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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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[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

지구환경과학
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공학·기술

[2020 한국지질자원연구원 Geo Tech Biz Partnering] 박인수 박사 기술소개

전기차 시장의 급성장으로 배터리의 핵심 원료인 리튬 확보는 국가 경쟁력을 결정짓는 전략적 요건이 되었습니다. 전 세계적으로 리튬 수요는 폭발적으로 증가하여 2025년에는 약 30만 톤에 이를 전망입니다. 하지만 전통적인 리튬 생산 방식은 드넓은 부지에서의 자연 증발에 의존하기에 1년 이상의 긴 시간이 소요되고 기후 변화에 취약하다는 단점이 있습니다. 이러한 한계는 급증하는 수요를 충족하기에 역부족이며, 자원 안보 차원에서도 새로운 기술적 대안 마련이 시급한 실정입니다. 한국지질자원연구원(KIGAM)은 이러한 문제를 해결하고자 저농도 염호에서도 리튬을 고속으로 추출할 수 있는 혁신적인 신공정을 개발했습니다. 자연 증발 방식의 한계를 극복하고 화학적 반응을 통해 생산 효율을 극대화한 것이 이 기술의 핵심입니다. 과거에는 경제성이 낮아 개발되지 못했던 저농도 염호나 폐리튬 배수에서도 리튬을 효과적으로 회수할 수 있는 길이 열린 것입니다. 이는 자원 빈국인 우리나라의 글로벌 자원 경쟁력을 한 단계 격상시키는 중요한 발판이 될 것으로 기대됩니다. 신공정의 구체적인 원리는 리튬 염호에 알루미늄 소스를 공급하여 불용성 복합체 형태로 리튬을 침전시키는 방식입니다. 이후 화학적 반응을 거쳐 수용성의 황산 리튬 용액으로 변환하게 되는데, 이 과정에서 리튬의 분리와 농축이 매우 용이해집니다. 무엇보다 12개월에 달하던 생산 기간을 단 10일 정도로 단축했다는 점은 산업계에 혁신적인 변화를 예고합니다. 공정의 단순화는 대규모 설비 투자 부담을 줄여주며, 기후와 관계없이 안정적인 생산을 가능하게 만듭니다. 경제성과 효율성뿐만 아니라 환경적 지속 가능성 또한 이 기술의 큰 장점입니다. 공정 중에 사용되는 알루미늄 화합물은 부산물로 발생한 뒤 재활용을 통해 다시 공정에 투입할 수 있어 자원 순환을 실현합니다. 또한 낮은 에너지 반응을 활용하여 탄소 배출을 줄이고 공정 과정에서 수자원 확보도 가능합니다. 생산된 고농도 황산 리튬 용액은 전기차용 고용량 배터리에 필수적인 수산화 리튬 제조에 최적화된 특성을 갖추고 있어, 차세대 배터리 시장에서 우위를 점할 수 있습니다. 결론적으로 KIGAM의 리튬 고속 추출 기술은 대한민국의 자원 안보를 강화하고 에너지 패러다임의 전환을 선도하는 핵심 동력입니다. 효율적인 리튬 확보는 해외 의존도를 낮추고 국내 배터리 산업의 안정적인 생태계를 구축하는 데 기여할 것입니다. 연구원은 앞으로도 지속적인 기술 고도화를 통해 국토의 안심 개발과 자원 확보라는 국가적 사명을 완수해 나갈 계획입니다. 세계 일류의 연구 기관으로서 KIGAM이 보여줄 혁신적인 성과들은 대한민국의 미래 산업 발전을 든든하게 뒷받침할 것입니다.

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실

화학
지구환경과학
공학·기술

[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.

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실

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