[생활속 과학이야기] 자원의 순환과 재탄생을 통한 신소재 개발

정인철 한국지질자원연구원 선임연구원

우리나라는 자본과 자원이 거의 없는 여건에서 세계에 유례가 없을 정도로 빠르게 경제 성장을 이루어냈다. 그리고 현재 스마트폰, 반도체, 자동차, 조선, 철강, 화학 등 여러 중요한 산업에서 세계적인 경쟁력을 갖추고 있다.

그러나 자원 자급률이 매우 낮아서 자원 위기가 발생했을 때 자체적으로 통제할 수 있는 능력은 여전히 부족한 실정이다. 그러므로 자원을 효율적으로 활용하는 것이 자원공급망 구축에 중요한 역할을 할 것으로 전망한다.

산업이 발전함에 따라 발생하는 폐자원은 증가하고 있으며, 유례없는 팬데믹이 이를 가속했다. 국제 이니셔티브 및 글로벌 기업들은 이에 대한 심각성과 재활용의 필요성을 느끼고 움직이기 시작했다. 유럽연합(EU)은 과일과 채소에 사용되는 비닐, 호텔 내 어메니티 등 일회용 플라스틱 포장 형태를 규제하고 있다. 또한, 소비자의 개인 용기에 제품을 포장해 갈 수 있도록 선택지를 장려하고 있으며, 제품을 재사용하고 재활용하는 것을 증진하려는 노력이 계속되고 있다.

지난 2020년 도쿄올림픽의 주요 안건 중 하나는 친환경적이고 지속 가능한 올림픽을 개최하는 것이었으며, 수여된 모든 메달은 버려진 휴대전화, 노트북 등의 전자제품들에서 재활용된 금속으로 제작되었고, 올림픽 성화는 재활용된 알루미늄으로 만들어졌다. 이렇듯 전 세계적으로 자원을 재사용 및 재활용하여 순환시키는 노력이 지난 어느 때보다 중요하게 부각되고 있다. 우리나라도 2016년 자원순환기본법이 제정되어 폐기물 매립에 대한 환경 부담금을 가중하였다. 자원과 에너지 소비를 줄임으로써 환경을 보전하려는 노력을 지속해서 해오고 있으며, 더 나아가 자원 순환 사회를 구축할 수 있는 폐자원 활용 기술을 개발하고 있다.

이러한 와중에, 최근 국내에서 미세먼지에 의한 문제가 대두되고 있는데 그 원인 중 하나로 잘 알려진 질소산화물의 무해화를 통한 미세먼지 저감을 위해서 설치하는 탈질 촉매의 양이 증가하고 그 교체 주기가 짧아지고 있다. 하지만 탈질 촉매는 사용 이후에 수명을 다하게 되면, 땅에 매립하게 되는데, 문제는 이 과정에서 고부가가치 금속들이 버려질 뿐만 아니라 토양오염이 발생한다는 점이다.

한국지질자원연구원(KIGAM)은 국가과학기술연구회(NST)에서 지원하는 창의형 융합연구사업을 통해, 탈질 폐촉매를 순환하여 재탄생시킴으로서 고부가가치 신소재를 개발하고 있다.

KIGAM은 탈질 폐촉매에 함유된 유가금속인 바나듐을 침출해 분리정제 과정을 거쳐 고순도의 금속화합물로 회수하는 기술을 바탕으로 이차원 소재인 바나듐 탄화물 기반 맥신(MXene) 신소재를 개발해 차세대 이차전지에 활용하는 연구를 수행 중이다.

맥신은 다른 이차원 소재인 그래핀(graphene) 보다 높은 전기전도도를 가지고 있으며, 넓은 비표면적으로 인한 이온흡착능이 우수해 전기화학 분야에서 주목받는 신소재로 대두되고 있다. 그러나 맥신의 우수한 특성에도 불구하고 활용되는 원료가 고가이며 전량 수입에 의존하고 있으므로, 자원 순환을 통한 맥신 제조 및 활용 기술 연구가 가격 경쟁력을 향상할 수 있을 것으로 전망한다.

자원 공급망이 국가 산업의 경쟁력이자 국가 간 전략무기로도 사용되는 글로벌 경쟁 시대에서, 버려지고 미활용되는 자원을 재사용 및 재활용하는 기술 개발은 국가 산업 경쟁력을 높이며 첨단 산업의 안정적인 성장 동력을 제공할 것으로 기대한다.

정인철 한국지질자원연구원 선임연구원