화학저널

그린금속에 대한 관심이 높아지고 있다.
그린금속은 전기자동차(EV)와 반도체 시장에서 수요가 증가할 것으로 기대되고 있으며 일본 산업계가 2024년이 그린금속 원년이 될 것으로 기대하고 도입에 속도를 내는 것으로 알려졌다.
국내에서는 포스코가 100% 수소환원제철 상용화를 추진하고 있으며, 일본에서는 비철금속 생산기업들이 잇따라 주력제품인 구리 뿐만 아니라 그린화 납과 주석을 출시하고 있다. 먼저 사업화한 알루미늄(Aluminium)은 용도 확대가 진행 중이다.
생산기업들이 독자적인 프로세스와 관리기법을 적용한 매스밸런스 방식을 채용해 제3자 인증을 획득하고 신뢰도를 높이고 있는 가운데 그린금속 보급 확대를 위해 전체 공급망에서 코스트를 부담할 필요성과 원료인 리사이클 소재 회수 확대가 신규 프로세스 개발 과제로 거론되고 있다.

매스밸런스, 그린금속 생산에 적용
그린금속은 매스밸런스 방식을 활용한 생산이 주류를 이룰 것으로 예상된다.
매스밸런스 방식은 소재 제조공정에서 기점이 되는 원료의 물질량을 출구인 최종제품의 물질량에 할당하는 개념이다. 매스밸런스 방식을 활용하면 리사이클 소재와 재생가능 에너지 베이스 전력으로 생산하는 신규 잉곳 등 그린원료 투입비율에 따라 완성품 일부를 그린금속으로 간주할 수 있다.
구리는 구리정광에 포함되는 유황분 및 철분과 산소농도 75-80% 산소부화 공기의 반응열을 이용하는 자용로에서 전로(컨버터), 정제로에서 생산한 조동을 전해정련해 순도 99.9% 이상의 전기구리로 생산한다.
최근 자용로에서 처리하는 양이 증가하고 구리정광 품질이 낮아지면서 열 잉여 상태에 도달하는 등 열 제어가 과제로 부상함에 따라 구리광석에 열 제어용 냉재로 폐전선 및 폐인쇄회로기판(PCB), 구리 스크랩 등 리사이클 베이스 원료를 투입함으로써 열을 제어하는데 냉재로 투입하는 리사이클 소재 비율을 매스밸런스로 적용할 수 있다.
알루미늄도 마찬가지로 재생에너지 베이스 전력을 통해 생산한 알루미늄 잉곳과 스크랩 리사이클 소재 등 그린원료 사용비율을 매스밸런스 방식으로 할당한다.

EV·반도체, 그린금속 수요 증가
그린금속 수요는 중장기적으로 증가할 것으로 예상된다.
전기구리는 우수한 전기전도율과 가공성이 특징으로 최첨단 자동차용 전장부품 및 반도체 배선과 도금합금 용도에서 사용량이 증가하고 있으며, 알루미늄은 전기자동차 주행성능 개선을 위한 경량부품 분야에서 채용이 확대되고 있다.
닛산자동차(Nissan Motor)는 2030년까지 모든 알루미늄 부품을 그린소재 또는 리사이클 소재로 전환하는 계획을 발표한 바 있다.
반도체는 자동차용 이상으로 그린금속 니즈가 확대될 것으로 전망되는 시장으로 평가된다. 반도체는 제조공정에서 대량의 전력과 물을 사용하기 때문에 반도체 생산기업은 친환경에 매우 민감한 편이다. 
원료부터 자재, 제조장비용 알루미늄 후판 등 반도체 밸류체인 전체가 리사이클 소재 사용을 요구받는 것으로 파악된다. 원료 뿐만 아니라 제조부품 및 반도체 제조장비용 소재 등에도 리사이클 소재를 문의하는 사례까지 있는 것으로 알려졌다.
리사이클 소재 적용은 2030년 이후로 예상되며 관련기업이 연구개발(R&D)을 진행하고 있다.

그린금속, 저코스트화 시작으로 상용화 과제 산적
그린금속 상용화의 저해요인으로는 코스트가 1순위로 거론된다.
그린금속은 리사이클 소재 회수 및 선별공정이 추가돼 아직은 신규 잉곳 베이스 금속제품 대비 코스트가 높게 나타나고 있다.
재생에너지 베이스 전력을 사용해 생산한 신규 잉곳조차 세계적으로 수요가 급증하면서 시장가격 이상으로 거래되는 것으로 파악된다. 
그러나 메탈가격은 시황의 영향을 받기 때문에 리사이클 금속의 가치를 반영하기가 어려운 것으로 평가된다.
비철금속 생산기업은 최종소비자와도 협의해 공급망 전체의 코스트 부담을 제안할 방침이다. 
폐전자기판, 배터리 등 리사이클 원료 회수 확대도 과제이다. 
비철금속 생산기업들은 내수 시장 뿐만 아니라 아시아, 북미, 유럽에 집하기지를 건설하고 글로벌로 회수 확대를 추진하고 있다. 일본은 알루미늄 스크랩 소재가 연평균 40만톤 이상 해외로 유출되는 것으로 추정되며 관련협회 등을 통해 자국에서 활용하는 양을 확대할 방침이다.
리사이클 소재 사용비율 확대를 위한 새로운 제조기술 개발도 요구되고 있다.
구리는 리사이클 소재 사용비율 향상을 위해 구리정광을 대체하는 열원을 확보해야 한다. 현재 제련 프로세스는 한계가 있는 것으로 평된다.
알루미늄은 망간(Mn), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등 첨가금속을 사용하고 있어 합금 종류가 다양해 알루미늄 합금을 공급망 안에서 순환시키는 수평 리사이클을 달성하기 위한 정밀 회수·선별공정의 필요성이 커지고 있다.

포스코, 2030년까지 수소환원제철 상용화
포스코(대표 장인화·정기섭)는 2030년까지 수소환원제철 기술 하이렉스(HyREX) 상용화를 추진한다.
철은 고로에 철광석과 석탄을 넣어 섭씨 1500도 이상의 열로 녹이면서 철광석에서 산를 떼어내 생산하는데 철광석에서 산소를 떼어내는 환원 반응에서 이산화탄소(CO2)가 다량 발생하는 문제가 있다.
이에 글로벌 철강 생산기업들은 이산화탄소를 발생시키지 않는 무탄소 철을 가장 빠르고 경제적으로 생산하기 위한 기술 개발 경쟁을 벌이고 있다.
포스코는 1992년부터 쇳물 생산 시 수소 25%를 사용하는 저탄소 파이넥스(FINEX) 기술 개발을 시작했으며, 수소 사용비율을 100%로 개선한 것이 수소환원제철 공정인 하이렉스이다.
철광석에 석탄이나 천연가스 등 화석연료 대신 수소(H2)를 투입해 산소를 떼어내는 환원 반응과 철광석을 녹이는 용융 반응을 일으키면 쇳물을 생산할 때 이산화탄소 대신 물이 나오는 그린철강이 가능하다.
하이렉스 공정은 4개의 유동환원로와 전기용융로(ESF: Electric Smelting Furnace)로 이루어진다.
포스코는 2024년 6월 포항제철소에서 ESF 시험 설비를 처음 공개했다. 시험설비는 4월 처음으로 쇳물을 뽑아낸 것으로 알려졌다.
직접환원철(DRI: Direct Reduced Iron), 환원제, 부원료 등 3가지 원료를 배합해 전기로에 투입하며, 전기로에서 원료가 녹으면 섭씨 1500도의 쇳물이 된다. 
ESF 시험설비는 1회 가동으로 시간당 1톤의 쇳물을 뽑아내는데 24시간 내내 4시간 간격으로 쇳물을 생산해 일평균 20-24톤의 쇳물을 생산할 수 있다.
기존 제철공정은 쇳물 1톤당 이산화탄소 2.05톤을 배출하는 반면 하이렉스 공법으로 그린수소 작업을 하면 이산화탄소 배출량을 제로에 가깝게 줄일 수 있다.
100% 수소 환원로는 세계적으로 아직 상용화되지 않았으며 기술적 과제 외 코스트 문제도 해결해야 한다. 
수소환원제철은 석탄을 사용하는 기존 제철공정보다 상대적으로 고가인 수소를 사용하기 때문에 30%가량 생산 코스트가 높은 편이다.
고압의 전기와 수소도 생산공정의 코스트를 높이지만 포스코는 하이렉스가 탄소중립 시대 국가 경제안보의 핵심축이 될 것으로 기대하고 철강산업의 탄소중립을 현실화해 미래 시장을 공략할 방침이다.

JX금속, 100% 리사이클 전기구리 공급 임박
일본 JX금속(JX Nippon Mining & Metals)은 곧 100% 리사이클 전기구리를 공급할 예정이다.
JX금속은 수요기업으로부터 회수한 폐구리 등으로 생산하는 PCL100/mb와 JX금속그룹이 시중에서 회수한 리사이클 원료를 사용하는 MR100/mb 등 2종의 리사이클 전기구리를 2024회계연도(2024년 4월-2025년 3월) 안에 판매할 계획이다.
PCL100/mb와 MR100/mb 모두 매스밸런스 방식을 채용했으며 CoC(Chain of Custody) 관리체제를 확립하고 제3자 인증 취득을 추진하고 있으며 2024년 7월 DNV(DNV Business Assurance) 일본법인으로부터 타당성을 확인받은 것으로 알려졌다.
JX금속은 2040년까지 리사이클 원료 비율 50% 이상을 달성할 예정이다.
다만, 현재 25% 수준인 리사이클 원료 비율이 높아질수록 특정한 단계에서 현행 프로세스는 한계에 달할 것으로 판단하고 구리정광 사용비율 저하의 영향으로 부족해질 열원을 그린화하는 등 신규 제련 프로세스 개발을 추진하고 있다.
또 리사이클 소재 회수 확대를 위해 지금까지 리사이클이 어려웠던 폐전선 전처리 기술을 확립해 리사이클 원료 비율 향상을 유도할 방침이다.
JX금속은 100% 리사이클 전기구리의 잠재적인 니즈를 포착하고 시장 창출과 상용화에 속도를 내기 위해 업종 횡단형 프로젝트 Cu again을 추진하고 있다.

SMM, 전기구리 다음은 니켈 그린화
일본 스미토모금속(SMM: Sumitomo Metal Mining)은 전기구리 Green Copper를 2024회계연도에 출시할 계획이다.
SMM은 탄소발자국을 베이스로 온실가스(GHG) 배출량, 감축량을 할당하는 매스밸런스 방식을 채용하고 있으며, 구리 제련 뿐만 아니라 업스트림인 구리광산 활동을 포함한 공급망 전체의 저탄소화를 추진하고 있다.
SMM의 그린금속 사업화 1호가 될 예정인 Green Copper 브랜드는 탄소발자국이 기존제품 대비 25% 이상 작은 것으로 알려졌다. 
또 리사이클 베이스 잉곳 사용 뿐만 아니라 100% 재생에너지 베이스 전략으로 가동하는 칠레 Quebrada Blanca(QB) 구리광산으로부터 조달하는 광석까지 그린원료에 포함시키면 그린원료 비율을 끌어올릴 수 있다.
SMM은 Green Copper를 사업화하면서 국제표준화기구(ISO) 14067: 2018과 일본 경제산업성과 환경성이 발행한 탄소발자국 가이드라인에 따라 원료 조달부터 출하까지 포함한 전기구리 1킬로그램을 생산하는 동안 배출하는 온실가스를 산출했다. 
탄소발자국 산출 결과와 유통과정 관리는 제3자 기관의 인증을 취득할 예정이다.
아울러 SMM은 그린니켈을 사업화 2호로 검토하고 있으며 Green Copper 사업화를 통해 확보한 노하우와 관리기법을 응용해 2025회계연도부터 추진할 새로운 중기경영계획을 검토하고 있다.

MMC. 그린금속 라인업 늘려 첨단산업 대응
일본 미츠비시머터리얼(MMC: Mitsubishi Materials)은 주석과 납을 그린화할 계획이다.
미츠비시머터리얼은 2023년 설립한 리사이클 금속 브랜드 REMINE으로 리사이클 소재 합유율 100% 전기주석과 99.6% 이상인 전기납을 공급할 예정이다.
일찍부터 리사이클 원료에 특화된 제련사업으로 전환했으며 주석은 1987년부터, 납은 1994년부터 리사이클 원료 베이스로 공급하고 있다.
아울러 브랜드화에 임해 ISO14021(JIS: 일본공업규격 Q14021)에 기반해 리사이클 소재 함유율을 산출하고 제3자 기관이 관리기법을 인증함으로써 신뢰성을 확보했다.
전기납의 주력 용도인 납 2차전지는 세계적으로 리사이클 규제 대상에 포함되고 있다. 
실제로 2023년 8월 발효된 유럽연합(EU) 배터리 규칙은 자동차용 납 2차전지의 리사이클 소재 최저이용 기준 초기치를 85%로 설정한 바 있다.
미츠비시머터리얼은 앞으로 세계적인 확대가 예상되는 리사이클 배터리 소재 시장에 REMINE 브랜드로 전기납을 공급하고, 고순도화가 요구되는 전자 디바이스 소재용 전기주석 시장에는 99.995% 이상의 고순도 라인업을 반도체 관련을 중심으로 공급할 방침이다.
미츠비시머터리얼은 2024회계연도에 리사이클 광종을 2배 이상으로 확충할 계획이다.
신규 광종으로는 폐전자기판 등 전자폐기물(E-스크랩)로부터 회수한 귀금속과 백금족 등을 상정하고 있으며 전기주석·납 사업으로 확립한 관리기법을 확대 적용할 방침이다.
미츠비시머터리얼은 광종별로 마케팅을 추진하는 과정에서 증가하는 리사이클 소재 수요를 실감하고 있을 뿐만 아니라 니즈가 강력한 화합물로 사업을 확대하는 방안도 고려해 체제정비를 추진할 계획인 것으로 알려졌다. (윤우성 선임기자: yys@chemlocus.com)