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  • 기사등록 2019-05-13 09:14:09
  • 수정 2019-05-13 17:22:55
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▲ 김영민 재료연구소 책임연구원

마그네슘(Mg)은 상용 금속 중 가장 가벼워 자동차, IT 제품, 의료 보조기구 등에 널리 사용되고 있고, 최근에는 우주선, 항공기는 물론, 자동차, 자전거, 카메라, 프라이팬, LED조명 방열판 등에도 쓰이는 등 적용 범위가 확산되고 있다. 이는 마그네슘의 무게가 철보다 4배나 가볍지만, 비강도는 6배나 높은 성질 덕분이다. 또 성형이 쉽고, 방열 효과도 좋은데다 진동도 잘 견디고 전자파도 차단하는 성질까지 가지고 있어 더욱 활용도가 높다.


최근 에너지 효율화, 이산화탄소 감축 등 각종 환경 규제와 맞물려 경량 친환경 소재인 마그네슘 합금에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 마그네슘이 미래 산업의 핵심 소재로 적용될 수 잠재력을 가지고 있는 소재임에도 정작 우리나라는 부존자원이 없어 전량을 중국으로부터 수입에 의존하고 있는 실정이다.


마그네슘 소재의 벨류 체인(Value-Chain) 최상단에 해당되는 1차 산업 생태계가 국내에는 구축되지 못한 것이다. 이는 원소재의 수급 안정성 저하와 가격 경쟁력 악화를 야기함으로써 국내 마그네슘 소재 산업에 있어서 기초 체력의 약화와 지속성 있는 성장의 한계를 가져온다.


이에 반해, 우리나라가 갖지 못한 광물자원은 북한에 풍부하게 매장되어 있다. 특히 북한의 광물자원 가운데 마그네사이트의 경우 세계 3위의 매장량(약 60억톤)을 보유하고 있을 뿐만 아니라 원광석의 품위도 47% 내외로 매우 높아 경제적 가치가 높은 편이다.


▲ 북한 단천마그네샤 공장 전경(左) 및 북한의 용융염전해 마그네슘 생산 공정도


북한에서는 마그네사이트 원광석으로부터 경소마그네시아, 마그네시아클링커 및 용융 마그네시아 등을 제조하고 있는데 로터리 킬른을 이용한 고순도 마그네시아클링커 제조가 주를 이룬다. 마그네시아(MgO) 생산의 거의 90% 이상이 단천공장에서 이루어지고 있지만, 실제 가동율은 매우 낮은 것(2007년 기준, 15% 이하)으로 알려져 있다.

북한의 마그네슘 금속 제련기술에 대해서는 현재까지 잘 알려지지 않았다. 하지만 2018년에 DMR융합연구단의 의뢰로 북한과학기술연구센터에서 수행한 북한의 소재화 기술에 관한 연구용역보고서에 따르면 북한은 마그네슘 금속 원소재의 공업적인 기본 생산방식으로 전통적인 용융염전해의 금속 마그네슘 생산방식을 채용하는 연구개발을 수행했던 것으로 확인되었다. 보편적인 원료 분말화를 피하고 콕스나 중유, 석탄 사용을 통해 마그네사이트를 덩어리상태로 예비 처리한 뒤 전해 공정에 넣어 금속마그네슘을 생산하는 북한식 생산방식을 개발하였다.

하지만 1990년대 말 경제난 이후 전력소비를 최대한 낮추기 위해 일부는 열환원 제련공정을 적용한 것으로 확인되었다. 제련한 순금속을 정제하고 합금화 하는 연구도 일부 수행되기는 하였으나 기초적인 연구단계에 머물러 있었고 실제 생산으로 연결되지는 못한 것으로 파악된다.

원소재 100% 中 수입의존, Mg산업 경쟁력 약화 및 성장 정체 악순환
‘北 세계 3위 마그네사이트 매장량’+‘南 소재·부품 기술’로 ‘상생 시너지’


▲ 마그네슘 광물원소재 확보에서 금속소재 개발에 이르는 공정을 확보하면 경쟁력 있는 상용화 기반을 마련할 수 있다.


최근 남북경협에 대한 기대감이 증가함에 따라 북한 광물자원을 향한 기업의 관심이 높아지고 있는 상황에서, 북한의 마그네사이트를 고부가가치화하고 국내 주력산업에 활용하기 위한 연구를 국가과학기술연구회 미래선도형 융합연구단 사업 중 한국지질자원연구원 한반도광물자원개발 융합연구단(DMR융합연구단) 마그네슘활용기술연구팀(팀장 김영민 책임연구원)에서 수행하고 있다.

주요 목표로는 고품위 내화물 제조기술과 고효율·친환경 신제련기술, 고특성 마그네슘 신합금 및 부품화 기술 개발이 있다. 마그네사이트를 활용한 내화물 제조 및 응용연구는 참여기업 주도로 연구를 수행하고 있다. 고효율·친환경 신제련 기술의 경우, 산화마그네슘의 전해환원으로 생성된 마그네슘과 액체금속 음극과의 반응에 의해 금속간화합물을 생성 후 이를 진공 증류하여 고순도 마그네슘 금속을 제조하는 MSE-LMC (Molten Salt Electrolysis using Liquid Metal Cathode)법의 실증화 기술을 개발하고 있다. 북한산 마그네사이트를 제련한 마그네슘 순금속을 이용하여 불순물을 분석, 평가하고 북한 마그네사이트 맞춤형 마그네슘 신합금 개발을 연구한다.

개발된 신합금을 활용하여 자동차, 철도, 항공기 등의 수송기기에 적용 가능한 양산설비 대응형 마그네슘 합금 압출재 제조기술 개발 연구를 수행하고 있으며, 국내외 연구기관 및 제조업체와의 긴밀한 협력을 통해 실제 수요자의 니즈를 반영한 양산설비 맞춤형 소재 및 공정의 실용화 연구에 중점을 두고 있다.

북한의 풍부한 광물자원과 남한의 세계적인 소재/부품화 기술을 결합함으로써 앞에서 언급한 마그네슘 산업의 진정한 밸류 체인이 완성될 수 있다. 이는 곧 우리나라 마그네슘 소재 산업 생태계의 안정화와 더불어 시장 경쟁력 강화를 통해 현재 4조 규모인 세계 시장을 선점하는 효과를 가져 올 수 있다. 미래소재로 각광받는 마그네슘 소재는 전반적으로 기술 및 산업에 있어서 세계적으로 경쟁이 치열하지만, 아직 시장 초기 단계임을 고려하면 북한 마그네사이트를 활용한 전주기 통합 소재화 기술 확보를 위한 연구개발 분야에 집중적으로 투자할 경우 추월이 가능하다.

특히, 우리나라는 ‘마그네슘 고내식·난연성 합금기술’ 및 ‘광폭 판재 제조기술’ 분야 등 핵심 분야에서 세계적 수준의 기술을 보유하고 있어 북한 마그네사이트를 활용한 연계 기술이 확보된다면 파급 효과가 매우 클 것으로 기대된다.

이처럼 북한의 마그네슘 원광석의 공동활용을 위한 상호협력은 남한에서 급증하고 있는 마그네슘 합금 및 내화물에 대한 수요를 충족하고, 안정적/경제적인 수급구조를 확보함으로써 관련 산업의 지속적인 성장을 견인할 수 있다. 또한, 북한의 낙후된 마그네슘 내화물 제조산업의 고부가가치화를 통해 경제난을 타계할 안정적인 수입원을 확보하고 남북 상생의 윈-윈 협력 관계를 구축함으로써 향후 도래할 통일 시대에 실질적인 과학·경제 협력체제 구축에 크게 기여할 것이다.


▲ 북한 광물자원개발 융합형 통합시스템 구축 개념도


▲ 마그네슘 소재의 활용


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