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핵융합연료 만드는 리튬! 추출 효율 3배 되는 법 찾았다

원자번호 3번인 리튬은 현대 산업의 '하얀 금' 혹은 '하얀 석유'로 불리며 대체 불가능한 자원으로 자리 잡았습니다. 은백색의 가벼운 금속인 리튬은 스마트폰과 전기차 배터리의 핵심 원료로 쓰이며 그 가치가 날로 높아지고 있습니다. 전 세계적으로 전기차 보급이 가속화됨에 따라 리튬의 수요는 폭증하고 있으며, 이에 따라 광산이나 염호에 매장된 리튬을 더 효율적으로 추출하기 위한 기술 경쟁도 치열해지는 상황입니다. 특히 미래 에너지원으로 각광받는 핵융합 발전에서도 리튬은 중성자와 반응하여 삼중수소를 생산하는 필수 원료로 사용될 예정이기에 안정적인 리튬 확보는 국가적 차원의 핵심 과제로 떠오르고 있습니다. 현재 리튬을 추출하기 위해 가장 널리 사용되는 방식 중 하나는 탄산나트륨을 활용하는 방법입니다. 하지만 이 과정에서는 불필요한 불순물이 생성되어 이를 제거하기 위한 추가 공정이 필요하다는 경제적, 기술적 단점이 존재합니다. 또 다른 대안으로 이산화탄소를 직접 주입하는 방식도 연구되었으나, 반응이 제대로 일어나지 않거나 추출 효율이 현저히 떨어지는 한계에 부딪혔습니다. 이에 따라 전 세계 연구자들은 공정의 복잡성을 줄이면서도 순도 높은 리튬을 대량으로 얻을 수 있는 새로운 돌파구를 찾기 위해 끊임없이 노력해 왔으며, 최근 국내 연구진이 플라즈마 기술을 통해 그 해답을 제시했습니다. 한국핵융합에너지연구원 플라즈마기술연구소 연구진은 기존 방식의 한계를 극복하기 위해 플라즈마 기술을 접목한 혁신적인 접근법을 시도했습니다. 연구진은 온실가스 저감 및 자원화라는 중요한 연구 테마 아래, 처치 곤란한 이산화탄소를 플라즈마 상태로 만들어 리튬 추출에 활용하자는 창의적인 발상을 실험으로 옮겼습니다. 이는 단순히 폐기물을 처리하는 환경적 측면을 넘어, 플라즈마의 특성을 이용해 고부가가치 자원을 더욱 효율적으로 확보하려는 시도였습니다. 연구진은 모의 염수에 이산화탄소 플라즈마를 반응시키는 전용 탄산화 장치를 구축하고 본격적인 성능 검증에 나섰습니다. 실험 결과, 이산화탄소 플라즈마를 이용한 방식은 기존 이산화탄소 주입 방식과 비교했을 때 놀라운 성과를 거두었습니다. 두 방법 모두 약 90% 수준의 우수한 순도를 보였지만, 가장 중요한 지표인 리튬 추출 효율 면에서는 플라즈마 방식이 기존보다 약 3배나 더 높은 결과를 나타냈습니다. 이러한 차이는 플라즈마가 가진 높은 열에너지와 반응 과정에서 생성된 다양한 라디칼 덕분인 것으로 분석되었습니다. 이는 플라즈마 기술이 리튬 추출 공정의 생산성을 획기적으로 개선할 수 있음을 과학적으로 입증한 세계 최초의 연구 사례로 기록되며 관련 학계와 산업계의 큰 주목을 받았습니다. 이번 연구 성과는 수자원 분야의 권위 있는 학술지인 '데살리네이션'에 게재되며 그 우수성을 국제적으로 인정받았습니다. 연구진은 앞으로 공정 변수를 최적화하여 실제 바닷물이나 폐수에서도 리튬을 효율적으로 회수할 수 있도록 기술을 고도화할 계획을 세우고 있습니다. 특히 이 기술이 성숙되면 핵융합 발전에 필요한 연료인 삼중수소의 원료를 안정적으로 수급하는 데 결정적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 첨단 산업의 핵심인 리튬 확보와 꿈의 에너지인 핵융합 발전을 잇는 플라즈마 기술의 진보는 자원 강국으로 나아가는 지속 가능한 미래를 앞당기는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

한국핵융합에너지연구원[친절한 핵융합] 연구원이 들려주는 핵융합 이야기

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[R&D온앤오프] 자원활용연구로 똘똘 뭉치다(장꾸력 만렙? ㄴㄴ 연구만큼은 진지함 만렙!)

한국지질자원연구원의 자원활용연구본부는 천연 광물과 순환 자원을 활용해 우리 사회에 필요한 핵심 소재를 개발하는 중추적인 역할을 수행합니다. 자원회수연구센터는 광석에서 금속 이온을 추출하는 제련 연구를 담당하며, 순환자원연구센터는 폐배터리 및 전자 폐기물에서 유용한 금속을 회수하여 고순도화하는 공정을 연구합니다. 자원소재연구센터는 이렇게 얻어진 금속과 세라믹을 바탕으로 에너지와 IT 산업에 적용 가능한 응용 소재를 제작합니다. 이처럼 각 센터는 유기적으로 협력하며 국가대표라는 사명감으로 연구에 매진하고 있습니다. 연구진은 바나듐 기반의 에너지 저장 시스템용 전해질 원료를 개발하거나, 국내에 부존하는 몰리브덴과 텅스텐 같은 희소 금속을 추출하는 데 집중하고 있습니다. 자원 활용은 단순히 물질을 사용하는 단계를 넘어, 자연 상태의 씨앗과 같은 자원을 가꾸어 꽃을 피우는 과정과 같습니다. 특히 최근 전기차 산업의 성장으로 각광받는 니켈을 배터리용 황산니켈 화합물로 제조하는 기술은 매우 중요합니다. 어느 하나라도 부족하면 전체 목표를 달성할 수 없기에, 미활용 자원을 효율적으로 관리하는 기술은 산업 경쟁력을 높이는 핵심 동력이 됩니다. 연구에 있어 가장 중요한 가치는 경제적 타당성과 현실성, 그리고 무엇보다 철저한 안전 관리입니다. 대형 처리 장비와 위험한 화공 약품을 다루는 환경에서 안전 수칙 준수는 연구의 지속 가능성을 결정짓는 필수 요소입니다. 하지만 실험실의 성공이 곧바로 산업 현장의 성공으로 이어지지는 않습니다. 소량 실험에서는 나타나지 않던 대형 스케일업 과정의 물류 동선이나 용액 주입 시간 같은 실질적인 문제들을 해결하는 것이 연구원들에게는 큰 도전입니다. 이러한 기술적 장벽을 극복해야만 비로소 대량 생산의 길이 열립니다. 자원 활용 기술은 탄소 중립 사회를 실현하는 데 결정적인 기여를 합니다. 탄소 배출을 줄여 환경 오염을 방지하고, 탄소 발자국을 저감하는 기술을 통해 지속 가능한 미래를 구축할 수 있습니다. 예를 들어, 전기차 배터리 재활용 연구는 편리한 세상을 만드는 동시에 환경적 부담을 덜어주는 기술적 뒷받침이 됩니다. 자원을 효율적으로 생산하고 쉽게 사용할 수 있는 체계를 갖추는 일은 미래 세대가 누릴 환경을 보호하는 길입니다. 이러한 연구는 단순한 공학적 성과를 넘어 우리 삶의 질을 높이는 사회적 가치를 지닙니다. 자원 활용 기술은 우리 삶을 지탱하는 기반이며, 자원이 없다면 현대 사회는 유지될 수 없습니다. 연구원들은 때때로 정부의 정책 방향을 설정하거나 공학자에게는 생소한 행정적 시책을 마련해야 하는 어려움에 직면하기도 하지만, 이를 올바르게 수행해야 한다는 강한 사명감을 가지고 있습니다. 자신이 수행하는 연구가 국가와 사회에 얼마나 중요한 의미를 가지는지 다시 한번 되새기며, 이들은 더 나은 세상을 만들기 위해 오늘도 연구에 매진합니다. 각자의 역할이 모여 꽃을 피우는 자원 활용 연구는 우리 미래를 밝히는 등불이 될 것입니다.

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실

지구환경과학
융합
공학·기술

[생기원 R&D] 해수담수화 후 남는 고염도 농축수는 어떻게 처리할까?

삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 해수를 자원으로 활용하기에 매우 유리한 지리적 조건을 갖추고 있습니다. 특히 바닷물을 생활용수로 바꾸는 해수 담수화 공정은 매우 중요하지만, 그 과정에서 발생하는 고염도 농축수는 그동안 처리하기 까다로운 폐기물로 버려져 왔습니다. 최근 이를 해결하기 위해 식물의 증산 작용에서 영감을 얻은 혁신적인 발전 기술이 개발되었습니다. 이 방식은 모세관 현상을 통해 물이 이동하며 증발하는 과정에서 에너지를 수확하는 원리로, 환경 오염 물질인 농축수를 새로운 에너지원으로 전환할 수 있는 가능성을 열어주었습니다. 증산 발전기 내부는 정교하게 설계된 수많은 채널과 나노 입자 코팅으로 이루어져 있어, 물이 주입됨과 동시에 즉각적인 전력 생산이 가능합니다. 연구팀은 3D 프린팅 기술을 활용해 각 소자 간의 최적의 간격을 설정하고, 증발 현상이 주변 장치에 미치는 영향을 최소화한 효율적인 모듈을 구축했습니다. 실제 구동 테스트 결과, 물의 확산에 따라 그래프 상에서 전압이 안정적으로 생성되는 것이 확인되었습니다. 이는 단순히 실험실 수준을 넘어 실제 현장에 적용할 수 있는 기술적 완성도를 갖추었음을 시사하며 자립형 에너지원으로서의 가치를 증명합니다. 이 기술의 최종 목표는 증산 발전으로 얻은 전기에너지를 이용해 해수에서 리튬을 농축하고 추출하는 통합 시스템을 완성하는 것입니다. 단순히 리튬을 얻는 데 그치지 않고 공정 과정에서 발생하는 수소, 염소, 담수까지 총 네 가지 주요 산물을 동시에 생산하는 고효율 시스템 개발에 박차를 가하고 있습니다. 이는 버려지던 농축수에서 고부가가치 자원을 회수하는 순환경제 모델의 핵심이 될 것입니다. 현재 연구팀은 이를 대량 생산이 가능한 산업 공정으로 확대하기 위해 노력 중이며 향후 해양 생태계 보존과 자원 확보에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

한국생산기술연구원

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[한-호 지식교류 세미나] No Time to Waste Session 1 - Closed loop solutions(21.6.25)

현대 사회에서 자원 순환은 더 이상 미룰 수 없는 시급한 과제입니다. 그리피스 대학교와 녹색기술센터 등 한국과 호주 양국의 전문가들이 참여한 'No Time to Waste' 세션은 이러한 문제의식을 공유하며 시작되었습니다. 이번 논의는 단순한 정보 교환을 넘어 마케팅, 기술, 정책을 결합하여 실질적인 사회 변화를 이끌어내는 데 중점을 둡니다. 특히 팬데믹 이후 급증한 일회용품 문제에 대응하기 위해 국경을 초월한 국제적 파트너십의 중요성이 강조되었습니다. 지속 가능한 미래를 위해 우리는 자원을 효율적으로 관리하고 폐기물을 가치 있는 자원으로 재탄생시키는 순환 경제 체계를 구축해야 합니다. 남호주는 식품 및 유기농 산업의 순환 경제를 구축하기 위해 데이터 기반의 체계적인 접근 방식을 취하고 있습니다. 조사 결과에 따르면 가정에서 발생하는 음식물 쓰레기의 상당 부분이 매립지로 향하고 있으며, 이는 막대한 경제적 손실과 환경 오염을 초래합니다. 이를 해결하기 위해 남호주 녹색산업청(Green Industries SA)은 정확한 증거 수집을 바탕으로 정책적 인센티브를 마련하고 교육 시스템을 정비했습니다. 특히 매립지로 향하던 유기물을 퇴비화 시설로 유도하여 농업용 멀치나 퇴비로 재활용하는 인프라 구축에 집중하고 있습니다. 이러한 노력은 자원의 가치를 극대화하고 폐기물 발생을 근본적으로 줄이는 데 기여합니다. 순환 경제의 성공은 정부의 강력한 정책 의지와 지역 사회의 협력에 달려 있습니다. 남호주는 2030년까지 음식물 쓰레기를 절반으로 줄이겠다는 로드맵을 수립하고, 퇴비화 가능한 봉투 보급과 주방용 쓰레기통 배포 등 실무적인 지원을 아끼지 않고 있습니다. 또한 쓰레기 수거 주기를 조정하여 주민들이 녹색 쓰레기통을 더 적극적으로 사용하도록 유도하는 실험적인 시도도 병행하고 있습니다. 교육 분야에서는 초·고등학생을 대상으로 한 '와이프아웃 웨이스트(Wipe Out Waste)' 프로그램과 대중매체 캠페인을 통해 올바른 분리배출 방법을 전파하며, 세대 전반에 걸친 인식 개선을 도모하고 있습니다. 대한민국의 수도 서울은 1인 가구 증가와 배달 문화 확산으로 인한 플라스틱 폐기물 급증 문제에 직면해 있습니다. 이에 서울시는 '플라스틱 프리 도시'를 선포하고 2025년까지 일회용 플라스틱 사용량을 획기적으로 줄이는 야심 찬 계획을 실행 중입니다. 공공시설에서의 일회용품 사용 금지를 시작으로, 민간 부문의 자발적인 참여를 이끌어내기 위한 행정적, 재정적 지원을 강화하고 있습니다. 특히 AI 재활용 로봇을 도입하여 시민들이 캔과 병을 반납하면 포인트를 제공하는 등 기술과 보상을 결합한 혁신적인 수거 모델을 제시하며 재활용률을 높이고 있습니다. 서울시의 폐기물 정책은 단순한 재활용을 넘어 자원의 가치를 높이는 '새활용(업사이클링)'으로 진화하고 있습니다. 2017년 개관한 서울새활용플라자는 이러한 문화를 확산시키는 허브 역할을 수행하며, 폐기물을 소재로 한 디자인 산업을 육성하고 있습니다. 또한 다회용 컵 시스템을 전 지역으로 확대하고 포장재 없는 '제로 웨이스트' 매장을 행정구역마다 설치하여 시민들의 생활 방식 전반에 걸친 변화를 유도하고 있습니다. 고품질 재활용 제품 생산을 위해 투명 페트병을 의류 제작 등에 활용하는 산업 모델은 재활용의 질적 수준을 한 단계 끌어올리는 중요한 전환점이 되고 있습니다. 플라스틱병의 순환 고리를 완성하기 위해서는 물류의 효율성과 재료의 순도가 핵심입니다. 에코박스테크는 기존의 역회수 자판기보다 크기를 획기적으로 줄이면서도 처리 용량을 높인 파쇄 시스템을 선보였습니다. 수거된 페트병을 현장에서 즉시 '플레이크' 형태로 변환함으로써 운송 비용을 8분의 1로 절감하고, 교차 오염을 방지하여 고품질의 재생 원료를 확보할 수 있게 되었습니다. 이러한 '보틀 투 보틀(Bottle-to-Bottle)' 프로세스는 원자재 사용을 줄이고 탄소 발자국을 감축하는 실질적인 해결책을 제시합니다. 이는 기술 혁신이 어떻게 순환 경제의 경제성을 확보할 수 있는지를 잘 보여주는 사례입니다. 기술적 혁신과 정책적 지원이 완비되더라도, 결국 순환 경제를 완성하는 마지막 퍼즐은 개인의 의지에 달려 있습니다. 아무리 훌륭한 시스템이 갖춰져 있어도 시민들이 올바른 분리배출을 실천하지 않으면 전체 공정의 효율이 저하되기 때문입니다. 긍정적인 행동에 대한 적절한 보상과 그로 인한 실질적인 환경적 결과를 공유하는 것은 참여를 지속시키는 원동력이 됩니다. 이제는 폐기물을 버리는 대상이 아닌 가치 있는 자원으로 인식하는 패러다임의 전환이 필요합니다. 한국과 호주 양국의 사례처럼 국제적인 협력을 지속할 때 우리는 진정한 자원 순환 사회로 나아갈 수 있습니다.

국가녹색기술연구소NIGT ARCHIVE

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[2020 한국지질자원연구원 Geo Tech Biz Partnering] 박인수 박사 발표

전기차 시장의 폭발적인 성장과 함께 핵심 부품인 리튬 이온 배터리의 수요가 급격히 늘어나고 있습니다. 리튬은 주로 염호나 광물에서 생산되는데, 특히 염호에서 리튬을 추출하는 전통적인 자연 증발 방식은 고농도 염호(1,000ppm 이상)를 필요로 하며 생산 기간도 10개월 이상으로 매우 깁니다. 기후 변화에 취약하고 회수율이 낮다는 점 또한 기존 방식의 치명적인 약점으로 지목되어 왔습니다. 따라서 저농도 염호에서도 빠르고 안정적으로 리튬을 추출할 수 있는 새로운 기술에 대한 요구가 전 세계적으로 높아지고 있습니다. 한국지질자원연구원에서 개발한 신기술은 리튬 농도가 낮고 불순물이 많은 미개발 염호를 공략하는 데 최적화되어 있습니다. 이 공정은 염호에 알루미늄 공급원을 투입하여 리튬을 불용성 화합물로 침전시키는 방식입니다. 형성된 침전물을 황산과 반응시키면 수용성의 황산리튬과 불용성의 알루미늄 산화물이 만들어집니다. 이를 수침출 공정으로 분리하면 배터리 제조의 핵심 원료인 탄산리튬이나 수산화리튬을 만드는 데 쓰이는 고순도 황산리튬 용액을 얻을 수 있습니다. 공정에서 생성된 알루미늄 산화물은 다시 재활용이 가능해 효율성이 매우 높습니다. 새로운 기술의 가장 큰 혁신은 획기적인 시간 단축과 친환경 특성에 있습니다. 기존 방식이 1년 가까운 시간을 소요했다면, 이 기술은 단 10일 이내에 최종 리튬 화합물을 제조할 수 있습니다. 별도의 농축 공정이나 복잡한 불순물 제거 과정이 필요하지 않아 생산 효율이 극대화됩니다. 또한 리튬 농도가 300ppm 이하인 저농도 염호에서도 80% 이상의 높은 회수율을 보장합니다. 증발 공정을 사용하지 않기에 귀중한 수자원을 보존할 수 있으며, 첨가제로 쓰이는 알루미늄을 반복해서 재사용할 수 있어 폐기물 발생이 거의 없는 친환경 공법입니다. 전 세계적으로 다양한 추출 기술의 고도화가 진행되고 있으나, 대다수는 경제성이나 효율성 측면에서 상용화의 벽을 넘지 못하고 있습니다. 반면 이번 기술은 단순화된 침전과 산성화 공정을 도입하여 시장 경쟁력을 확보한 것이 특징입니다. 특히 배터리 산업의 흐름이 고도화됨에 따라 원재료 가공 효율을 높이는 기술력은 국가의 핵심적인 산업 자산이 됩니다. 독자적인 공정 체계를 통해 시장의 요구에 기민하게 대응할 수 있는 발판을 마련했다는 점이 중요하며, 이는 향후 관련 소재 산업의 성장을 견인할 강력한 동력이 될 것입니다. 리튬 가격의 변동성과 공급망 불안이 지속되는 가운데, 독자적인 리튬 추출 기술은 미래 에너지 안보의 핵심 열쇠가 될 것입니다. 연구팀은 리튬 용액으로부터 배터리급 화합물을 제조하는 다수의 특허를 보유하고 있으며, 이는 리튬 이온 배터리의 양극재나 전해질 등 고부가가치 소재 산업으로 이어집니다. 앞으로 이 기술이 미개발 저농도 염호에 본격적으로 적용된다면 리튬 자원의 안정적인 장기 공급이 가능해질 것으로 기대됩니다. 지속적인 기술 고도화를 통해 차세대 에너지 자원 시장에서 기술 주도권을 확보하고 관련 산업의 성장을 지속적으로 지원해 나가야 합니다.

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