금속회수

[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.