료극에 백금 및 루테늄 합금, 공기극에 백금을 사용하는 사례도 등장하고 있다.
반면, FCV 연료전지는 수소를 직접 공급하는 방식을 채용할 가능성이 높게 나타나고 있다.
일본은 경제산업성의 지원으로 수소 스테이션 정비를 서두르고 있어 2018년에는 관련기업을 설립할 것으로 예상된다.
스테이션 운영업자, 자동차기업, 금융기관 등 11사가 협력하며 2020년까지 160만곳, 2025년까지 320만곳에 달하는 수소 스테이션을 전략적으로 배치할 방침이다.
FCV용 전극 촉매 뿐만 아니라 수소 스테이션에 사용하기 위한 수소 제조, 저장, 수송 과정에서도 관련 기술이 적용될 것으로 예상된다.
세계적으로 EV 시장이 크게 성장하고 있고 차세대 자동차 기술 변화를 예단하기 어려우나 일본은 정부가 강력하게 육성하고 있는 수소 기본전략을 실행한다면 촉매가 큰 역할을 담당할 것으로 판단하고 있다.<강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com>