[충북 소재·부품기술 국산화 R&D사업 기업탐방] 분리막 모듈 기업, ‘에어레인’

충북도 R&D 지원 통해 ‘반도체 제조공정용 대전방지 분리막 모듈 및 시스템 개발’제품화

오홍지 기자 | 기사입력 2021/04/15 [19:35]

[충북 소재·부품기술 국산화 R&D사업 기업탐방] 분리막 모듈 기업, ‘에어레인’

충북도 R&D 지원 통해 ‘반도체 제조공정용 대전방지 분리막 모듈 및 시스템 개발’제품화

오홍지 기자 | 입력 : 2021/04/15 [19:35]

▲ (주)에어레인 기업 전경.  © 오홍지 기자


[충북넷=오홍지 기자] 2001년에 설립된 ㈜에어레인은 기체 분리막(Membrane) 기술을 자체 개발해 상용화에 성공한 기업이다.

 

가운데가 빈 폴리에틸렌 섬유로 만들어진 막(膜)을 의미하는 '중공사막(中空絲膜)'의 생산과 이를 이용한 분리막 모듈 제조, 분리 시스템의 설계, 생산, 기술서비스를 제공하는 (주)에이레인은 원스톱 서비스를 제공하며 업계에 자리매김하고 있다.

 

20년 전인 2001년 창업한 이래 끊임없는 노력과 혁신을 이루며 기체 분리막 분야에서 미래 지속 가능한 친환경 에너지 공급 솔루션 기업으로 발전하는 것을 회사의 비전으로 삼고 있는 기업이다.

 

특히, 이 분리막 기술은 여러 기체가 혼합된 물질에서 원하는 기체만 선택적으로 분리할 수 있는데, 투과성능에 따라 회수된 메탄이나 이산화탄소 등은 연료로도 활용되는 큰 장점을 갖추고 있다.

 

더군다나 신재생에너지를 확보하고, 고가 자원을 재활용할 수 있는 데다 폐수와 이차오염물질 배출이 없어 친환경적이라는 평가도 받고 있다.

 

◆ 자체기술 개발

 

반도체 웨이퍼 또는 디스플레이 생산공정에서 초순수를 이용해 표면을 세정하는 공정이 있다. 그러나 초순수는 깨끗하긴 하지만, 전기를 전도시킬 수 있는 물질이 없는 단점을 가지고 있다.

 

마찰에 의해 전기를 잔뜩 머금고 있다가(겨울철 옷 정전기와 같은) 그것보다 훨씬 강한 정전기를 웨이퍼 표면이나 디스플레이 표면에 발생시켜 세정하는데, 이때 크랙이나 디펙트가 발생한다.

 

그런 강한 에너지를 튀어나오지 않도록 막기 위해 전기가 흐를 수 있도록 하는 물질을 넣어야 하는데, 이를 해결할 수 있는 것이 초순수다.

 

▲ AIRRANE-7009 가제기술개박 제품.  © 오홍지 기자

 

▲ 자체개발 제품.  © 오홍지 기자

 

▲ 자체개발 제품 안.  © 오홍지 기자


그러나 초순수에다 다른 물질을 넣으면 오염이 되기 때문에 에어레인은 오염이 안 되게 하기 위한 대체 물질로 이산화탄소를 선택했다.

 

여기에서 이산화탄소를 과하게 사용하면 환경이 안 좋아지는 점을 고려해 적은 양의 이산화탄소를 초순수 안에 넣어 충분하게 용해 되도록 하는 게 에어레인의 자체개발 기술이다.

 

초순수는 전기전도도, 고형 미립자수, 생균수, 유기물 등을 극히 낮은 값으로 억제한 순수한 물을 말한다.

 

초순수에서는 미립자가 직경 0.1㎛ 이하의 것이 20개/㎤ 이하, 생균은 100㎤당 1개 이하 등의 제한치가 있다.

 

초순수는 증류, 이온교환, 역침투 등을 조합해 만드는데 반도체의 제조공정에 사용되나, 이것들의 도금공정 중에서 세정수에도 사용된다. 이 외에 의약품 제조, 원자력 발전소에서도 사용되고 있다.

 

저희가 사용하는 것은 초순수이기 때문에 자체개발한 멤브레인(액체 또는 기체의 특정 성분을 선별적으로 통과시켜 혼합물을 분리할 수 있는 액체 막 또는 고체 막으로 필터 역할)과 여기에 사용한 하우징(부품을 수용하는 상자형 부분이나 기구(機構)를 포용하는 프레임 등 모든 기계 장치를 둘러싸고 있는 상자 모양)에서 미량의 금속이온만 나와도 반도체 불량이 납니다. 그래서 그것들이 나오지 않는 소재를 사용해 하우징도 만들었고, 멤브레인도 금속이온이 나오지 않는 걸 평가단 과제를 통해 검증했습니다. 초순수 쪽으로 반도체를 세정할 경우 금속이온이 나오지 않는 것들을 검증했죠.

 

◆ 기술개발 활용

 

에어레인은 SK하이닉스와 이엠코리아, 수리온 헬기 등에 자체 개발한 제품을 납품하고 있다.

 

여기에 수소연료전지 자동차의 주요 부품도 개발 중인 데다 최근 싱가포르와 러시아 등 해외 고객사와 대규모 납품 계약을 맺기도 했다.

 

에어레인은 고객의 다양한 요구조건에 맞춘 특화된 솔루션을 제공한다. 다양하게 갖춰진 규격제품 외에도 고객의 특별한 요구에 따라 맞춤형 시스템을 적기에 제공하기 위해 최선을 다하고 있다.

 

아태지역에서의 경험과 이해도를 바탕으로 집적화된 솔루션을 경쟁력 높게 제공하는 에어레인은 중국과 일본, 호주 외에도 터키, 영국, 미국, 러시아에 이르기까지 20여 개국에 다양한 제품과 시스템을 판매하며 지역 전문성에 초점을 맞추고 있다.

 

또, 20여 년 동안 고객들과의 파트너십을 통해 굳건한 실적을 쌓아 올리고 이는 에어레인은 끝없는 도전과 개선, 지속적인 연구개발 투자를 통해 특허와 지식재산권으로 보호되는 제품군과 솔루션을 고객들에게 제공하며 검증된 기술·혁신만을 선보이고 있다.

 

이를 가능토록 하는데에는 4명의 박사급 연구원을 포함한 열정적인 연구팀이 있기 때문이다.

 

고객의 눈높이에 맞춘 최고의 경험과 전문성을 제공하기 위해 에어레인은 고객 맞춤형 설계와 생산 외에도 시스템 운전교육과 컨설팅에 이르기까지 기체분리분야에 있어 원-스톱 솔루션을 제공하고 있다.

 

품질관리 면에서도 지속적인 기술혁신과 품질관리를 통해 분리막 제품은 한국과 기타지역에서 성능인증과 품질인증을 획득했다.

 

에어레인이 자체 개발한 제품인 기체 분리막은 여러 종류의 기체혼합물이 통과할 수 있는 미세한 중공사 형태를 갖추고 있다.

 

혼합기체가 중공사를 통과할 때 중공사 내부의 분리막에서는 흡수-확산 메커니즘에 따른 선택적 투과 현상으로 기체가 분리되는데, 마이크론 단위의 직경을 가진 중공사의 벽은 비대칭 형태의 고분자 막으로 구성돼 있어 혼합기체를 중공사 안쪽으로 통과시키면 중공사의 내벽을 통해 기체가 투과되게 되는 원리이다.

 

▲ 사진 왼쪽부터 하성용 대표이사, 김세종 개발팀장이 기술 개발 제품을 설명하고 있다.  © 오홍지 기자


각 기체의 투과율은 해당 기체와 분리막을 구성하는 고분자물질 사이의 용해도 차이와 확산속도 차이에 의해서 결정된다.

 

높은 용해도를 갖는 저 분자량의 기체(빠른 기체)는 낮은 용해도의 고분자량 기체(느린 기체)보다 분리막을 빠르게 투과하는 특성을 보이고 있다.

 

분리막을 빠르게 투과한 기체는 중공사의 외벽에 투과기체 (Permeate)로 분리된다. 반면, 투과하지 못한 기체는 중공사의 내부를 통과해 잔류기체(Retentate)로 따로 분리되게 된다.

 

원하는 기체의 종류에 따라 투과기체와 잔류기체 모두 유용하게 쓰일 수 있다. 그 예로, 압축공기로부터 투과도가 높은 산소를 투과기체 (Permeate)로, 투과도가 낮은 질소를 류기체(Retentate) 로 분리하며, 바이오가스 정제시에는 상대적으로 투과성능이 높은 이산화탄소가 분리막을 통과해 투과기체가 되고, 메탄은 잔류기체로 분리된다.

 

◆ 기술개발 의의와 애로, 충북도 R&D 사업 선정

 

그러나 이 같은 놀라운 자체개발 기술 이전에는 일본에서 제품을 수입해 사용해야하는 실정이었다. 개발 이전에는 일본에 의존하는 게 전부였던 셈.

 

그러다 지난해 일본이 한국을 상대로 수출에 관한 화이트 리스트에서 제외하면서, 수출규제에 따른 어려움을 느낀 에어레인은 이를 타개하려고 새로운 혁신을 고민했다.

 

새로운 혁신을 고민하던 에어레인은 충북도의 ‘충북 소재·부품기술 국산화 R&D 사업 지원’에 관한 공고를 접하게 됐고, 마침 혁신하려던 기술개발 부분과 일치해 사업을 신청했다.

 

그 결과, 개발의 타당성, 목적성 등과 그간의 기업 성과를 인정받아 R&D 사업 지원기업에 선정됐다.

 

이 R&D 지원은 반도체와 이차전지, 자동차 산업 소재·부품 핵심기술의 국산화를 통해 일본 수출규제에 대한 충북 소재 기업 피해를 최소화하고 경쟁력 제고를 위해 충청북도 신성장산업국 산업육성과에서 지원한 사업.

 

충북도는 일본 수출 규제에 어려움을 느낀 충북지역 소재 기업을 대상으로 이 사업을 추진해 기업들의 성과를 극대화하며 소재 국산화를 이뤄냈다.

 

우리 기업은 버블러 모듈 즉, CO2를 초순수(복잡한 공정을 거쳐 수중 오염 물질을 전부 제거한 순수)에다 용존시키는 모듈을 개발했는데, 이 자체개발한 시스템을 가지고 충북도 지원사업 과제를 신청해 최종 선정됐죠. 1년 단기과제이지만, 과제 종료 후 2년 정도까지는 성과물에 대해 보고하면 됩니다. (일본의 수출규제로) 충북도의 지원 과제가 아니었어도 자체개발을 해야 하는 상황이었어요. 충북도를 통해 지원받아 사업을 추진한다면 향후 제품 개발과 판매, 수출 등 신뢰도 면에서 더욱 높을 것으로 생각했죠. 그렇게 사업에 선정되고 나서, 열심히 노력해 자체개발에 힘을 쏟았죠. 우리 기업을 선정해준 충북도에 너무 고맙죠.

 

▲ 에어레인_제품_바이오가스 분리장치.  © 오홍지 기자

 

▲ 에어레인_제품_Pervaporation 장치.  © 오홍지 기자


◆ 기술개발의 다양한 산업 분야 접목

 

우선, 질소(N2)는 가장 널리 사용되는 산업용 기체이다. 그 사용범위도 각종 저장탱크의 Purging, nerting, 폭발방지에 이르기까지 다양하다.

 

특히, OBIGGS 설비는 항공기나 선박의 연료탱크에 질소를 충진 함으로서 유증기와 산소로 인한 폭발사고를 방지하기도 한다.

 

이어, 우리 주변 음식물 쓰레기, 분뇨, 하수처리 시설, 쓰레기 매립지 등에서는 바이오가스가 발생하는데, 일반적으로 바이오가스는 60%의 메탄(CH4)과 40%의 이산화탄소(CO2)로 구성돼 있다.

 

이러한 바이오가스는 기체 분리막을 통해 메탄 순도 97% 이상 바이오 메탄으로 고화질해 도시가스 배관망에 주입 또는 CNG 차량에 사용 가능토록 하고 있다.

 

또, 반도체와 디스플레이 산업은 고순도의 기체와 액체를 사용하는 과정에서 폐가스와 폐액이 발생하는데, 폐액에 함유된 IPA나 SF6 등은 기체 분리막을 이용해 농도를 올려 재활용 가능토록 해 부가가치를 높일 수 있다. 여기에 초순수의 대전방지를 위해서도 분리막이 사용된다.

 

발전 분야에서도 기체 분리막을 활용한다. 고농도의 산소를 공급해 연료효율을 증가시키고, 불활성기체를 투입해 안전을 담보한다. 이산화탄소를 회수하는 등, 탄소배출량을 줄이게 할 수 있다.

 

식음료 분야에 있어도 장기간 보존, 장거리 운송에 따른 제품의 신선도 유지를 위해 질소의 사용은 필수적이라고 할 수 있다.

 

에어레인은 특히, 음료 시장에서 다양한 기체를 활용하는 혁신적인 솔루션을 제공하고 있다.

 

에어레인은 병원에서의 습도조절과 산소 발생 시스템 외에도 가정에서의 공기정화와 산소 발생기에 이르기까지 다양한 공기 질 관리에 기체 분리막이 해법이 될 수 있다고 설명한다. 미세먼지 제거에도 활용할 수 있다는 부연이다.

 

그만큼 천연가스의 불순물 제거, 정유 공정의 수소 재생, 석유화학 공정의 Monomer 회수 등 기체 분리막은 저비용 에너지 효율적인 솔루션을 제공하는 장점을 갖고 있다.

 

▲ 에어레인_제품_산소발생장치.  © 오홍지 기자

 

▲ 에어레인_제품_질소발생장치.  © 오홍지 기자


◆ 기술개발의 다양한 응용분야

 

다양한 산업 분야의 각 공정에서 질소는 광범위하게 사용되고 있다. 저비용의 질소투입장치는 시스템 엔지니어링에 있어 주요한 부분을 차지하고 있다.

 

기존의 고압실린더 방식이나 액화탱크저장방식은 비용 상승이나 물류상의 어려움을 야기하는 반면에, 기체 분리막 장치는 질소를 필요로 하는 현장에 설치돼 대기중의 78%를 차지하는 질소기체를 활용·고농도화하는 방식으로 이러한 문제들을 해 결 할 수 있다.

 

응용분야는 ▲항공기 연료탱크 불활성화 ▲타이어 공기압유지 ▲선박용 불활성기체 발생장치 ▲과일, 채소 및 음료 저장 ▲화학 공정 ▲제조공정 중 산화방지설비 ▲LNG 탱크, 선박 유지보수 ▲식품 가공 및 포장 등에 활용되고 있다.

 

◆ 기술개발의 장점·기대효과 및 차별화 전략

 

압축공기만을 이용해 고농도 질소 생산이 가능하다는 점이다. 또, 이동형 장치를 이용해 설치장소가 자유로우며, 연속 가동 중에도 소음이 적다.

 

적은 공간에도 설치 가능하며, 장치의 수직과 수평 설치도 가능하다.

 

특히, 지역에 미치는 효과적인 면에서도 단연 돋보인다. 자체개발 기술로 인해 세정 장비 쪽에서는 일본에만 의존하던 부분을 자체 시스템을 기본적으로 대체할 수 있게 됐다. 여기에 자연스럽게 충북도 사업을 지원받으면서 충북의 고용창출 면에서도 한몫을 해냈다.

 

에어레인은 앞으로 차별화 전략으로 초순수 이산화탄소 용존 시스템을 원하는 기업에 맞춤형 개발로 제작할 계획이다. 일본의 경우 맞춤형으로 제작을 지원하지 않는 단점을 보완해 국내 기업에 이를 부각할 방안이다.

 

여기에 IT산업 분야가 강점인 일본과 대만, 중국, 미국을 상대로 해외 판로를 개척하겠다는 의지도 가지고 있다. 에어레인은 자체기술 개발 외에도 중국, 러시아, 싱가포르, 미국 등 수출판로를 지속하고 있다.

 

  본 기사는 충북도 신성장사업국 산업육성과에서 지원한 충북 소재·부품기술 국산화 R&D

  사업 수행과제 중 우수기업 탐방 기사입니다. <편집자 주>

 

▲ 자체개발 기술 활용 제품.  © 오홍지 기자

 

▲ 자체개발 기술 전시 모습.  © 오홍지 기자

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