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[2021 KIGAM Tech-Biz 파트너링] 텅스텐 카바이드 스크랩의 파쇄 방법, 산화구리의 회수방법 및 텅스텐과 코발트의 회수방법

텅스텐은 주요 산업 전반에서 필수적으로 사용되는 희유금속으로, 최근 수요 증가와 원광 품위 하락으로 인해 재활용 기술의 중요성이 그 어느 때보다 강조되고 있습니다. 현재 텅스텐 공급의 약 34%는 스크랩을 통한 2차 자원에서 얻어지고 있는데, 원광 처리 비용이 상승함에 따라 이러한 순환 자원의 가치는 더욱 높아지는 추세입니다. 특히 공구용 인서트나 내마모 부품으로 사용되는 하드 스크랩은 재활용이 까다롭지만, 고부가가치 자원 확보를 위해 반드시 해결해야 할 과제로 꼽힙니다. 하드 스크랩은 소프트 스크랩에 비해 부피가 크고 단단하여 미세하게 분쇄하는 과정에서 막대한 에너지와 고가의 설비가 소요됩니다. 기존의 상업적 방식인 아연법은 고온 진공 환경에서 조업이 이루어져 공정이 까다롭고 에너지 소비가 큽니다. 또한 기존의 알루미늄 플럭스법 역시 별도의 산화 공정을 추가로 거쳐야 하는 번거로움이 있어, 산업계에서는 보다 경제적이고 효율적인 하드 스크랩 처리 기술의 등장을 오랫동안 기다려 왔습니다. 이번에 개발된 산화구리 플럭스 배소법은 1,100도 내외의 대기 조건에서 가열하여 하드 스크랩을 산화물 형태로 변환시키는 혁신적인 방식입니다. 진공 설비가 필요 없어 초기 투자비와 유지비가 저렴하며, 공정 시간이 1시간 이내로 짧아 생산성이 매우 높습니다. 무엇보다 배소 후 생성된 구리를 다시 산화시켜 공정에 재투입할 수 있는 순환형 모델을 구축함으로써 자원 소모를 최소화하고 경제성을 극대화했다는 점이 가장 큰 특징입니다. 이 기술은 기존 아연법이나 알루미늄 플럭스법과 비교했을 때 공정 난이도가 낮으면서도 고품질의 금속 산화물을 얻을 수 있다는 특장점이 있습니다. 산화구리 플럭스 배소법을 활용하면 텅스텐 카바이드 코발트와 같은 강한 기계적 특성을 지닌 소재도 효율적으로 산화 및 미분화가 가능합니다. 또한 폐수 처리가 수반되기는 하지만, 유가 금속을 분리 회수함으로써 자원 회수 효율을 극대화할 수 있습니다. 이는 복잡한 공정 단계를 획기적으로 줄이는 결과로 이어집니다. 현재 전 세계 텅스텐 공급의 80% 이상을 중국이 차지하고 있으며, 자원 독점화와 가격 급등으로 인해 안정적인 공급망 확보가 시급한 실정입니다. 우리나라는 하드 스크랩 재활용 기술의 부족으로 상당량의 자원을 해외로 수출하고 있지만, 이번에 개발된 신기술이 상용화되면 국내에서도 고부가가치 텅스텐 자원을 직접 확보할 수 있게 됩니다. 이는 초경합금을 비롯해 합금강, 초합금 등 텅스텐이 사용되는 다양한 산업군에 긍정적인 파급 효과를 미치며 국가 전략 자립도를 높일 것입니다.

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실

화학
공학·기술

[KRISS 인터뷰 뒷 이야기] 양자스핀팀 황찬용 책임연구원, 김창수 선임연구원

전자의 스핀은 외부 자기장이 가해지면 마치 회전하는 팽이나 자전하는 지구처럼 중심축을 따라 원을 그리며 도는 세차 운동을 하게 됩니다. 이러한 개별 스핀들의 움직임이 파동처럼 연결되어 전달되는 현상을 스핀파라고 부릅니다. 기존의 자성체 연구는 주로 한 방향으로만 회전하는 단순한 시스템에 집중되어 왔으나, 최근에는 두 종류의 서로 다른 자성 원자가 결합된 준강자성체라는 독특한 물질에 주목하고 있습니다. 이는 스핀의 동역학적 특성을 이해하는 새로운 지평을 열어줍니다. 준강자성체는 코발트와 가돌리늄처럼 성질이 다른 원자들이 서로 반대 방향으로 정렬된 구조를 가집니다. 온도가 변함에 따라 각 원자의 자화 크기가 변하는 속도가 다르기 때문에, 두 원자의 자화가 일치하여 상쇄되는 자화 보상 온도와 회전하는 성질인 각운동량이 일치하는 각운동량 보상 온도가 존재합니다. 이 두 특이점 사이의 구간은 준강자성체만이 가지는 고유한 물리적 영역으로, 일반적인 강자성체에서는 관찰할 수 없는 스핀의 독특한 거동이 나타나는 핵심적인 지점입니다. 이번 연구의 핵심은 특정 온도 구간에서 스핀이 기존의 예측과 달리 왼손 방향 세차 운동을 한다는 사실을 실험적으로 증명한 것입니다. 과거 1960년대에 이미 이론적인 가설은 제기된 바 있으나, 실제 실험을 통해 이를 명확하게 관측한 사례는 매우 드물었습니다. 연구팀은 처음에 이 이례적인 관측 결과를 장비의 오류로 의심하기도 했지만, 거듭된 재현 실험과 정밀한 분석을 통해 이것이 준강자성체 내부에서 발생하는 실제 물리적 현상임을 확신하게 되었습니다. 실험 데이터를 해석하는 과정에서 연구팀은 이론과의 비교 분석을 통해 우리가 미처 설명하지 못했던 부분이 바로 왼손 방향 세차 운동의 결과였음을 깨닫게 되었습니다. 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 장비 세팅을 전면 재점검하고 수많은 반복 실험을 거친 끝에, 비로소 준강자성체의 중요한 성질 중 하나를 규명해낼 수 있었습니다. 이는 단순히 이론을 확인하는 수준을 넘어, 스핀 동역학의 정성적 경향성이 실제 물리 시스템에서 어떻게 구현되는지를 명확히 보여준 값진 성과라고 할 수 있습니다. 이번 발견은 향후 실생활에 응용 가능한 차세대 소자 개발의 중요한 발판이 될 것입니다. 현재는 정성적 성질을 규명한 단계이지만, 앞으로는 정량적 연구를 통해 이론적 완성도를 높이고 이를 실제 소자에 구현할 가능성을 테스트할 예정입니다. 특히 스커미온과 같은 위상학적 자성체 연구와 접목한다면 자성 소자의 효율을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 보입니다. 기초 과학의 새로운 발견이 교과서에 실릴 만큼 중요한 학문적 토대가 되기를 희망하며 연구는 계속될 것입니다.

한국표준과학연구원KRISS 연구자 인터뷰

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