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우리나라 연구실에서 만난 북한 광물, 마그네슘 제련실험실
  • 작성자홍보실
  • 작성일시2020/12/24 16:15
  • 조회수836

지구의 자원이 점차 고갈되면서 세계는 차세대 자원을 확보하기 위한 전쟁에 돌입했다. 우리나라는 앞으로 다가올 통일시대를 대비해 북한에 부존하고 있는 전략적 광물자원을 효율적으로 활용할 수 있는 자원 및 인프라 융합기술을 확보하기 위해 DMR융합연구단을 출범하였다. DMR융합연구단은 북한 부존자원 평가와 탐사, 개발, 활용 및 소재화 기술까지 다양한 연구를 수행하고 있다. 특히 대표적 경량소재인 마그네슘과 4차 산업시대에 필수 자원인 희토류에 대해서는 자원부터 소재화 기술까지 통합적인 기술개발이 이루어지고 있다.

 

우리나라 연구실에서 만난 북한 광물

마그네슘 제련실험실

writer. 강정신 박사(DMR융합연구단)

 

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통일시대를 위한 광물자원 기술 개발

 

북한이 많은 광물자원을 보유하고 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 우리나라의 기술과 북한의 자원이 만나면 국가 경쟁력 향상으로 이어질 것으로 기대된다. 앞으로 다가오게 될 통일시대를 생각한다면 북한 광물자원에 대한 연구는 빠르면 빠를수록 좋은 효과를 얻게 될 것이다. 하지만 직접 갈 수 없는 북한의 광물자원을 연구하는 길은 쉽지 않다. DMR융합연구단에서는 북한 부존자원 평가와 탐사 기술을 개발하기 위해 북한과 유사한 광상 유형, 규모와 지질환경을 가진 국내·외 유사 테스트베드를 선정하여 관련 기술을 개발하고 있다.

 

북한의 광물자원을 활용하기 위해 연구하는 기술 중 하나는 바로 마그네슘 제련기술이다. 마그네슘은 알루미늄과 더불어 대표적 경량금속 중 하나로써 구조재용 금속 중에서 가장 가벼운 금속이다. 마그네슘은 높은 비강도, 우수한 주조성 및 기계 가공성으로 인해 수송기기, 전자제품 및 군수용품 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히, 저탄소 시대가 도래함에 따라 수송기기 경량화에 따른 연비 향상이 갈수록 중요해지고 있어 마그네슘을 이용한 소재화 관련수요가 증가할 것으로 예상한다.

 

그러나 현재 세계 마그네슘 금속의 약 85%가 중국에서 생산되고 있으며 리싸이클링을 제외한 국내 생산은 없는 실정이다. DMR융합연구단의 마그네슘 제련실험실에서는 북한에 풍부하게 부존하고 있는 고품질의 마그네사이트 원료로부터 고순도 마그네슘 원소재 제조를 통한 기술 자립화 및 국내 마그네슘 시장의 경쟁력 향상을 목표로 친환경 고효율 마그네슘 제련기술 개발에 집중하고 있다. 이를 위해 2004년 북한 단천지구 룡양 광산에서 채광하여 중국에 수출된 마그네사이트를 중국 측 회사로 부터 수입하여 현재까지 연구 원료로 사용하고 있다.

 

 

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마그네슘을 얻는 다양한 방법

 

마그네슘 제련법은 크게 열환원법과 전기분해법으로 구분된다. 열환원법의 대표적 공정으로 Pidgeon법이 있으며 백운석(MgCO3·CaCO3)을 하소 후 1,100~1,200℃의 진공 분위기에서 페로실리콘(Fe·Si)과 반응시켜 마그네슘을 만든다. 반면 전기분해법은 염수, 마그네사이트 등 다양한 원료로부터 무수 염화마그네슘 (MgCl2)을 제조 후 이를 원료로 사용하여 655~720℃에서 용융염전해를 통해 마그네슘을 만든다. Pidgeon법은 노동집약적, 높은 에너지 소비 및 제조과정 중 다량의 유해 가스가 발생하는 단점이 있으며 전기분해법은 무수 염화마그네슘 제조 및 전해 중 유해한 다량의 염소가스(Cl2)가 발생하는 단점이 있다.

 

마그네슘 제련실험실에서는 종래의 마그네슘 제련법보다 친환경적이며 고효율의 마그네슘 신제련법 개발에 관한 연구를 수행하고 있다. 산화마그네슘 (MgO)으로부터 직접 고순도 마그네슘 금속을 얻기 위해 액체금속 음극을 이용한 산화마그네슘 용융염전해 기술과 전해에서 제조된 마그네슘 합금으로부터 고순도 마그네슘 금속을 제조하기 위한 진공증류 기술을 독자적으로 개발하였으며, 실증화를 위한 핵심요소기술을 개발하고 있다.

 

또한 가까운 미래 북한산 마그네사이트의 활용을 염두에 두어 기존 상용 전기분해법에 기반을 둔 보다 친환경적 마그네슘 상용화급 기술개발 연구를 수행하였다. 마그네슘 제련실험실에서는 마그네슘과 같은 활성금속 제련에 대한 이해와 노하우를 바탕으로 타이타늄, Nd-Fe-B 폐자석, 구리, 폐탈질촉매에 대한 제련·리싸이클링 신기술을 개발하고 있다.

 

마그네슘 제련실험실의 대표적 실험 장비는 마그네슘 신제련법을 위해 개발된 대용량 전해장치와 진공증류 장치다. DMR융합연구단 사업이 2018년 12월부터 2단계에 들어서면서 실증화를 위한 핵심 요소기술 개발이 요구되었고, 기존에 실험실에서 사용했던 용융염전해셀*과는 다른 형태의 실증화를 고려한 전해셀 개발이 필요했다. 이를 위해 약 6개월간 실패를 거듭한 끝에 안정적으로 전해가 가능한 전해셀 개발과 공정조건 정립에 성공했다. 이러한 결과를 바탕으로 마그네슘 신제련법과 관련 장치에 대한 국내·외 특허가 등록되었으며 관련 기술 보호를 위해 공정과 장치에 대한 추가적 특허를 진행하고 있다.

 

 

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친환경·고효율의 마그네슘 신제련법

 

마그네슘 제련실험실에는 흥미로운 공정이 있다. 바로 산화마그네 슘으로부터 고순도 마그네슘을 제조하는 공정 중 하나인 진공증류공정이다. 927~1,027℃에서 마그네슘 합금 내 마그네슘만 증발시켜 반응기의 저온부에서 고순도의 마그네슘을 회수하는 공정인데, 이러한 진공증류의 원리는 증류식의 전통 소주를 만드는 방법과 기본적으로 동일한 원리이다.

 

전통 소주는 청주 등 밑술을 담은 솥 위에 소줏고리를 올려놓은 후 소줏고리 윗면을 차가운 냉각수를 담은 용기로 막은 후 솥을 가열하여 제조한다. 솥을 가열하면 물보다 기화점이 낮은 에틸알코올이 먼저 기화되어 차가운 냉각수 부분에 닿아 액화되기 때문에 고농도의 알코올을 함유한 소주가 만들어진다. 이처럼 다양한 금속간에도 온도에 따른 증기압이 다르기 때문에 일정 온도에서 금속간 증기압 차를 이용하여 마그네슘 합금으로부터 고순도 마그네슘 금속을 얻게 된다.

 

새롭게 개발한 마그네슘 제련법에도 이와 같은 진공증류 공정이 포함된다. 마그네슘 신제련법은 780 ℃에서 밀도가 큰 액체금속 음극을 사용하여 불화물 용융염에 용해된 산화마그네슘을 전기분해 하여 음극에서 마그네슘 합금을 제조한다. 이때 양극에서는 사용하는 양극 소재에 따라 산소 또는 이산화탄소 가스가 발생하게 된다.이후 927~1,027℃에서 진공증류 과정을 거쳐 전해에 의해 생성된 마그네슘 합금으로부터 순도 99.999%의 고순도 마그네슘 금속을 얻게 되고 잔류하는 금속은 용융염전해의 음극으로 재사용된다.

 

본 공정의 경우 산화마그네슘을 원료로 사용하며 공정 효율이 조건에 따라 약 88% 정도로 높다. 또한 증류에 의해 마그네슘 금속을 얻기 때문에 원료의 순도 변화가 다소 있더라도 고순도의 마그네슘 금속을 제조할 수 있다. 나아가 양극 소재에 따라 산소 가스가 발생할 수 있어 친환경·고효율의 마그네슘 제련법이다.

 

 

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미래 전략자원을 책임지는 연구실

 

마그네슘 제련실험실에서는 개발한 방법을 활용해 제조한 고순도 마그네슘 금속을 바이오 및 구조재용 마그네슘 소재 분야에 활용하는 방안에 대해서 관련 분야 전문가들과 함께 논의하며 개발을 진행하고 있다. 또한, 마그네슘 신제련법의 실증화를 목표로 핵심요소기술 개발에 더욱 주력할 예정이다. 산소 발생형 전해법에 핵심이 되는 불활성 양극소재 (inert electrode) 개발 및 국내 대량발생 폐기물의 원료 사용에 관한 연구를 진행하고 있으며, 나아가 상용화를 고려하여 현재 개발된 기술을 기반으로 한 다양한 대체 기술에 대해 검토하고 있다.

 

국내 제련산업의 경우 범용 금속(base metal)인 철, 구리, 아연 등에 대해서는 세계적 제련업체가 있다. 그러나 4차산업 시대의 핵심인 희소 금속(rare metal)에 대해서는 1차 자원을 이용하는 제련업체의 경우 거의 전무하다고 볼 수 있다. 한국지질자원연구원 DMR융합연구단 마그네슘 제련실험실은 미래 전략소재의 안정적 국내 공급을 위한 자원 시큐리티 향상에 기여하고 혁신적이며 친환경적인 제련·리싸이클링 기술개발에 선도적인 역할을 할 수 있도록 최선을 다할 것이다.

 

* 전해셀(Electrolytic cell)

셀 외부에서 전기에너지를 인가함으로써 비자발적 화학적 반응을 일으키는 셀. 전해셀은 주로 어떤 화합물을 분해하는데 사용됨

 

 
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