Technology Brief - 산업의 vitamin 희토류 금속 외
산업의 Vitamin,
희토류 금속
산업의 비타민’으로 불리는 희토류는 첨단 가전제품을 비롯한 스마트폰, 반도체, LCD TV, 전기차 배터리, 친환경 하이브리드차, 미사일 등에 꼭 필요한 재료이다. 희토류란 란탄(Lanthanum), 세륨(Cerium), 디스프로슘 (Dysprosium) 등의 원소를 일컫는 말로, 희귀광물의 한 종류다.
희토류는 화학적으로 안정되면서도 열을 잘 전달하는 성질이 있어 삼파장 전구, LCD 연마광택제, 가전제품 모터자석, 광학렌즈, 전기차 배터리 합금 등의 제품을 생산할 때 쓰인다.
Cerium(세륨) 화학제품은 자동차 촉매제로 사용되고 있으며, 합금분야로는 Lanthanum(란탄)-Nickel(니켈)-Hydride(수소화물) 전지가 환경적으로 허용될 수 있는 Nickel-Cadmium(카드뮴) 전지의 대체물질로 개발되고 있으며, Lanthanum은 크리프 저항을 향상시키기 위하여 마그네슘 합금에 대한 첨가제로, NdFeb와 SmCo 합금은 자석으로 이용된다.
중국은 1992년부터 희토류 생산량에서 세계 1위를 고수하고 있으며 희토류 생산량의 97%를 차지하고 있었는데, 최근 중국의 희토류 수출량이 2003년의 7분의 1 수준으로 급감했다.
중국의 희토류 수출량이 급감한 것은 중국이 자원을 보호하겠다며 규제를 강화했기 때문이기도 하지만, 희토류 최대 수요처인 일본이 중국의 ‘희토류 무기화’를 의식해 수입국을 교체한 영향도 있는 것으로 풀이된다.
일본은 2010년 9월 센카쿠(尖閣, 중국명 댜오위다오(釣魚島)) 열도에서 중국 어선과 일본 순 시선의 충돌사태 이후 중국이 희토류 수출금지 카드를 꺼내자 수입처를 다변화하면서 대체물질도 개발해 왔다.
당시 중국의 잠정적인 수출중단 사태로 희토류 가격은 사태 전에 비해 10배가량 폭등했다.
일본은 비축량을 늘리고 희토류가 필요없는 전자부품도 개발했다. 희토류 광맥을 찾아 몽골ㆍ베트남ㆍ미국은 물론, 태평양 바닷속까지 뒤졌다. 그 결과 2007년까지 90%에 달했던 중국산 희토류 의존도가 계속 줄어들었다.
2012년 상반기에는 일본의 전체 희토류 수입 중 중국산 수입이 49.3%를 차지해 2000년 이후 처음으로 50%를 밑돌았다.
최근에는 여기다 유로존(유로화 사용 17개국)의 재정위기와 미국 경제의 침체 여파로 희토류에 대한 글로벌 수요가 크게 줄었다. 희토류 가격도 약세다. 최근 희토류 가격은 최고치 대비 30%정도 하락한 상태다.
이러한 자원의 무기화와 대응전략을 참고하여, 우리는 첨단 전략제품 생산에 필수적인 희토류를 원활히 확보하고 있는지 점검하고, 공급처를 다변화하여, 이들 금속을 정제할 기술력을 갖추고 대체물질에 대한 연구개발을 활성화해야 할 것이다.
윤석열
R&D경영연구소 대표
자동차, 이제는 달리는
사무실이다
미래 자동차는 어떤 모습일까? 그동안 공상과학 영화에서나 보았던 자동차들이 하나둘 현실화되고 있다.
버튼 하나를 누르면 스스로 알아서 주차를 하는 자동주차 시스템, 음성을 통한 명령으로 자신에게 온 이메일과 일정 등을 체크해 주는 편의기술, 스마트폰과 네비게이션을 연결해 스마트폰의 각종 앱을 차량에서 실행하여 보다 즐거운 운전이 가능하게 해주는 인포테인먼트 시스템, 각종 센서들을 통해 자신의 위치와 주변 장애물들을 인식해가면서 무인으로 자율주행을 가능하게 하는 차량 등 최근 선진 자동차메이커와 IT업체들은 미래 자동차기술 선점을 위해 기술융합에 분주하게 노력을 하고 있다.
매년 초 미국 라스베이거스에서 열리는 국제전자제품박람회(CES)의 최근 특징은 가전제품전시가 아닌 자동차 및 자동차부품에 대한 전시가 매년 규모를 더해가고 있다는 것이다.
금년 1월의 CES에서도 국내의 현대자동차뿐만 아니라 많은 완성차업체와 자동차부품업체가 참여하여 미래자동차 기술을 선보였다.
도요타는 AASRV(Advanced Active Safety Research Vehicle)라는 무인자율주행 기술을 소개했다.
렉서스 LS 600h 모델에 GPS센서, 레이저 스캐너, 스테레오 카메라 등을 탑재하여 센서의 도움을 받아가면서 차선과 각종 신호 변화를 인식하고 주변 사물의 움직임 등을 감지하여 자율주행이 가능하게 하는 기술이다.
아우디도 이와 비슷한 기술을 선보였는데, 차량 외부에서 원격조정으로 무인 자동주차 및 차량호출을 가능하게 하는 기술이다.
미국 네바다주를 포함한 몇몇 주에서는 무인자율주행 차량의 경우 사람이 아닌 자동차에게 운전면허를 주는 법적인 제도도 마련되어 있을 정도로 미래의 자동차에 좀 더 다가서고 있는 실정이다.
현대자동차는 스마트카 기술을 선보였는데, ‘달리는 사무실’이라는 콘셉트로 음성인식, 스마트폰 연동제어, 클라우드 서비스 등 각종 신기술들을 선보이면서 달리는 자동차 안에서도 사무실에서 일하듯이 업무처리가 가능하다는 것을 보여주었다. 스마트&컨넥티드 미래자동차를 구현해 보인 셈이다.
최근 휴대폰 시장은 피처폰에서 스마트폰으로 바뀌는 아주 혁신적이고 커다란 변화를 경험했다.
이러한 큰 변화가 자동차에서도 서서히 일어나고 있는 것이다. 구글, 마이크로소프트, 애플 등과 같은 IT업체들이 완성차 업체와 연합하여 차세대 융합기술을 통한 스마트카 개발에 박차를 가하고 있다.
네이버, 다음, 카카오 등과 같은 우리나라의 IT업체들도 이러한 시대조류에 발맞추어 완성차 업체와 함께 기술개발에 참여해야 하지 않을까 생각된다.
궁극적인 미래자동차는 보다 더 안전하고 편리한 기능이 개발되어 사고를 없애고 운전의 즐거움을 많이 가져다 줄 수 있는 차량이다.
또한, 친환경 에너지를 사용하는 차량으로 지구촌 대기환경을 개선시키는 전기차와 같은 친환경 차량이다.
태양에너지를 이용하여 안전하게 날아다닐 수 있는 자동차가 미래자동차 중의 하나가 될 수도 있겠다.
이충구
前 현대자동차 대표이사,
現 서울대 융합과학기술대학원 초빙교수
차세대 상온형
나트륨 이차전지
전지(Battery)는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 말하며, 일차전지(Primary Battery)와 이차전지(Secondary Battery)로 구분된다.
일차전지는 망간전지나 알칼리전지와 같은 1회용 전지를 일컬으며, 이차전지는 리튬(이온)전지, 연축전지, 니켈수소전지, 니카드전지 등과 같이 반복 사용이 가능한 전지를 일컫는다.
이차전지는 양극과 음극사이를 이동하는 이온의 종류(리튬(Li), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg))에 따라 리튬(이온)전지, 나트륨(이온)전지, 마그네슘(이온)전지로 각각 칭해진다.
에너지 밀도가 높고 충 · 방전 특성이 우수한 리튬(Li)이온전지는 휴대용 전자기기를 비롯한 산업용공구, 전기바이크, 하이브리드 전기자동차(Hhybrid Electric Vehicle)의 전원으로도 활용되고 있으나, 전력 저장용 전원시스템에 적용하기에는 경제적인 문제가 있다.
중대형 전지의 개발에 가장 크게 영향을 미치는 것이 전극 소재의 가격이며, 따라서 가격 경쟁력 확보를 위해서는 원가 비중이 높은(약 40 ~ 65%) 전극 소재에 대한 재고가 필요하다.
리튬이온전지의 주요 소재인 리튬(Li)과 코발트(Co)의 가격은 1991년 리튬이온전지의 개발을 기점으로 급격히 상승하였으며, 최근 세계적인 자동차업체들이 전기 자동차사업에 참여함에 따라 두소재의 가격은 더욱 상승할 것으로 예상된다.
현재 신재생에너지를 저장할 수 있는 대형 전원시스템으로는 고온형 나트륨유황(NaS) 전지가 있으며, 일본 내에서 상용화되고 있다.
고온형 NaS 전지의 소재인 나트륨(Na)과 유황(S)은 모두 지구상에 매우 풍부한 물질로서, 기존의 리튬이온전지, Ni/MH전지, 납축전지보다 낮은 가격으로 제조가 가능하기 때문에 높은 가격 경쟁력을 가지고 있다.
하지만 고온형 NaS 전지는 아직도 불안정한 면을 보이고 있는데, 그 원인은 고온(300도)에서 작동되는 점과 반응성이 매우 높은 금속을 직접 사용하였기 때문으로 분석하고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 상온형 NaS 전지의 개발이 추진되고 있다. 현재 상온형 NaS 전지에 대한 연구개발은 아직 초기 단계로, 국내에서는 경상대를 중심으로 연구가 진행되고 있으며, 국제적으로는 미국, 중국, 일본에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
한편, 나트륨(Na) 이온전지는 리튬이온전지의 양극활물질 중 리튬을 나트륨으로 치환한 형태의 전극물질을 사용함으로서 NaS전지에 비해 보다 높은 안정성을 확보할 수 있다.
나트륨이온전지는 나트륨이온 반경이 리튬이온 반경보다 크기 때문에 리튬이온전지(140mAh/g)의 가용용량에 비해 다소 낮은 값(120mAh/g)을 나타낸다.
하지만 나트륨은 해수(암염)로부터 무한히 얻을 수 있어 나트륨이온전지는 리튬이온전지에 비해 90%이상의 제조단가를 낮출 수 있다(Li금속 : $60,000/t, Na금속 : $2,400/t).
나트륨 이온전지는 제조단가를 비롯하여 작동전압, 에너지밀도, 작동온도 등에서 종래의 대형전지에 비해 대형전지에 적합한 조건을 갖추고 있다.
또한 용융염을 전해질로 사용할 경우 안정성을 더욱 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있어 중대형 전지용 차세대 전지로 주목받고 있다.
김기원
경상대학교 나노 · 신소재 공학부 교수
꿈의 신소재
탄소나노물질의 진화
유사 이전부터 인류가 사용해 온 탄소는 생물체를 구성하는 주요 원소로서 화석연료인 석탄과 석유의 주성분이기도 하다.
화석연료 연소로 발생하는 이산화탄소가 지구온난화의 주범인 온실가스로 인식되어 저탄소, 탄소배출권과 같은 용어가 등장하면서 탄소는 이제 가장 관심을 끄는 원소가 되고 있다.
탄소 자체는 원자 배열에 따라 비결정형의 코크스, 목탄 등과 결정형의 흑연, 다이아몬드 등의 다양한 형태로 존재하여 다른 성질을 보이는 매우 특이한 물질이다.
이런 탄소가 최근에는 나노구조의 새로운 형태로 잇달아 발견되면서 이들이 미래를 책임질 가장 중요한 물질로 기대를 모으고 있다.
1985년 미국 라이스대학 교수들은 탄소 오각형과 육각형으로 배열된 탄소 60개로 이루어진 축구공 모양의 풀러렌(Fullerene)이라는 물질을 발견하여 1996년 노벨화학상을 수상하였다.
풀러렌은 안정된 구조로 높은 온도와 압력에 견디는 성질이 있어 윤활제, 촉매, 초전도체 등으로 이용하려는 연구가 계속되고 있다.
1991년 일본 NEC사 연구소에서는 탄소 원자 6개로 구성된 육각형들이 서로 연결된 관 모양을 이루는 탄소나노튜브가 형성된 것을 전자현미경으로 확인하였다.
탄소나노튜브는 연결 방향에 따라 금속이 되기도 하고 반도체가 되기도 하는 유례없는 물질로서 기존 반도체 대체물질로 기대를 모으고 있지만 형태를 조금만 변형해도 전기적 성질이 바뀌는 바람에 길게 늘이는 게 어렵고 아직은 대량생산에 성공하지 못하고 있다.
하지만 높은 강도와 탄성을 이용한 스포츠 용품과 평판 디스플레이에 사용되며 NASA에서는 우주엘리베이터를 만드는데 사용하려는 계획을 가지고 있다.
2010년 노벨물리학상을 수상한 영국 맨체스터대학의 가임과 노보셀로프 교수가 2004년 흑연에 접착제 테이프를 붙여 탄소 육각형 한 층을 떼어내는데 성공하여 만든 육각형 평면 벌집구조의 그래핀(Graphene)은 세상에서 가장 얇은 소재이다.
이 최초의 결정성 2차원 물질은 가볍고 투명하며 신축성이 있으면서도 강철보다 200배 이상 강하다.
또한 구리보다 열전도도가 10배 이상이며 전기는 100배 이상 잘 통하고 실리콘 반도체보다 전자 이동성이 100배 이상 빠르다.
현재로서는 탄소나노물질 진화의 끝인 것으로 보이는 그래핀이 미래의 반도체와 디스플레이는 물론, 구조용 재료로서도 주목받을 것으로 전망되지만 아직은 안전성이 검증되지 않았다.
또한 고품질 대량합성법도 개발되지 않아 응용에 대한 기대를 부풀리기에는 이르다고 할 수 있다.
서동진
한국과학기술연구원 책임연구원