▒ 지금으로부터 20년 후인 2030년에는 어떤 기술이 주류가 될까. 생물모방, iPS세포, 대형 리튬이온전지에 이어 마지막으로 희소금속 대체재에 대해 알아본다.

BI Weekly 1254호 2010.03.26



친환경자동차나 태양전지 패널 등을 제조하는데 꼭 필요한 희소금속을 대체할 수 있는 新재료 개발이 빠르게 진행되고 있다. 구미와 같은 에너지 절약 선진국 외에도 중국 등 신흥국에서도 수요가 늘어나고 있다. 공급에 대한 불안감이 나오고 있기 때문이다. 일시적인 자원가격 급등은 어느 정도 수습되었으나, 중장기적으로는 대체재료를 개발하여 활용하는 것이 꼭 필요하다.


'액정 TV와 터치패널, 발광다이오드(LED) 등에 꼭 필요한 고기능재료인 ITO(산화인듐주석)를 입수할 수 없을 지도 모른다. '하이테크 업계에서 이러한 우려가 높아지고 있다.'


ITO는 투명하고 전기도 잘 통하는데다가 가공성과 안정성이 뛰어나, 미국 조사회사에 의하면 2009년의 세계시장 규모는 32억달러에 달한다고 한다. 그러나 주(主)원료로서 사용되는 레어메탈(rare metal)의 일종인 인듐은 최대 보유국인 중국정부가 '자원 내셔널리즘'을 강화하면 다른 국가들은 사용하게 될 수 없을 가능성이 있다.

일본도 이러한 상황에 대해 대책을 마련하고 있다. 산업기술종합연구소는 ITO를 대신할 수 있는 투명전극재료로서 유망한 산화아연과 마그네슘 혼합재료를 가로×세로 약 10㎝의 유리기판에 성막(成幕)하는 기술을 개발했다. "대(大)면적이면서도 우수한 품질의 투명전극막을 만들 수 있다. 폭넓은 용도에 이용할 수 있다"라고 시바타(柴田肇) 주임연구원은 자랑스럽게 말한다.


산화아연은 투명하고 도전성(導電性)도 우수하여 ITO를 대체할 수 있는 유력한 재료로 손꼽히고 있다. 단, 고출력 레이저를 사용하는 특수한 기법으로 성막을 해야 하기 때문에 대형화나 코스트 다운이 쉽지 않다. 시바타 주임연구원 팀은 반도체 제조 등에서 일반적인 스퍼터링(sputtering) 기술을 사용해, 간단하게 성막하는 실험에 성공했다.


산화아연과 산화마그네슘 덩어리에 전압을 가한 상태로 아르곤(Argon)이온을 조사(照射)하여, 확산된 입자를 기판에 얇게 퇴적시킨다. 이와 함께, 발생한 중성 산소원자와 산소이온이 박막에 나쁜 영향을 미치는 것을 방지하여 우수한 품질을 실현했다. 태양전지에 사용되는 것을 목표로 하고 있으나, 액정 패널과 같은 분야에 대한 응용도 고려하고 있다.


고치(高知)공과대학의 야마모토(山本哲也) 교수팀과 카시오계산기 등의 연구팀도 스퍼터링법에서 산화아연이 흩날리는 방향을 제어하는 등 균일하게 박막(薄膜)이 가능하도록 했다. ITO 사용량을 75% 줄인 소형 액정 패널을 시험제작하여, 컬러표시에 성공했다.


ITO를 대체할만한 유력 재료에는 그 밖에도 산화주석이나 이산화티탄이 있다. 산화아연은 산과 알칼리에 약하여, 안정성에 과제가 있다. 한편, 산화주석과 이산화티탄은 가공하기가 어려운 반면, 안정성은 뛰어나다.


가나가와(神奈川)과학기술 아카데미의 하세가와(長谷川哲也) 그룹 리더는 이산화티탄에 금속 나이오븀(niobium)을 미량 혼합한 신재료를 연구하고 있다. 아사히(旭)유리와 공동으로 유기기판상에 성막하는 기술을 개발했다. 일단 아몰퍼스(amorphous: 비결정질)형에서 성막한 후 가열하는 등 결정구조를 갖출 수 있는 방법을 연구하여, ITO에 버금가는 도전성과 투명성을 실현했다.

얇고 유연한 플랙서블 디스플레이( Flexible display) 등에 응용하기 위해서 플라스틱 기판에서도 성막했다. 제조온도를 유리기판보다 100도 정도 낮은 약 250도로 낮추어 시험제작하는데 성공했다.

레어메탈 가격이 안정되었기 때문에 대체기술을 시급한 과제로 인식하고 있는 기업이 많지 않다. 그러나 하세가와 리더는 "언젠가는 대체가 필요할 것이다. ITO의 성능을 능가하는 재료를 개발하여 대체 의욕을 높일 것"이라고 연구개발을 서두른다.


혼합금속으로 방식성(防食性) 도금


자동차산업에서는 희소금속을 비롯해 장차 공급불안이 우려되는 금속을 많이 사용하고 있다. 전기자동차의 2차전지에 반드시 필요한 리튬뿐만이 아니다. 차체(車體)를 매끈하게 유지할 수 있는 도금 재료 외에, 배기가스 정화에 꼭 필요한 촉매금속 등에서도 대체기술의 중요성이 높아지고 있다.


아울러 부가가치가 높은 자동차용 강판은 제조과정에서 철이 녹스는 것을 방지하기 위해 아연도금을 대량으로 소비한다. 아연은 존재량이 비교적 풍부하다고 알려진 베이스메탈(base metal)의 일종이나 마음을 놓을 수 없다.


브라질, 러시아, 인도, 중국의 BRICs 지역의 수요 증가 등을 고려하면 2050년까지 아연의 누적사용량은 현재 매장량의 몇배에 달할 것이라는 시산이 있다.


도쿄(東京)공업대학의 쓰루(水流徹) 교수팀은 알루미늄과 마그네슘, 실리콘을 혼합하여 아연을 대체할 수 있는 도금 재료를 개발했다. 잘 벗겨지지 않는 특성 등 강판(鋼板)과 잘 맞는지 여부는 앞으로 더 조사해 보아야겠지만, 녹을 방지하는 효과는 아연만큼 뛰어나다고 한다. JFE스틸과 도호쿠(東北)대학, 물질·재료연구기구 등과 협력하여 실용화를 꾀하고 있다.


녹을 방지하는 '내식성(耐食性)'과 도금 표면에 흠집이 생겼을 때, 철보다 아연이 더 먼저 녹아 철을 감싸서 부식을 방지하는 '희생방식특성(犧牲防食特性)'을 모두 실현했다. 아연을 대체할 도금 연구는 각 철강기업이 주력하고 있으나, 희생방식특성을 발휘하도록 하는 것이 어려웠다. 연구팀은 세 종류의 재료 혼합비율과 제작할 때의 온도를 연구한 다음, 세밀하게 성막하여 고성능을 실현했다.


쓰루 교수는 "차체의 골격 구조 등에 사용하는 고강도 강(鋼)의 열화 방지에서는 아연 도금보다 더 뛰어난 효과를 발휘할 것"으로 기대한다. 고강도 강은 물이 분해되면서 발생한 수소가 내부에 침입하면 강도가 약해지기 쉽다. 신재료를 사용한 도금에서는 수소 침입량이 아연 도금의 1/10 이하에 불과하다. 고강도 강의 열화를 탁월하게 방지할 수 있다면 자동차의 안전성 향상과 경량화에 도움이 된다고 한다.


자동차의 배기가스에서 유해물질을 제거하는 촉매에도 백금, 로듐(rhodium), 팔라듐(palladium)과 같은 희소금속이 다수 사용된다. 주석이나 질소산화물(NOx)에 대한 배출규제가 선진 각국에서 강화되고 있기 때문에 앞으로 사용량이 더 늘어날 것으로 보인다.


산업기술총합연구소와 미쓰이(三井)금속 등의 연구팀은 트럭이나 버스 등 대형 디젤자동차용 촉매를 개발하고 있다. 팀을 이끌고 있는 산총연의 하마다(浜田秀昭) 副연구센터 책임자는 "2013년까지 백금族 사용량을 50% 이상 줄이겠다"며 원대한 목표를 내세우고 있다.


배기가스 정화장치는 유해한 가스 성분을 개질(改質)하는 '산화촉매'와 주로 주석을 제거하는 필터로 구성되는데, 백금족 촉매는 이 두 가지에 다 사용된다. 연구팀은 백금에서 은으로 전환을 꾀하는 한편, 촉매에 첨가하는 금속이나 배기가스의 배출방법 등을 연구하여 효율을 높여, 사용량을 줄일 생각이다.


일본은 국내자원이 부족하여 수입 의존도가 높다. 세계적으로 금속이 고갈되면 그 영향도 지대하지만, 대체기술 개발로 앞서갈 수 있다면 미래의 산업 경쟁력 향상으로 이어진다. 자원 탐사나 폐(廢)가전에서의 금속 회수 기술 등과 함께 꾸준한 연구가 필요한 분야이다.


<출처> 田中深一郞(2010). “2030年への挑戰-稀少金屬の代替材”.『日經産業新聞』, 2010. 1. 26-27

Posted by TopARA

댓글을 달아 주세요

  1. 아무게 2014.05.17 16:35  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    희소금속의 희토류금속을 말 합니까? 그렴 희토류금속의 사용최소화 할수 있는
    대체할 신소재 개발한면
    우리지구적 환경에 어떤 도움의 된믿까?