화학산업은 디지털 혁명의 영향으로 진화를 거듭할 것으로 예상된다.
화학기업들은 LiB(리튬이온전지) 개발에 기여한 연구자들이 2019년 노벨화학상 수상자로 선정되자 놀라움을 감추지 못했다.
모바일 및 모빌리티 혁명을 견인한 LiB의 노벨상 수상은 화학기술의 힘으로 새로운 가치를 창출해 사회발전에 기여해온 화학산업이 보유한 무한의 가능성을 보여주는 사례로 평가되고 있다.
2019년 노벨화학상을 수상한 아사히카세이(Asahi Kasei)의 요시노 아키라 박사는 “LiB는 IT(정보기술) 혁명과 함께 태어나고 자랐다”며 “AI(인공지능), IoT(사물인터넷) 기술과 융합함에 따라 더욱 진화할 것”이라고 강조했다.

화학, 기술력으로 시대 변화에 대응
화학기술은 시대의 변화와 함께 진화하면서 사회의 새로운 요구에 대응하고 있다.
19세기 후반에는 휘발유(Gasoline) 자동차가 등장해 주요 에너지원이 석탄에서 석유로 전환됐고, 이후 석유화학산업이 형성되고 플래스틱, 합성섬유 등 기초소재를 저렴하게 대량 공급할 수 있는 체제를 구축함으로써 사회를 더욱 풍요롭게 한 것으로 평가되고 있다.
최근에는 ICT(정보통신기술) 발전으로 전자소재 분야에서 이노베이션이 일어나고 있다.
빌딩 창문을 기지국으로 활용할 수 있는 유리안테나가 대표적이다. 일본 AGC와 NTT도코모(NTT Docomo)가 개발했으며, 5G(5세대 이동통신)에 대응하기 위해 고주파 대역 특성이 뛰어난 기판소재 개발에 힘을 기울이고 있다.
지구온난화, 자원‧에너지 및 폐기물 문제 등 지속가능한 사회 실현을 위협하는 사회문제 해결에도 화학기술의 잠재력이 활용되고 있다.
최근에는 폐플래스틱과 관련해 생분해성 바이오매스 소재, 리사이클에 적합한 단일소재 뿐만 아니라 폐플래스틱을 고온에서 가스화해 화학제품 원료로 활용하는 수소, 일산화탄소 합성가스로 만드는 화학적 리사이클 기술이 주목받고 있다.
일본 우베코산(Ube Kosan)은 에바라(Ebara)와 공동으로 화학적 리사이클 기술 EUP를 개발했다.
쇼와덴코(Showa Denko)가 EUP 기술로 생성한 수소를 원료로 암모니아(Ammonia)를 생산하고 있으며 최근에는 JGC를 포함한 4사가 폐플래스틱 리사이클 추진을 위한 협업을 검토하기 시작한 것으로 알려졌다.
세키스이케미칼(Sekisui Chemical)은 가연성 폐기물로부터 합성가스를 얻은 후 미생물 촉매를 투입해 에탄올(Ethanol)을 제조하는 기술을 개발해 실증을 진행하고 있다.
화학적 리사이클 기술은 자원순환 뿐만 아니라 온난화 방지에도 기여할 것으로 기대되고 있다.
화학산업은 세계적인 변화와 시대의 첨단니즈에 대응하며 성장해왔으나 4차 산업혁명이 일어나는 새로운 시대에서는 대대적인 변화가 불가피해지고 있다.
ICT가 발전함과 동시에 업무방식 개혁, 저출산 고령화에 따른 인력부족 등 사회환경이 급속도로 변화함에 따라 이전과 같은 방법의 연장선상에서는 살아남을 수 없기 때문이다.
이에 따라 화학기업들은 디지털 전환(Digital Transformation)을 본격화하고 있다.
Materials Informatics(MI)를 활용해 신소재를 개발하는 등 연구개발(R&D) 부문에서 성과를 거두기 시작했으며 생산현장에서는 AI, IoT, 드론을 이용한 설비 이상 예측‧감지 시스템 등을 도입하고 있다.

LiB, R&D로 환경‧에너지 혁명 견인
2019년 노벨화학상은 미국 텍사스대학교의 존 구디너프 교수, 미국 뉴욕주립대학교의 스탠리 휘팅엄 교수, 일본 아사히카세이의 요시노 아키라 박사가 공동 수상했다.
노벨화학상은 일반적으로 학술적 연구성과의 과학적 근거와 공표시기를 논문으로 평가해 수상자를 결정하나 요시노 박사는 특허를 근거로 수상자로 선정됐다.
학술적 평가를 받기 어려운 산업계에 종사하고 있는 요시노 박사가 수상자로 선정된 것은 매우 이례적인 것으로 평가되고 있다.  
특허 문헌은 논문에 비해 이해하기가 어려워 산업계 연구자에게 핸디캡으로 작용하고 있다.
그러나 1991년 세계 최초로 상용 LiB를 만든 요시노 박사는 2019년 6월 유럽 특허청의 유럽발명가상을 수상하면서 학술적인 장벽을 뛰어넘었고 세상을 변화시킬 수 있는 특허라면 산업계에 종사하고 있는 연구자도 노벨상을 수상할 수 있다는 사실을 증명했다. 
일본의 기술력도 LiB 실현에 크게 기여한 것으로 평가된다.
1981년 프론티어 전자론으로 노벨화학상을 수상한 후쿠이 겐이치 이론은 이후 2000년 노벨화학상을 수상한 시라카와 히데키가 개발한 전도성 고분자 소재 PA(Polyamide) 등 LiB 관련소재에 다양하게 적용되고 있다.
전도성 PA는 최초의 LiB 음극용 소재로 평가되고 있다.
여기에 구디너프 교수와 함께 양극용 코발트산리튬을 개발한 도시바(Toshiba)의 미즈시마 고이치, LiB를 세계 최초로 상품화한 소니(Sony)의 니시 요시오도 높이 평가되고 있다.
아키라 박사는 “R&D를 성공시키는 것은 매우 간단하다”며 “자신이 가지고 있는 기술, 경험이라는 시즈와 세상이 필요로 하는 니즈를 연결하면 된다”고 말했다.
그러나 “니즈는 변덕스럽고 시즈도 매일 진보하고 있어 변화하는 것을 연결시키는 일은 매우 어렵다”고 덧붙이면서 “화학기업은 앞으로 수요기업의 과제에 대응할 뿐만 아니라 미래에 직면할 과제를 예상해 혁신적인 기술과 소재의 힘으로 과제 해결을 주도하는 제안형 산업으로 진화해야 한다”고 강조했다.

MI, 데이터가 경쟁력의 원천으로…
화학산업은 MI를 통해 데이터 활용 시대를 맞이하고 있다.
화학적 지식에 기초한 데이터베이스 구축, AI를 활용한 신소재 탐색은 MI의 초기단계로, 소재 생산기업들의 데이터 활용이 일반화되는 미래에는 데이터 자체의 가치가 경쟁력의 원천이 될 가능성이 높아지고 있다.
MI는 R&D 실험방법이 아니라 인수합병(M&A) 등 전사적인 전략을 판단하는 중요한 기준으로 자리 잡을 것으로 예상된다.
MI는 AI를 이용해 신규 화합물 탐색, 분자 생성을 시작으로 합성조건, 조성 등 5차원, 6차원 파라미터 공간 탐색이 가능하고 연구자가 실험할 때는 검증을 반복해야 하는 작업의 효율이 대폭 개선될 것으로 기대되고 있다.
MI는 상품의 라이프사이클이 단축된 시장에서 신소재를 잇따라 출시하는 데에도 유용하게 활용될 가능성이 있으며 실현을 위해서는 데이터베이스와 목적 화합물을 도출하는 알고리즘 구축이 요구된다.
그러나 MI로 무엇을 만들지가 가장 중요한 것으로 판단된다.
컴퓨터는 훌륭한 발명품이고 다양한 일을 가능케 하고 있으나 컴퓨터 자체가 무언가를 해주지는 않는 것처럼 MI도 아직 진가를 판단하기는 어려우나 본질적으로는 목적이 아니라 수단에 불과하기 때문이다. 어떠한 기능을 보유한 소재를 개발할지 결정하는 것은 연구자의 발상과 판단에 맡겨지고 있다.
MI로 설계한 화합물을 어떠한 프로세스로 양산할 수 있을지, 시장점유율이나 이익을 확보할 수 있을지 등 그랜드 디자인이 요구되며 현대사회에서는 사회에 대한 기여도도 중요한 요소로 부상하고 있다.
MI로 창출한 신소재는 사업화 예상 배분 등 경영판단에도 유익한 정보를 제공하는 것으로 파악되고 있다.
그러나 단순히 새로운 것을 시도하겠다는 자세만으로는 성공하기 어렵다는 의견이 주류를 이루고 있다.
이에 따라 MI의 효율화 이미지와는 모순되나 시간을 들여 데이터베이스의 양질화 및 확충, 용도별 알고리즘 최적화 등을 거듭할 필요가 있다.
데이터 활용은 성과가 나오지 않으면 바로 철수할 것이 아니라 세계적인 메가트렌드이자 경영전략의 일상적인 테마로 인식할 것이 요구된다.
MI는 앞으로 소재 생산기업에 있어 사실상 표준으로 자리매김할 것이 확실시되고, 뛰어난 소재를 창출하는 데이터가 승부를 결정하고 선행기업이 이익을 얻는 시대가 올 것으로 예상된다.
아울러 혁신적인 소재 이상으로 개발 시스템에 관심이 높아지고 패러다임 전환이 일어날 수도 있어 결과적으로 데이터의 가치가 M&A 및 기업가치를 판단하는 지표로 자리 잡을 뿐만 아니라 산업구도가 생산에서 데이터로 재편될 가능성이 제기되고 있다.

디지털 기술로 안전성‧경쟁력 강화
화학산업은 경쟁력 강화, 안전성 향상을 위해 AI, IoT, 드론(무인항공기)을 활용하는 움직임이 확대되고 있다.
JSR은 가시마(Kashima) 플랜트에서 드론을 이용해 배관 등을 점검하는 시험비행을 실시하고 있다. 3년간 발화 등의 위험성이 없음을 확인했으며 최근에는 드론 낙하에 따른 설비 손상 가능성을 체크하고 있는 것으로 알려졌다.
앞으로 일본에서 가동하고 있는 생산설비에 모두 적용함으로써 인건비 부담이 대폭 줄어들어 연평균 수억엔 가량 코스트를 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
미쓰비시케미칼(Mitsubishi Chemical), 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical), 아사히카세이, JXTG에너지(JXTG Energy) 등도 드론 도입을 적극적으로 추진하고 있다.
NTT도코모와 JGC는 2019년 드론을 이용한 보수점검 서비스를 시작할 계획으로 있는 등 드론 및 제어기술 고도화, 규제 완화 등의 영향으로 진입이 늘어나고 있다.
아울러 대규모 최첨단 플랜트에 대응하기 위해서는 다운타임 감축이 요구되고 있어 펌프, 컴프레서 등 중요기기의 이상 징후를 감지하고 신속하게 수리 및 부품 교환을 실시함으로써 가동 중단에 이르는 대규모 트러블을 미연에 방지하는 방안으로 드론이 주목받고 있다.
히타치(Hitachi)는 IoT 기반 Lumada의 AI 기술 중 하나인 적응적 공명이론(ART)에 따른 해석엔진을 채용한 플랜트 이상징후 진단 서비스 ARTiMo를 공급하고 있다.
쇼와덴코의 오이타(Oita) 소재 에틸렌(Ethylene) 크래커에서 실증을 거쳐 실용화했으며 현시점에서는 4사가 총 5개 플랜트에 도입한 것으로 알려졌다.
ARTiMo는 과거의 정상가동 데이터를 사전에 학습시켜 정상 데이터 카테고리를 생성한 후 실제 가동을 통해 획득한 새로운 데이터와 비교해 가동상태를 진단하는 서비스로, 펌프에 이상이 발생했을 때의 데이터를 새로운 카테고리로 설정하면 동일한 데이터를 취득했을 때 알람을 울려 작업자의 신속한 판단을 촉진함과 동시에 판단 결과를 학습하는 것으로 파악되고 있다.
카테고리는 이상 뿐만 아니라 에너지 사용량, 원료 투입량이 가장 적은 상태 등도 설정할 수 있어 에너지 절약, 생산성 향상에도 활용할 수 있는 것으로 알려졌다.
아즈빌(Azbil)은 온라인 이상징후 감지 시스템 Big Eyes의 배치 프로세스판으로 다품종 소량생산에 대응하고 있다.
Big Eyes는 자체 개발한 기계학습에 따른 2개의 이상징후 감시 알고리즘을 채용하고 있다.
플랜트 데이터로부터 정상적인 움직임을 학습한 후 프로세스, 설비, 생산제품 품질 뿐만 아니라 배수, 대기 등 환경변수를 온라인으로 상시 감시해 평소와 다른 미세한 변화를 감지하는 시스템으로 연속 프로세스판과 배치 프로세스판을 라인업해 다양한 플랜트에 대응하고 있다.
AI, IoT, 드론은 효과적으로 이용함으로써 마이너스 투자로 여겨지던 보수‧보전을 이익 창출 사업으로 전환시킬 가능성도 있어 화학산업의 성장 및 발전에 기여할 것으로 기대되고 있다. (J)