일본 화학기업들이 이산화탄소(CO2)를 원료로 화학제품을 생산하는 기술 실용화에 속도를 내고 있다.
일본기업들은 이산화탄소 활용 기술을 개발해 2020년대에 기술을 확립한 후 2030년경 상업화하는 방향으로 진행하고 있다.
글로벌 화학기업들은 최근 세계 각국이 추진하고 있는 온실가스 배출량 제로(0)화 달성을 위해 이산화탄소 이용‧활용 기술 개발을 강화하고 있으며 이산화탄소를 활용함으로써 새로운 사업 기회를 창출하기 위해 몰두하고 있다.

아사히카세이, 이산화탄소 베이스 HDI 사업화
아사히카세이(Asahi Kasei)는 이산화탄소를 페인트 원료 등으로 사용되는 우레탄(Urethane) 원료 기술을 개발해 2030년까지 사업화하는 프로젝트를 추진하고 있다.
자동차를 도장할 때 에너지를 절감할 수 있는 특수 우레탄 원료도 2022년 시험제품을 공급할 수 있도록 준비하고 있다.
아사히카세이는 이산화탄소의 유도제품인 요소와 HMDA(Hexamethylenediamine)를 반응시켜 지방족 이소시아네이트(Isocyanate)류인 HDI(Hexamethylene Diisocynate)를 생산하는 신규 SS-Agent 공법을 개발했다.
요소를 이소시아네이트의 원료로 사용할 때는 중간 생성물인 카바메이트(Carbamate) 추출과정에서 복잡‧다양한 부반응이 일어나면서 부생물이 발생해 수율을 낮추는 것이 과제이나 해결했다.
아사히카세이는 2002년 자동차 헤드램프 등에 투입되는 PC(Polycarbonate)를 이산화탄소로 제조하는 공법을 세계 최초로 실용화했다. 반응조 안에서 화학반응과 부생물을 제거하는 증류를 동시 실시하는 반응증류 기술을 포함한 공법을 개발해 부생물을 제거함으로써 반응효율을 높이고 에너지 소비량도 감축할 수 있는 것으로 알려졌다.
HDI 제조공법을 확립할 때도 반응증류 기술을 활용했다.
기존 기술을 진화시킨 열해리 반응증류 기술을 통해 부생물을 제거하면서 열로 분해된 분자를 재결합시켜 목적 반응을 효율적으로 추진했으며 카바메이트 수율을 대폭 끌어올리는데 성공했다.
SS-Agent 공법으로 제조한 HDI는 이산화탄소 투입량이 톤당 0.73톤으로, 제조공정의 이산화탄소 배출량에서 투입량을 뺀 이산화탄소 흡수는 독성이 매우 높은 포스겐(Phosgen)을 사용하는 일반공법에 비해 20% 적은 수준으로 파악되고 있다.
아사히카세이는 Duranate 브랜드로 HDI를 공급하고 있으며 사업 강화 및 확대를 위해 이산화탄소 베이스 화학제품을 라인업에 추가할 계획이다.
2030년 상업가동과 동시에 사업화를 추진할 예정이며, 파일럿 플랜트에서 실증실험을 추진함으로써 기술 완성에 주력하고 있다.

자동차 페인트용 방향족 특수 우레탄 원료도 개발
SS-Agent를 응용해 방향족 이소시아네이트 제조기술도 확립할 방침이다.
우레탄 원료인 이소시아네이트는 지방족계와 방향족계로 구분되며 전체 생산량 950만톤 가운데 방향족계가 90% 이상을 차지하고 있다.
이산화탄소 베이스로 방향족계 이소시아네이트를 생산할 수 있게 되면 이산화탄소를 대량으로 흡수할 새로운 수요처를 발굴하는 것이어서 기대를 모으고 있다.
이소시아네이트의 또다른 원료인 아민을 바이오매스 베이스 소재로 전환하는 기술 개발도 추진하고 있다.
바이오매스 베이스로 대체한다면 이소시아네이트 탄소분 전량으로 재생가능 원료를 사용하는 그린화를 실현하고 이산화탄소 흡수원으로서 큰 영향력을 발휘하게 될 것으로 예상하고 있다.
아사히카세이는 그린화를 실현한다면 이소시아네이트로 이산화탄소를 2000만톤 이상 소비하게 될 것으로 기대하고 있다.
이산화탄소를 이용‧활용한 다른 기술 개발도 강화하고 있으며, 다양한 방면에서 이산화탄소 활용기술을 개발한 결과 기존공법으로는 실현할 수 없었던 독자적인 소재를 창출하는 성과를 올리고 있다.
특수 우레탄 원료인 다관능 이소시아네이트도 이산화탄소 활용 과정에서 개발한 것으로 알려졌다.
SS-Agent 기술을 진화시키며 확립했고, 분자 구조 안에 많은 관능기를 도입함으로써 우레탄의 투명성과 외관성을 높이고 저온에서 경화되거나 점도를 높이는 등 다양한 기능 부여에 성공했다.
자동차용 페인트 분야에 적합할 것으로 예상하고 제안을 준비하고 있다.
자동차 페인트는 일반적으로 방청 효과를 나타내는 전착도장과 내피치성을 부여하는 중도도장, 착색 베이스 도장, 평활성과 내후성을 부여하는 클리어 도장 등을 모두 활용하고 있다.
클리어층의 페인트 원료에 다관능 이소시아네이트를 사용하면 클리어층과 베이스층을 저온에서 동시에 도금할 수 있으며 도금공정 감축과 저온화를 통해 이산화탄소 배출량을 줄이고 에너지 절약 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.
2022년부터 시험 판매를 시작하고 2026년 상업 생산해 사업화할 계획이다.
자동차는 공정 단축과 에너지 절감을 위해 도금공정을 줄이기 위한 3Wet 도장 보급이 본격화되고 있다.
현재 일본에서 사용되고 있는 3Wet 도장 분야의 클리어층 페인트 원료를 신제품으로 대체하면 이산화탄소 감축량이 30만톤에 달할 것으로 예측하고 있다.

도소, 규소화합물 활용 DEC 합성 성공
도소(Tosoh)도 이산화탄소를 우레탄 원료로 활용하는 연구를 진행하고 있다.
도소는 일본 산업기술종합연구소와 공동으로 이산화탄소와 규소화합물을 활용해 기존에 독성이 강한 포스겐으로 생산해온 DEC(Diethyl Carbonate)를 효율적으로 합성하는 방법을 개발했다.
DEC는 PU(Polyurethane), PC의 원료로 사용되고 있다.
도소는 신기술을 2030년경 실용화해 자체 화력발전소에서 배출된 이산화탄소를 원료로 활용하는 카본 리사이클 사업으로 확대할 계획이다.
도소와 산업기술종합연구소는 이산화탄소를 이소시아네이트 합성에 이용하는 연구를 추진하고 있고 DEC 합성에 성공함으로써 PU로 활용할 가능성을 높인 것으로 평가되고 있다.
신기술은 이산화탄소와 TEOS(Tetraethoxysilane)를 반응시켜 DEC를 합성했으며, 반응을 저해하는 물이 나오지 않는 것이 특징이다.
최근 연구가 진행되고 있는 이산화탄소와 에탄올(Ethanol)을 사용하는 방법은 부생된 물이 DEC와 역반응을 일으켜 촉매가 가수분해되고 활성을 잃는 문제가 나타난 바 있다.
또 지르코늄에톡시드(Zirconium Ethoxide)를 촉매로 사용해 효율성 제고에 성공했다.
촉매 수명을 조사하는 대조실험에서는 촉매회전 수 43을 기록해 이산화탄소와 에탄올을 사용하는 공법의 4.6과 비교했을 때 약 10배의 수명연장 효과가 있어 촉매 사용량 감축에 도움이 될 것으로 파악되고 있다.
도소는 PU를 제조할 때 필요한 폴리올(Polyol) 가운데 하나인 PCD(Polycarbonate Diol)를 생산하고 있으며 원료 DEC도 생산해 자가소비하고 있다.
이산화탄소를 PU로 활용하는 연구는 이소시아네이트 중심으로 이루어졌으나 새로 개발한 공법은 폴리올과 이소시아네이트 모두 활용하는 것이어서 이산화탄소의 이용 가능성이 더욱 높아진 것으로 평가되고 있다.
TEOS는 규소화합물인 테트라알콕시실란(Tetra Alkoxysilane)의 일종으로, 산업기술종합연구소가 모래나 재로 합성하는 기술을 개발했다.
반응 후 부생물을 통해 간편하게 재생할 수 있으며 이산화탄소와 모래를 베이스로 한 규소화합물 등 고갈 우려가 거의 없는 자원을 활용하는 기술이어서 지속가능성과 저코스트를 동시에 확립할 수 있는 프로세스로 기대되고 있다.

도시바, P2C에서 세계 최고속도 실현
도시바(Toshiba)는 상온에서 빠르게 이산화탄소를 원료화하는 기술을 개발해 주목된다. 
도시바는 이산화탄소를 연료나 화학제품(합성가스) 원료용 일산화탄소(CO)로 전기화학적으로 변환하는 이산화탄소 자원화 기술인 P2C(Power to Chemicals) 분야에서 이산화탄소 전해 스택을 통해 상온에서 세계 최고의 처리 속도를 실현한 것으로 알려졌다. 
최근 전해셀 적층(스택화)에 성공해 엽서보다 조금 큰 소규모 장치로도 최대 1톤을 처리할 수 있다는 것을 규명했으며 2025년 프로토타입 장치를 투입하고 2030년 이후 사업화하는 것을 목표로 하고 있다.
탄소중립 실현을 위한 인공광합성 기술이 주목받고 있으나 이산화탄소 처리량은 연간 수그램에서 수킬로그램 수준에 머무르고 있어 효율 개선이 시급한 것으로 나타나고 있다.
도시바는 인공광합성 연구에서 축적한 기술을 베이스로 P2C 개발에 나섰으며 회수한 이산화탄소와 재생에너지, 잉여전력 등을 조합해 탄소중립을 실현할 수 있는 화학제품 원료 제조에 도전하고 있다.
도시바의 이산화탄소 전해기술은 독자적인 촉매 전극으로 이산화탄소와 전해질, 촉매 등을 삼상계면 반응시켜 이산화탄소 가스를 직접 전기분해하는 것으로, 과거에도 독자적인 촉매도포 기술을 활용해 음극 촉매의 다공질화와 함께 처리능력 기준이 되는 전류밀도를 높여 전해셀의 이산화탄소 변환 속도를 향상시킨 바 있다.
다만, 처리능력을 추가로 확대하기 위해 셀을 스택화하면 전해 시 에너지가 손실되고 열이 발생해 처리능력이 저하되는 과제가 있었으나 최근 전해셀 내부의 전극 사이에 냉각유로를 설치한 독자적인 이산화탄소 전해 스택 구조를 개발함으로써 과제를 해결한 것으로 알려졌다.
전극 면적 100평방미터 셀을 4개 적층한 스택으로 동작을 검증했을 때 상온 환경에서 세계에서 가장 빠른 처리량인 시간당 60노말리터(연간 최대 1톤)를 실현했으며 하루 200톤의 이산화탄소를 배출하는 청소공장에 적용한다면 2000평방미터(농구 경기장 5개 수준) 정도의 설치 면적으로 처리가 가능한 것으로 파악되고 있다.
현재 환경성 위탁사업으로 개발을 진행하고 있으며 미래에는 청소공장이나 석탄화력발전소(연간 평방미터당 35-2만500톤) 처리에 대응이 가능할 것으로 예상하고 있다.
구조가 비슷한 연료전지 기술이나 생산설비를 활용해 부품을 공통화하는 방안을 검토하고 있으며 수소 사업과의 시너지도 기대하고 있다.
이산화탄소를 지속가능한 제트연료(SAF)로 재이용하는 카본 리사이클 비즈니스 모델을 확립하기 위한 논의도 시작한 것으로 알려졌다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)