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占쏙옙占쏙옙占� 고융점 희소금속 소재 국산화로 국내 전방 산업의 길을 열다 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 가볍고 튼튼한 차체 부품 개발로 ‘자동차 경량화’를 이끌다 |
고융점 희소금속 소재 국산화로 국내 전방 산업의 길을 열다
한국생산기술연구원 한국희소금속산업기술센터 박경태 수석연구원-엔에이티엠(주) 김인호 대표이사
엔에이티엠(주) 김인호 대표이사, 한국생산기술연구원 한국희소금속산업기술센터 박경태 수석연구원
제조업의 대표주자라 할 수 있는 반도체, 기계·공구, 전열, 전선 소재를 만들기 위해서는 단단하고 비중과 비열이 높은 금속이 필요하다. 그런 특성을 가진 금속에는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 등이 있는데, 이들은 모두 고융점 금속1)에 속한다. 우리나라는 고융점 금속 중에서 비용이 상대적으로 저렴하고 물성이 탁월한 몰리브덴을 주로 사용한다. 하지만 이러한 고융점 희소금속은 매장지역과 생산지역이 편중되어 있기 때문에 원료 수급에 한계가 있다. 한국생산기술연구원(이하 ‘생기원’)과 엔에이티엠(주)는 우즈베키스탄으로부터 몰리브덴을 수입하고, 이를 제련·정련하는 기술을 개발하여, 희소금속 소재를 국산화하기 위해 집중하고 있다. 그 이야기를 들어보자.
1) 고융점 금속 : 융점 2500oC을 지녀 일반적 용해공정으로 녹일 수 없는 금속소재
우즈베키스탄과의 공급망 구축으로 몰리브덴 확보
광물은 화폐와 같은 가치가 있다. 대표적인 광물이 금이다. 경제가 어려우면 금값이 올라가고, 경제가 좋아지면 그 값이 내려가듯 거래할 때마다 틈틈이 금액이 변동된다. 희소금속도 마찬가지다. ‘LME(London Metal Exchange)’2)에서는 희소금속을 비롯해 광물에 대한 공시 가격을 매기고 있다. 하지만 광물을 보유한 국가는 공시 가격보다 비싸게 팔고 싶은 게 당연한 이치. 그래서 광물 자원이 없는 국가는 광물 가격이 비싸더라도 구매할 수밖에 없고, 우리나라 역시 여기서 벗어날 수 없다.
2) LME : 런던 메탈 익스체인지, 세계 비철금속을 거래하는 중심 시장
현재 우리나라는 약 7,600억 원 정도의 희소금속 소재들을 중국, 일본 등에서 수입하고 있다. 희소금속 소재들은 반도체와 같은 우리나라 전방 산업에 사용되는 필수 원료이기에 무역 수지 적자 품목임에도 수입에 의존하는 것이다. 게다가 광물을 제련해 순도를 높이는 정련 기술도 부족하다. 이에 생기원은 ‘한-우즈베키스탄 희소금속센터’ 설립과 동시에 우즈베키스탄에서 몰리브덴을 한국희소금속산업기술센터에 수출하겠다는 계약을 맺었고, 희소금속 소재를 국산화를 위한 기술 개발에 주력하고 있다.
우즈베키스탄과 계약한 이유에 대해 설명하고 있는 생기원 박경태 수석연구원. ⓒ한국생산기술연구원
생기원 박경태 연구원은 “안정적인 몰리브덴 공급망 구축 시 조건이 있습니다. 공급 국가는 넉넉한 광물자원 보유뿐만 아니라 그 광물의 순도를 어느 정도 높여 수출할 수 있어야 하죠. 북방 국가 중 우즈베키스탄은 몰리브덴 생산량을 충분히 확보할 수 있으면서, 순도를 높이는 제련도 가능한 나라입니다. 그러나 일본과 같이 고품질로 만들지는 못하죠. 그래서 우즈베키스탄의 자원과 우리나라의 기술력을 결합시키면 좋은 시너지가 발생할 수 있습니다”라고 우즈베키스탄과 계약한 이유에 대해 설명했다.
우즈베키스탄에는 몰리브덴과 같은 희소금속들이 풍부하게 매장되어 있다. 동(Cu) 제련을 하고 나면 잔류물(Residues)3)가 남는데, 우즈베키스탄은 이 잔류물을 암모니아 침출과 유기용매분리 등 제련 공정을 통해 몰리브덴 산화물로 만들어 우리나라에 수출한다. 이때 순도는 98~99% 정도로, 중간 단계의 순도를 지니는 몰리브덴 소재이다. 하지만 전방 산업의 소재로 활용하기 위해서는 4N5(순도 99.995%)급 정도의 초고순도화 과정이 필요하다. 이를 위해 생기원은 엔에이티엠(주)와 함께 초고순도화 몰리브덴 소재를 위한 제련·정련 기술 개발에 힘쓰는 중이다.
3) 잔류물 : 광석에서 목적원소를 추출하고 남은 잔여 소재
엔에이티엠(주)는 고융점 희소금속 소재 부품들을 만들며 성장하고 있는 기업이만, 주재료인 희소금속 소재들은 해외에 의존하고 있는 상황이다. 즉 희소금속 소재를 만드는 기술들을 국산화한다면 기업의 원가 절감이 가능하다.
엔에이티엠(주) 김인호 대표이사는 “엔에이티엠(주)는 창업 후 지금까지 희소금속을 다뤄왔고, 희소금속 소재들을 국산화하기 위해 연구하고 있습니다. 그렇지만 고융점인 희소금속의 고순도화를 하기에는 높은 비용이 들기 때문에 중소기업에서 접근하기 어렵습니다. 그래서 생기원의 전문 지식과 실험 장비, 분석 장비 등 기업 지원을 받아 희소금속 소재 국산화에 다가갈 수 있게 되었습니다”라고 전했다.
수소를 이용한 몰리브덴 환원 공정
우즈베키스탄에서 수입한 몰리브덴 산화물은 국내에서 습식정제 공정, 건식환원 공정, 분말 야금 공정, 용해 가공 공정 등을 거쳐 고순도의 몰리브덴으로 만든다. 여기서 핵심은 몰리브덴에 붙은 산화물들을 제거하는 공정인 ‘환원 공정’이다. 생기원과 엔에이티엠(주)는 고순도화를 위한 1차 방법으로 ‘몰리브덴 상용화를 위한 대용량 수소환원공정 기술’을 개발했고, 이를 활용해 몰리브덴 산화물 속의 산소들을 제거했다.
수소(H)는 양이온성을 띠기 때문에 음이온성 원소들과 반응성이 좋으며 침투력이 강하다. 즉 몰리브덴 산화물에 수소를 넣으면 산소와 반응하고 싶어 하는 수소의 열역학적 구동력 때문에 산화물을 제거하는 제련이 가능해진다.
생기원의 박경태 연구원은 “현재 실험 중인 수소환원공정 기술에는 총 3가지 종류가 있습니다. 첫 번째는 고정된 기계 안에 몰리브덴을 넣고 용기에 수소를 주입해 유동층을 형성시켜 환원하는 방법이고, 두 번째는 몰리브덴을 넣은 용기에 수소를 주입하면서 반응기를 기계적으로 회전하며 환원하는 방법입니다. 마지막으로 세 번째는 수소가 주입된 기계 내부에 트레이를 설치하고 그 위에 몰리브덴을 얇게 깔아 이동시키면서 환원하는 방법입니다. 이들 중 제조 속도(양산성), 제조 원가, 몰리브덴 분말의 품위를 고려하여 좋은 것을 택해 활용할 예정입니다”라고 말했다.
몰리브덴 정제의 최적화된 전자빔 공정 실험 중
환원된 몰리브덴을 반도체나 디스플레이 제작에 사용하기 위해서는 4N5급의 초고순도화가 되어야 한다. 이를 위해 생기원과 엔에이티엠(주)는 매질을 쓰지 않는 전자빔 공정을 이용해 정련했다. 생기원 박경태 수석연구원은 전자빔용해장치로 탄탈륨, 몰리브덴, 타이타늄 등 고융점 활성금속류에 대한 초고순도 정제에 대한 연구를 수행하고 있으며, 국내 관련 지재권을 독보적으로 확보하고 있다. 이를 양산에 적용하고자 엔에이티엠(주)와 NDA를 맺고 최근 양산화 연구에 매진 중이다.
전자빔 공정은 진공상태에 가까울 정도로 매우 낮은 기압으로 진행된다. 기압이 낮은 상태에서 전자빔을 쏘면 공간은 약 6,000도까지 뜨거워지는데, 공기가 희박하기 때문에 평소보다 내부 물질들의 기체화가 빠르다. 마치 기압이 낮은 산에서 물이 빨리 끓는 것과 같다. 몰리브덴의 융점은 약 2,600도로 매우 높은 편인데, 이때 몰리브덴보다 융점이 낮거나 기화점이 낮은 불순물들은 날아가면서 정제가 이루어진다.
몰리브덴 정제에 대하여 설명하고 있는 김인호 대표이사. ⓒ한국생산기술연구원
김인호 대표이사는 “전자빔 공정을 활용한 몰리브덴 정제는 다른 정제 방법에 비해 매우 효과적입니다. 그리고 생기원만 보유한 기술이지요. 엔에이티엠(주)는 희소금속을 다루는 기계 전문 업체로서 실험 중인 전자빔 공정 기계에 대한 수정이나 점검 등을 진행하고 있습니다. 하지만 빔의 조사가 잘 되는지, 빔이 잘 움직이는지, 특정 부분만 녹지 않았는지 등의 공정변수가 너무 많아 쉽지만은 않습니다. 그래서 생기원과의 협력을 통해 최적의 전자빔 공정 기술을 만들기 위해 노력하고 있습니다”라고 생기원과 개발한 기술에 대해 말을 보탰다.
세계 시장에 다가가는 생기원과 엔에이티엠(주)
생기원과 엔에이티엠(주)는 우즈베키스탄에서 공급받은 원재료 값을 1이라고 가정했을 때, 환원 공정과 전자빔 공정을 통해 초고순도화된 몰리브덴은 100배, 200배까지 고부가가치가 있을 것이라고 예상한다. 고순도화하는 데는 엄청난 기술과 비용이 들어가기 때문이다.
박경태 연구원은 “국내에는 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 몰리브덴이 들어간 전선 제품 등은 국산화된 전례가 없다”며 “이번 연구를 통해 반도체 등 전방 산업이 튼튼한 우리나라에서 몰리브덴 소재 부품 국산화에 성공한다면 세계시장에서 막강한 경쟁력을 확보한 것”이라고 전했다.
몰리브덴 소재 국산화 이후에는 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨 등 비슷한 특성을 가진 금속들. ⓒ한국생산기술연구원
생기원과 엔에이티엠(주)는 아직 몰리브덴 분말 제조 기술, 환원 기술 등만 성공한 상태이지만, 앞으로 1~2년 정도만 지나면 프로토타입 기계로 만들어지는 초고순도 몰리브덴 소재가 나올 것으로 예상했다. 몰리브덴 소재 국산화 이후에는 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨 등 비슷한 특성을 가진 금속들에도 적용해 끊임없이 연구해 나갈 계획이다. 그들의 협력을 통해 머지않아 우리나라가 희소금속 소재 강국으로 주목받을 수 있기를 기대한다.