KIGAM 한국지질자원연구원

인공지능을 바탕으로 모든 기술과 사물이 연결되는 초연결사회(Hyper-connected society)에서 사람의 조작 없이 자동차가 스스로 움직이는 자율주행차는 4차 산업혁명시대 우리 일상의 대표적인 변화이다. 자율주행차가 현실화되기 위해서는 자동차가 스스로 주변 상황을 얼마나 잘 인식할 수 있는가가 핵심적인 기술이라고 할 수 있다.

광미 재활용 연구의 새로운 패러다임, 글라스 비드
writer. 김영재 선임연구원(자원회수연구센터)

자율주행차와 글라스 비드

자율주행차의 운영방식은 해당 차량과 주변 객체와의 협력 여부에 따라 독립형과 협력형으로 구분된다. 독립형 자율주행차(Autonomous Vehicle; AV)는 개별적인 자율주행차의 센서 및 카메라로부터 수집된 정보와 정밀 전자지도만을 이용하여 이동하며, 협력형 자율주행차(Connected Automated Vehicle; CAV)는 주변 차량 및 인프라와의 통신을 통해 시공간적으로 확장된 범위의 정보를 수집하여 차량 제어에까지 활용하는 특징을 갖는다.

현재의 자율주행 기술은 AV 운영 방식 수준으로 영상 수집과 인공지능에 의존하는 방식이다. 비디오 카메라와 라이다를 이용하여 주변 객체를 감지하고 인공지능을 이용하여 비디오 이미지를 해석한다(그림 1). 안전한 자율 주행을 위해서는 도로표지, 신호정보, 차선 기하구조 등을 인지할 수 있어야 하며 날씨, 불빛 등에 대해 효과적으로 대응할 수 있도록 주변 감지가 가능해야 한다.

그림 1. 자율주행 자동차(왼쪽)과 차선 인식 이미지(오른쪽)

자율주행차의 차선인식에 영향을 미칠 수 있는 속성으로는 차선의 윤곽과 노면의 대비, 차선의 두께, 차선의 색상 및 재귀 반사 성능이 있다. 재귀 반사 성능이란 입사한 광선을 광원으로 되돌려 보내는 반사 성능이며 굴절률이 높을수록 재귀 반사 성능은 높아진다. 자율주행차의 카메라를 통해 수집된 영상에서 차선을 뚜렷하게 인식하기 위해서는 노면과 차선간의 대비가 명확해야 하므로, 차선은 높은 재귀 반사가 요구된다. 특히 야간 및 우천시, 검은 아스팔트와 차선의 뚜렷한 구별을 위해서는 차선 재료의 높은 재귀반사 성능이 무엇보다 중요하다.

현재 차선 재료의 재귀 반사 성능 부여를 위해서 차선 도색 시, 도료에 일정 굴절률 이상을 갖는 글라스 비드(Glass beads)를 의무적으로 혼합하여 살포하고 있다(그림 2). 글라스 비드의 품질은 KS-L-2521 규격에 따라 관리되며 글라스 비드의 함유량은 도료 종류, 설치 방식 등에 따라 정해진 수요기관의 시방서 기준에 따라 시공되고 있는 실정이다. 향후 자율주행차의 상용화에 대비하여 차선 인식 성능 향상과 차선에서의 재귀반사 성능 관련 기준 강화에 따라, 노면 표시물의 재귀 반사 성능 향상과 관리를 위한 글라스 비드의 수요는 더욱 증대될 것으로 전망된다.

그림 2. 도로 표지용 글라스 비드 살포공정(왼쪽)과 글라스 비드에 의한 재귀반사(우측)

글라스 비드의 조성은 일반적인 유리의 주조성인 실리카(SiO2)를주성분으로 하여 굴절률을 높이는 TiO2, BaO 등의 산화물을 첨가하는 형태로 이루어진다. 하지만 단순히 이러한 산화물을 첨가하는 경우 유리물이 녹는 용융점의 급격한 상승과 냉각 시 결정화에 따른 결정 성장과 실투 등의 문제가 발생할 수 있으며 점성의 증가로 인한 조업 상의 문제 등이 발생하므로 글라스 비드의조성 설계에 있어서 열역학적 관점에서의 연구가 필수적이다. 또한 균일한 입도와 구형태를 갖는 글라스 비드의 제조를 위해서는 엔지니어링 관점에서의 공정 설계가 요구된다.

광미의 문제점

광산 개발에서 선광 및 제련 과정 중 발생한 광물 찌꺼기인 광미는 그 처리에 있어서 경제적 비용이 발생하여, 현재 대부분 광산주변에 적치하여 처리하고 있는 실정이다. 하지만 적치된 광미에서의 침출수 발생에 따른 하천 오염 및 산림 훼손을 발생시키며, 집중 호우 등에 의한 광미 적치장의 붕괴로 광미가 유실되는 경우 지역 사회 전반에 문제가 될 수 있다. 이러한 광미에 의한 광해를 막기 위하여 완전 밀폐 형태로 매립하는 방법, 고형화/안정화시켜 처리하는 방법, 토양 세척 등을 통한 무해화 방법, 광미를 원료로 하여 건설자재 등 다양한 소재로 재활용하는 방법 등 다양한 광미 처리 공법이 제안되고 있다. 재활용 방법의 경우 발생량대비 활용 처리량이 현저히 떨어지고, 가격적인 메리트 측면에서 경제적인 활용 방안이 제시되지 못하는 등 현실적인 활용 방안이 제시되지 못하고 있는 실정이다.

한국지질자원연구원의 자체사업인 "광산 폐기물을 활용한 노면 표시 반사성능 향상 목적의 고굴절 유리알 제조 기술 개발" 연구과제를 수행하고 있는

자원회수연구센터의 한요셉 선임연구원, 김영재 선임연구원, 박현식 책임연구원(왼쪽부터)

광미를 활용한 글라스 비드 개발

국내에서는 약 730여 개의 광산이 가행되고 있으며, 특히 해남의 금광산에서는 연간 3만 톤 이상의 광미가 발생하고 있다. 금광미의 경우 대표적인 황화광으로 침출수에 의한 토양의 산성화 등적치/폐기에 의한 환경 오염 문제가 심각하다.

금광미는 부유선별 공정 중, 금이 FeS와 함께 정광 측으로 농축되어, 광미내에는 전이금속인 Fe의 함량이 다른 광미와 비교하여 매우 낮은 장점이 있다. 또한 80% 이상이 SiO2로 구성되어 있고 납, 비소, 안티모니 등 중금속 함량이 매우 낮은 특징을 보인다. 현재 광미 10만 톤을 처리하는 경우, 톤당 약 3만 원의 처리비용이 발생하고 있다. 굴절율 1.64 미만의 일반 도로 표시용 글라스 비드의 조달청 납품가가 톤당 약 50만 원임을 고려할 때, 금광미를 활용하여 일반 도로 표시용 글라스 비드로의 소재 원료공급이 가능하다면, 경제적으로도 충분한 활용 잠재력이 있을 것으로 예상된다. 또한 포수제의 악취 문제 해소 및 광미 적체에 따른2차 환경 오염 등 정량적으로 추산이 어려운 환경 비용까지 고려할 때, 이러한 소재화 기술 개발은 지역 사회의 경제 활성화 및 삶의 질 향상에도 긍정적인 효과가 있을 것으로 판단된다. 특히 글라스 비드는 다른 광미의 소재화 활용 기술과 비교하여 대량 소비가 가능한 장점이 있어, 광미의 현실적인 처리 대안이 될 수 있을 것으로 기대된다.

글라스 비드로의 활용을 위해서는 전술한 바와 같이 높은 재귀반사도 달성이 필수적이다. 높은 재귀 반사도를 위해서는 높은 굴절률과 높은 투과도가 요구된다. 굴절률은 BaO, TiO2 등의 산화물을 첨가하는 형태로 조성 설계가 가능하나, 높은 투과도를 위해서는 가시광선 영역에서 낮은 흡광율을 갖는 투명성이 요구된다. 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 망간(Mn), 구리(Cu) 등의 전이 금속 산화물은 전자가 짝을 이루지 않은 불완전한 d-오비탈을 갖고 있으며, d-d 천이(d-d transition)라는 현상으로 인하여 유리 내에 미량만 존재하는 경우에도 가시광선 영역의 특정 파장에서 흡광 특징을 보이며, 결과적으로 특징적인 발색을 일으키는 원인이 된다. 금광미내의 철성분은 약 1,000ppm 정도이며, 산화 분위기의 용융 조건에서 형성되는 Fe3+는 가시광선 파장대 중 청색 영역에서의 흡광으로 인하여 유리를 붉은색 혹은 갈색의 색을 갖게 한다. 따라서 광미를 원료로 하여 글라스비드로 활용하기 위해서는 3가 철을 환원시켜 2가 철 형태(Fe2+)로 변환시키거나 청색과 보색 관계에 있는 가시광선 파장대를 흡광하는 전이금속을 첨가하여 광학적인 관점에서 투명하게 만드는 방법이 적용될 수 있다.

그림 3. CIE 1931 색좌표에 나타난 고강도 방전등(HID) 헤드라이트의 색과 광미를 원료로 한 글라스 비드를 투과한 후 색(0 wt%).

소색제의 첨가량이 0.01wt%에서 0.08wt%로 증가함에 따라 점점 청색 계열 쪽으로 색이 변화함을 확인할 수 있다.

한국지질자원연구원에서는 금광미를 원료 물질로 사용한 도료표지용 글라스 비드를 개발하기 위하여 기초 연구를 수행하고 있다. 광미를 주원료로하여 경제적인 조업과 경쟁력 있는 품질의 글라스 비드를 개발하기 위하여, 낮은 용융 온도와 색차 제어라는 두 가지 관점에서 연구를 진행하고 있다. 열역학 데이터와 재료 공학적인 관점에서 낮은 용융 온도를 갖는 조성계를 도출하고 온도별 점성 변화를 시뮬레이션하여 최적의 조업 온도를 확인하여 고굴절 유리의 특징을 갖는 유리 조성계의 후보군을 도출하였다.

도출된 후보군에서 유리화 가능 조성 영역을 실험적으로 확인하고 일반적인 차량용 헤드라이트인 고강도 방전등(HID) 헤드라이트의 빛이 각각의 유리 조성을 투과 후 나타내는 색을 CIE 1931색좌표를 이용하여 평가하였다. 이러한 일련의 과정을 통하여 글라스 비드 제조를 위한 최종 유리 조성계를 선정하였다. 선정된유리 조성계에서의 백색도를 극대화시키기 위하여, 해당 유리가갖는 색의 보색의 특징을 보이는 착색제를 이용한 물리적 소색을 수행하였다(그림 3). 이러한 일련의 연구를 통하여 금광미를 활용하여 도로 표지용 글라스 비드 유리 조성물 개발이 가능함을 실험실적으로 확인하였다.

이번 연구를 통하여 축적된 데이터와 조성계를 기초로 하여, 향후 균질한 크기의 구형 비드 생산을 위한 엔지니어적인 측면에서의 실증화 연구가 필요한 단계이다. 기초 연구에서 실증화 연구까지 순조롭게 진행되어 공정 개발이 완료될 경우, 지금까지 광산업계와 지역 사회에 골칫거리였던 광미의 고부가 가치화와 대량 처리가 가능하여 국내 광산업계의 경쟁력 향상과 사회적 문제해결에 기여할 수 있을 것이다. 또한, 지금까지 경제성 때문에 불가능하게 여겨졌던 광미의 재활용 연구에 있어서 유리 소재 원료로의 활용이라는 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.