탄소배출저감

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[KICT LAB 시즌2] 산업부산물의 대변신! 지반고화재!

63빌딩이나 부르즈 할리파와 같은 초고층 건물의 공통점은 각 나라를 대표하는 상징적인 랜드마크라는 점입니다. 만 명 이상의 상시 근무자가 머무는 이런 거대 건축물의 안전을 확보하기 위해 가장 기본이 되는 요소는 바로 튼튼한 지반입니다. 이때 필수적인 기술이 연약한 토양을 보강하여 구조물의 하중을 견딜 수 있도록 지반을 단단하게 만드는 지반고화재입니다. 최근 건설 현장에서는 안전한 기반을 조성함과 동시에 지구 환경까지 보호할 수 있는 혁신적인 지반고화재 기술이 도입되며 새로운 변화의 바람을 맞이하고 있습니다. 전통적으로 사용되어 온 지반고화재의 주원료는 석회석 기반의 포틀랜드 시멘트입니다. 시멘트는 저렴한 가격과 우수한 품질 덕분에 오랫동안 건설 현장에서 널리 쓰여 왔지만, 환경적인 측면에서는 작지 않은 문제점을 안고 있습니다. 주원료인 석회석을 채굴하는 과정에서 산림 훼손이 불가피할 뿐만 아니라, 제조 공정 중에 막대한 양의 온실가스가 배출되기 때문입니다. 실제로 전 세계에서 발생하는 이산화탄소 배출량 중 무시할 수 없는 비중이 시멘트 산업에서 발생한다는 점은 건설 업계가 반드시 해결해야 할 숙명적인 과제로 남아 있었습니다. 이러한 환경적 한계를 극복하기 위해 한국건설기술연구원과 국내 기업은 산업부산물에서 새로운 해결책을 찾았습니다. 화력발전소에서 발생하는 미분말 형태의 저품위 플라이애시와 제철소 용광로에서 나오는 고로슬래그가 그 주인공입니다. 고로슬래그는 입자가 작아 초기 강도와 내구성을 높이는 데 효과적이며, 저품위 플라이애시는 지반과의 응결 속도를 앞당겨 시공 기간을 단축하는 장점이 있습니다. 이는 과거에 단순히 매립되거나 폐기물로 버려지던 부산물을 고부가가치의 친환경 건설 재료로 재탄생시킨 고무적인 결과물이라고 할 수 있습니다. 산업부산물을 활용한 지반고화재는 경제적 가치와 환경 보호라는 두 마리 토끼를 모두 잡는 데 성공했습니다. 시멘트 사용량을 줄임으로써 온실가스 배출을 획기적으로 낮출 수 있고, 석회석과 같은 천연자원의 소비도 최소화할 수 있습니다. 특히 베트남처럼 급격한 경제 성장으로 인해 화력발전과 철강 산업이 발달한 국가에서는 이러한 부산물의 처리가 시급한 사회적 과제로 떠오르고 있습니다. 이번 기술은 자원을 선순환시키며 산업 현장에서 발생하는 사회적 비용을 줄이고 지속 가능한 성장을 도모하는 데 결정적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 현재 우리나라의 기술진은 베트남 현지의 특성을 고려한 맞춤형 지반고화재 개발과 현지화를 적극적으로 추진하고 있습니다. 최근에는 베트남 현지에서 조달한 저품위 플라이애시를 활용해 성공적인 시험 시공을 마쳤으며, 공식적인 품질 인증 절차를 통해 기술력을 증명할 계획입니다. 이는 단순한 기술 수출의 의미를 넘어 국경을 넘은 협력을 통해 전 지구적 기후 위기에 대응하는 훌륭한 모범 사례가 될 것입니다. 버려지던 폐기물을 친환경 건설 재료로 탈바꿈시키는 기술적 진보는 인류와 자연이 공존하는 지속 가능한 미래를 향한 소중한 발걸음이 될 것입니다.

한국건설기술연구원KICTLAB

지구환경과학
융합
공학·기술

[KIER] Solar Waste Panel Recycling Technology

태양광 발전은 오염물질 배출이 없는 지속가능한 재생에너지로 각광받고 있지만, 수명이 다한 태양광 폐패널 처리가 새로운 과제로 떠오르고 있습니다. 국제에너지기구(IEA)의 예측에 따르면 전 세계적으로 폐기되는 태양광 폐패널의 수는 기하급수적으로 증가할 전망입니다. 이에 한국에너지기술연구원(KIER)은 자원 효율을 극대화하기 위해 태양광 폐패널 재료의 80% 이상을 회수하는 혁신적인 재활용 기술을 개발했습니다. 이는 단순한 폐기물 처리를 넘어 지속가능한 에너지 사이클을 완성하는 필수적인 단계입니다. 태양광 폐패널 재활용은 크게 열처리, 화학적 처리, 그리고 물리적 처리의 세 가지 방식으로 나뉩니다. 한국에너지기술연구원(KIER)이 주목한 기술은 전 세계적으로 널리 쓰이는 물리적 처리 접근법을 고도화한 방식입니다. 기존 방식이 단순히 유리를 분리하고 재활용하는 수준에 머물렀다면, 새롭게 개발된 기술은 알루미늄, 실리콘, 구리와 같은 고부가가치 물질을 훨씬 높은 순도로 회수할 수 있습니다. 이를 통해 공정 비용은 낮추면서도 회수되는 자원의 다양성과 질을 동시에 확보하는 데 성공했습니다. 재활용의 핵심은 태양광 폐패널의 각 구성 요소를 정교하게 분리하는 공정에 있습니다. 자동 정션박스 해체와 프레임 제거를 거친 후, 가장 중요한 단계인 유리 분리가 이루어집니다. 한국에너지기술연구원(KIER)의 기술은 봉지재와 유리 사이의 계면을 효율적으로 분리하는 특수 장치를 사용하여 거의 100%에 달하는 유리 회수율을 자랑합니다. 이 과정에서 은, 실리콘, 구리와 같은 귀중한 금속 재료들이 서로 섞이지 않게 원천적으로 차단함으로써, 회수된 자원의 재판매 수익성을 극대화하는 성과를 거두었습니다. 태양광 폐패널에서 유리는 전체 무게의 65% 이상을 차지하며, 특히 철분 함량이 매우 낮은 고품질의 저철분 유리가 사용됩니다. 과거에는 태양광 폐패널을 분쇄하여 회수하는 방식을 사용했으나, 실리콘이나 금속이 섞여 유리의 가치가 급격히 떨어지는 문제가 있었습니다. 연구팀은 태양광 폐패널을 파손하지 않고 유리를 온전하게 분리해내는 기술을 통해 고가의 유리를 최고 순도로 유지하는 데 성공했습니다. 태양광 폐패널의 파손 여부와 관계없이 일관된 처리가 가능하다는 점 또한 이 기술이 가진 독보적인 장점 중 하나입니다. 회수된 자원은 단순한 재활용을 넘어 새로운 가치를 창출하는 데 사용됩니다. 태양광 폐패널에서 얻은 실리콘은 단결정 잉곳으로 제조되어 다시 태양전지 생산 공정에 투입됩니다. 이는 자원의 완전한 경제 순환을 가능하게 하며, 최근 수요가 급증한 이차전지 음극재 분야에서도 실리콘의 가치가 높게 평가받고 있습니다. 저탄소 배출을 실현하는 이 저비용 재활용 기술은 환경 보호와 경제적 이익이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡으며, 에너지 산업의 지속가능한 미래를 밝히는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

한국에너지기술연구원

지구환경과학
융합
공학·기술

[2020 한국지질자원연구원 Geo Tech Biz Partnering] 강정신 박사 발표

마그네슘은 구조용 금속 중 가장 가벼운 특성을 지녀 수송 기기의 경량화와 탄소 배출 저감을 위한 핵심 소재로 주목받고 있습니다. 최근에는 산화마그네슘을 원료로 활용하여 초고순도 마그네슘 금속을 제조하는 새로운 제련 기술이 개발되었습니다. 이 기술은 산화마그네슘을 불화물계 용융염에 용해한 뒤, 주석이나 은, 구리와 같은 고밀도 금속을 음극으로 사용하여 전기분해하는 방식을 취합니다. 이 과정에서 전해조 바닥에는 마그네슘 합금이 생성되며, 양극에서는 탄소나 백금 사용 여부에 따라 이산화탄소 혹은 산소 가스가 발생하게 됩니다. 용융염 전해를 통해 생성된 마그네슘 합금은 다음 단계인 진공 증류 공정을 거쳐 최종적인 금속 형태로 회수됩니다. 약 1,200~1,300K의 고온에서 진행되는 진공 증류는 합금 내의 마그네슘만을 기화시켜 증류 타워 상부의 저온부에서 응축시키는 원리를 이용합니다. 이를 통해 순도 99.999%에 달하는 5N급 초고순도 마그네슘을 얻을 수 있으며, 특히 기존 공정에서 문제가 되었던 철 함량을 획기적으로 낮출 수 있습니다. 실험 결과 구리를 음극으로 사용했을 때는 약 93.7%, 은을 사용했을 때는 99.9%에 이르는 높은 회수율을 기록했습니다. 연구 과정에서는 최적의 전해 조건을 확보하기 위해 정전류법을 활용한 정밀한 실험이 수행되었습니다. 1,053K 온도 조건에서 마그네슘 농도를 변화시키며 실험한 결과, 약 82%에서 88%에 이르는 높은 전류 효율을 나타냈습니다. 생성된 마그네슘 합금의 XRD 분석을 통해서는 이원계 상태도에서 예측되는 중간상 화합물이 안정적으로 형성됨을 확인하였습니다. 이러한 성과는 친환경적인 마그네슘 제련을 위한 효율적인 전해조 구조 설계와 운전 조건을 확립했다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 단순화된 셀 구조는 향후 대량 생산을 위한 스케일업 과정에서도 유리하게 작용할 전망입니다. 새로운 제련 기술은 기존의 염화마그네슘 전해 방식과 비교했을 때 뚜렷한 환경적, 경제적 장점을 보유하고 있습니다. 기존 공정은 전해 과정에서 유해한 염소 가스가 발생하지만, 이 기술은 산소나 이산화탄소를 배출하여 환경 부하를 크게 줄였습니다. 또한 공정 온도가 약 780℃ 정도로 기존 방식보다 낮아 에너지 효율이 높으며, 산화마그네슘에서 초고순도 금속을 얻기까지의 반응 단계를 단 두 번으로 단축했습니다. 상용 알루미늄 전해 제련 셀과 유사한 구조를 채택하고 있어 산업 현장으로의 기술 이전과 상용화 접근성이 매우 높다는 점도 특징입니다. 전 세계 마그네슘 시장은 연평균 약 7.1%의 가파른 성장세를 보이고 있으며, 2025년에는 약 4조 원 이상의 규모에 이를 것으로 전망됩니다. 현재 중국이 열환원법을 통해 생산의 80%를 점유하고 있으나, 강화되는 환경 규제로 인해 친환경적인 전기분해법으로의 전환이 가속화될 것으로 예상됩니다. 마그네슘은 자동차와 비행기의 연비 향상을 위한 경량화 소재뿐만 아니라 최근에는 생체 분해 성질을 이용한 의료용 소재로도 각광받고 있습니다. 탄소 중립 시대에 발맞추어 고효율 신제련 기술의 확보는 국가 소재 산업의 경쟁력을 높이는 핵심 동력이 될 것입니다.

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실

화학
융합
공학·기술

[2020 한국지질자원연구원 Geo Tech Biz Partnering] 강정신 박사 기술소개

급변하는 과학 기술의 발전 뒤에는 환경 파괴라는 부작용이 따랐습니다. 이를 해결하기 위해 전 세계는 태양광이나 풍력 같은 친환경 에너지 개발에 박차를 가하고 있으며, 산업계 전반에서도 에너지 효율을 높이고 탄소 배출을 줄이기 위한 노력이 이어지고 있습니다. 특히 수송 분야에서는 동력원을 친환경 에너지로 전환하고 기체 자체를 가볍게 만들어 소비 효율을 극대화하는 연구가 활발합니다. 여기서 마그네슘은 실용 금속 중 가장 가볍다는 특징 덕분에 부품 경량화의 핵심 소재로 주목받으며 수송 수단과 산업 전반에서 그 중요성이 점차 커지고 있습니다. 현재 마그네슘 생산의 주류인 방식들은 각기 뚜렷한 장단점을 가지고 있습니다. 전 세계 생산량의 80% 이상을 차지하는 열환원법은 공정 과정에서 막대한 에너지를 소모할 뿐만 아니라, 대안인 전기분해법에 비해 탄소 배출량이 약 1.5배나 많다는 단점이 있습니다. 또한 공정 중 발생하는 유해 물질로 인해 환경 오염을 유발한다는 비판을 피하기 어렵습니다. 이러한 이유로 최근 중국을 비롯한 주요 생산국들은 환경 부하를 줄이기 위해 기존 방식을 탈피하여 더욱 진보된 전기분해법으로의 전환을 적극적으로 검토하며 기술적 변화를 시도하고 있습니다. 한국지질자원연구원(KIGAM)은 이러한 세계적 흐름에 발맞춰 산화 마그네슘을 원료로 사용하는 친환경적이고 효율적인 신제련 기술을 새롭게 개발했습니다. 이 기술은 순도 99.99% 이상의 초고순도 마그네슘을 생산할 수 있는 혁신적인 공정으로, 크게 두 단계로 진행됩니다. 먼저 약 750도 환경에서 용융염 전해를 통해 마그네슘 중간 합금을 제조합니다. 이후 제조된 합금을 진공 증류기에 넣고 약 1,300K의 고온에서 증류 과정을 거치게 됩니다. 이 과정에서 증기압의 차이를 이용해 불순물을 걸러내고 최종적으로 우리가 원하는 초고순도의 마그네슘 금속을 정밀하게 추출해 냅니다. 이번에 개발된 신제련 기술은 기존의 복잡했던 6단계 생산 공정을 단 2단계로 획기적으로 단축하여 생산 효율을 극대화했습니다. 특히 전해 공정에서 액체 금속 음극을 사용함으로써 어떤 금속을 선택하느냐에 따라 다양한 종류의 마그네슘 합금을 자유롭게 제조할 수 있다는 장점이 있습니다. 환경적인 측면에서도 독성이 강한 염소 가스나 부식성 가스 대신, 전극의 종류에 따라 산소나 CF 가스만이 발생하기에 매우 친환경적입니다. 또한 원료의 순도가 다소 낮더라도 공정 운전 온도를 조절하여 초고순도 금속을 얻을 수 있어 원료 확보 측면에서도 뛰어난 유연성을 보여줍니다. 이 기술은 알루미늄 제련 분야에서 이미 검증된 상용화 기술과 유사한 구조를 가지고 있어, 실제 산업 현장에 적용할 때 발생할 수 있는 문제를 조기에 해결할 수 있다는 강점이 있습니다. 이는 곧 빠른 상용화가 가능하다는 것을 의미하며, 초고순도 마그네슘의 특성을 살려 경량화 부품뿐만 아니라 고부가가치 산업인 바이오 의료 분야까지 그 활용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대됩니다. 한국지질자원연구원은 앞으로도 국토 핵심 자원의 확보와 혁신적인 기술 개발을 통해 국가 산업 발전을 이끌고, 환경과 산업이 공존하는 미래를 만드는 데 중추적인 역할을 수행할 것입니다.

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실

화학
지구환경과학
융합
공학·기술