탄소 대신 황화로 금속 제련, 오토쿰푸 파일럿

베서머 공정, 자용로 제련(플래시 제련), 전기 아크로, 연속주조. 금속 산업의 판도를 바꾼 기술을 꼽으라면 목록은 금방 채워진다. 광석에서 금속을 갈라내는 화학 쪽은 사정이 다르다. 설비는 커졌고 제어 시스템은 똑똑해졌지만, 핵심 금속 대부분은 지금도 몇 세대 전 금속공학자가 봐도 낯설지 않을 경로로 만들어진다. 스테인리스강 기업 오토쿰푸(Outokumpu)가 이 전제를 다시 따지는 기술 플랫폼 ‘EvoMaterials’를 개발하고 있다고 MIT 테크놀로지 리뷰가 소개했다. 출발점은 크롬이다. 이 사례를 따라가 보면 제련 방식이 왜 탄소 배출과 공급망 안보라는 두 문제에 동시에 걸리는지가 보인다.

탄소가 산소를 가져가는 방식, 한 세기 넘게 제련의 기본값

자연 상태의 금속은 대부분 순수한 덩어리가 아니다. 산소 같은 원소와 단단히 결합한 광물로 존재한다. 쓸 수 있는 금속을 얻으려면 이 결합을 끊어야 한다. 가장 오래되고 널리 쓰이는 방법이 탄소 환원이다. 광석과 탄소를 함께 넣고 고온으로 가열하면 탄소가 산소를 빼앗아 일산화탄소나 이산화탄소가 되어 빠져나가고, 그 자리에 금속이 남는다.

크롬도 같은 경로를 밟는다. 주원료인 크로마이트는 크롬·철·산소로 이뤄진 광물이다. 이것을 탄소와 함께 전기로에서 녹이면 크롬과 철이 한꺼번에 환원된 합금이 나오는데, 이것이 페로크롬이다. 스테인리스강에 크롬을 넣을 때 쓰는 핵심 원료다.

이 방식의 한계는 구조에서 나온다. 이산화탄소는 연료를 태울 때만이 아니라 환원 반응 자체에서도 생긴다. 전력을 재생에너지로 바꿔도 반응식 안의 탄소는 그대로 남기 때문에, 전원을 바꾸는 것만으로는 페로크롬 생산의 탈탄소가 끝나지 않는다. 고온을 유지하는 데 드는 에너지도 막대하다. 금속 일부는 찌꺼기(슬래그)로 빠져나가 손실되고, 원치 않는 부산물도 생긴다. 광석 품위가 낮으면 문제가 더 커진다. 같은 양의 금속을 얻는 데 원료와 에너지가 더 들어 경제성이 크게 떨어진다. 지난 수십 년간 금속공학의 혁신이 수율, 에너지 효율, 공정 제어 개선에 몰린 이유가 여기 있다. 바탕 화학은 그대로 두고 그 틀 안에서 효율을 짜내는 작업이었다.

오토쿰푸에서 추출 금속공학 기술 디렉터를 맡은 카스파르 스틴은 출발점을 바꿨다. 기존 제약에 얽매이지 않고, 그동안 쌓인 과학·공학 지식과 지나고 나서야 보이는 교훈을 바탕으로 이 일을 하는 가장 좋은 방법을 근본부터 다시 따져보겠다는 것이다. 그가 내건 목표는 “금속 생산을 다시 상상하는 것”이다.

크롬 제련이 공급망 안보 문제로 번진 배경

경제가 커지고 전기화가 진행될수록 데이터센터, 항공우주, 수처리, 에너지 시스템, 국방 분야에서 여러 광물의 수요가 늘어난다. 각종 데이터와 과학적 모델이 같은 방향을 가리킨다. MIT 금속공학과 앙투안 알라노르 교수는 이 흐름이 공교롭게도 많은 서방 경제권이 바로 그 산업들이 의존하는 금속의 자국 내 가공 능력을 줄여온 시기와 겹친다고 지적한다. 수요는 늘었는데 가공 거점은 줄어든 상황이다.

그래서 제련은 전략 산업이 됐다. 20세기에는 원가와 조달 가능성이 주된 기준이었지만, 지금은 탄소발자국, 원산지, 공급망 회복력까지 함께 따진다. 크롬은 이 압박을 특히 크게 받는 금속이다. 고온과 극한 환경을 견뎌야 하는 항공우주 시스템과 발전 설비, 부식에 강해야 하는 기반 시설, 국방 기술에 크롬 기반 소재가 들어간다. 성능 요구가 까다로워 다른 소재로 쉽게 바꿀 수 없는 용도가 많고, 그만큼 공급이 흔들릴 때의 부담도 크다.

오토쿰푸가 운영하는 핀란드 케미 광산은 유럽연합(EU)의 유일한 크롬 광산이다. 서방권 전체로 넓혀도 몇 안 되는 크롬 광산 가운데 하나다. 광석이 있어도 그것을 금속으로 바꾸는 기술과 설비가 경쟁력을 잃으면 공급망의 약점은 해결되지 않는다. 소재 기술 문제처럼 보이지만 실제로는 공급망 문제라는 해석이 나오는 근거다. EU 역내 유일한 크롬 광산을 가진 회사가 제련 화학 자체를 다시 설계한다는 점에서, 이 프로젝트를 원가 절감 시도 정도로 보기는 어렵다. 다만 수치 하나는 구분해서 읽어야 한다. 오토쿰푸는 업계 평균보다 탄소발자국이 67% 낮은 페로크롬을 생산한다고 밝히고 있다. 이 수치는 기존 생산 방식에 관한 것이고, 새 플랫폼의 성과와는 별개다.

황화 공정, 금속마다 다른 황 결합 조건을 이용한다

EvoMaterials는 황화(sulfidation) 기반 공정 연구에서 시작됐다. 처음 목표는 페로크롬 생산의 탄소 배출을 줄이는 것이었고, 개발은 2021년 미국에서 케미 광산의 크로마이트를 대상으로 시작됐다. 황화는 금속 화합물을 황과 반응시켜 황화물로 바꾸는 화학 반응이다. 금속마다 황과 결합하는 조건이 다르다는 점이 핵심이다. 이 차이를 이용하면 여러 금속이 섞인 원료에서 원하는 금속만 골라 형태를 바꾸고 나머지와 갈라낼 여지가 생긴다. 탄소로 산소를 한꺼번에 떼어내 크롬과 철이 합금으로 함께 나오는 기존 방식과는 출발점부터 다르다.

알라노르 교수는 이 기술을 “물질에서 금속 원소를 분리하는 새로운 응용”이라고 부른다. 기존 분리는 탄소와 에너지를 많이 쓰는 방식이었지만, 새 방법은 다른 화학 환경을 만들어 손실과 원치 않는 부산물을 줄이면서 더 효율적으로 금속을 뽑아낸다는 설명이다. 실험실 규모 시험에서는 배출 감축 말고 다른 가능성도 확인됐다. 저품위 자원과 산업 부산물(사이드 스트림)에서 유가 금속을 회수할 수 있다는 점이다. 폐기물로 취급하던 자원에서 핵심 소재를 얻게 되면 같은 광산, 같은 공장에서 뽑아낼 수 있는 가치의 총량이 늘어난다. 사업 측면에서는 탄소 감축 못지않게 중요한 부분이다. 저품위 광석에서 경제성이 무너진다는 것이 탄소 환원의 약점이었기 때문이다.

오토쿰푸는 이 기술을 새로운 공정 화학과 자체 금속공학 전문성을 결합한 독자 기술로 설명한다. 공개된 설명을 기준으로 두 방식을 나란히 놓으면 다음과 같다.

크롬은 첫 적용 대상, 설계 목표는 여러 금속에 쓰는 플랫폼

EvoMaterials에서 기술적으로 눈여겨볼 부분은 단일 공정이 아니라 기술 플랫폼으로 설계됐다는 점이다. 알라노르 교수는 이를 다른 산업의 플랫폼 기술에 빗댄다. 과학적 돌파구 하나가 여러 갈래의 후속 응용으로 이어지는 구조다. 한 소재 체계에서 새로운 추출 경로를 완성하면 같은 과학 원리를 전혀 다른 금속과 광물 자원에 맞게 고쳐 쓸 수 있다. 크롬은 첫 적용 대상이자 출발점이라는 뜻이다. 그는 “잠재적 영향은 처음 시작한 개발 범위보다 훨씬 넓을 수 있다”고 말한다.

이 확장성은 니켈, 크롬, 몰리브덴처럼 첨단 제조에 필요한 전략 소재를 안정적으로 확보하려는 산업에 의미가 크다. 사업 모델도 달라진다. 독자 공정 기술을 가진 소재 기업은 금속을 생산해 파는 것 외에 지식재산과 과학적 전문성으로도 가치를 만들 수 있다. 오토쿰푸는 개발 과정에서 MIT로부터 비독점 특허 라이선스를 일부 지원받았다. 비독점 라이선스는 특허권자가 같은 특허를 다른 곳에도 허락할 수 있는 계약 형태다. 기반 특허만으로는 배타적 우위를 지키기 어려운 구조다. 오토쿰푸가 이 기술을 ‘공정 화학과 독자 노하우의 결합’으로 강조하는 것도, 경쟁력이 기반 특허보다 그 위에 쌓은 공정 경험에서 갈린다고 보기 때문으로 읽힌다.

연구 방식도 달라졌다. 이 플랫폼은 화학, 재료과학, 물리학, 계산 모델링, 공학이 만나는 지점에 있다. 스틴은 MIT에서 재료과학·공학 박사 학위를 받으며 저탄소 금속 공정과 재활용 기술을 연구했다. 그는 “과학은 예전보다 훨씬 학제적이 됐고, 분야 간 협업이 새로운 과학적 기회를 드러낸다”고 말한다. 시뮬레이션 도구와 AI는 유망한 방향을 좁혀준다. 그래도 발견은 여전히 실험실에서 반응을 직접 돌려보는 작업에서 나온다. AI가 후보를 고르는 속도를 높여도, 금속을 실제로 분리해내는 검증까지 대신하지는 못한다.

크롬·니켈을 수입하는 한국 소재 산업에 미칠 영향

EvoMaterials는 아직 파일럿 이전 단계의 기술이다. 국내 소비자가 단기간에 체감할 변화는 없다. 스테인리스 주방용품이나 가전 외장재 가격이 이 기술 때문에 움직일 단계도 아니다. 아래는 상용화가 진행될 경우를 가정한 추측이다.

• 원료 조달처 선택지(추측): 한국 스테인리스·특수강 업계는 크롬과 니켈 원료 대부분을 해외에서 들여온다. 서방권에서 저품위 광석이나 부산물로 크롬을 뽑는 생산이 늘면 고를 수 있는 산지가 그만큼 넓어질 수 있다.
• 저탄소 원료 수요(추측): 수출 제품의 원료 단계 탄소 배출을 따지는 흐름이 강해질수록 탄소발자국이 낮은 페로크롬 같은 원료는 가격과 별개로 구매 기준이 된다. 유럽 시장에 제품을 파는 국내 기업이 이 기준의 영향을 먼저 받을 가능성이 크다.
• 산업 부산물 활용(추측): 국내 제철·비철 공장에서도 금속을 품은 부산물이 나온다. 이 기술이 라이선스 형태로 열린다면 국내 부산물도 회수 대상이 될 여지가 있다.
• 배터리 소재와의 연결(추측): 니켈은 배터리 양극재의 핵심 원료다. 플랫폼을 확장할 금속으로 니켈이 함께 거론되는 만큼, 확장이 현실화되면 국내 배터리 소재 공급망과도 접점이 생긴다.

확인된 것과 아직 불확실한 것

확인된 것

• 오토쿰푸가 금속 추출 기술 플랫폼 EvoMaterials를 개발하고 있다.
• 출발점은 페로크롬 생산의 탄소 배출을 줄이기 위한 황화 기반 공정 연구다.
• 개발은 2021년 미국에서 핀란드 케미 광산의 크로마이트를 대상으로 시작됐다.
• MIT의 비독점 특허 라이선스가 개발을 일부 뒷받침한다.
• 실험실 규모 시험에서 저품위 자원·산업 부산물로부터 유가 금속을 회수할 가능성이 나왔다.
• 미국 뉴햄프셔 파일럿 플랜트가 2027년 상반기 가동을 목표로 하며, 실험실 규모를 1톤 규모 생산으로 확대한다.

아직 불확실한 것

• 새 공정의 에너지 사용량과 탄소 감축 폭
• 반응 원료·온도 등 세부 공정 조건과 황 처리 방식
• ‘1톤 규모 생산’의 기준 단위(일·연간·회분)
• 기존 탄소 환원 제련 대비 생산 원가
• 파일럿 이후 상업 플랜트의 규모와 일정
• 니켈·몰리브덴 등 다른 금속으로의 적용 시점
• 외부 기업 대상 기술 라이선스 여부와 조건
• 회사 외부 기관의 독립 검증 결과

제련 기술 발표가 상업 생산까지 갈지 가늠하는 네 가지 기준

제련 방식을 바꾸겠다는 발표는 금속·소재 분야에서 잊을 만하면 나온다. 실험실 성과가 상업 생산까지 이어질지는 다음 네 가지를 차례로 확인하면 어느 정도 가늠할 수 있다.

1. 개발 단계: 실험실, 파일럿, 실증, 상업 플랜트 가운데 어디까지 왔는지부터 본다. 실험실에서 잘 되던 반응도 규모를 키우면 열 관리, 원료 편차, 설비 내구성 같은 변수가 새로 생긴다. EvoMaterials는 실험실 시험을 마쳤고, 다음은 뉴햄프셔 파일럿 플랜트에서 1톤 규모 생산을 검증하는 단계다.
2. 탄소 수치의 기준: 제시된 감축 수치가 기존 제품 기준인지 새 공정 기준인지 구분한다. 오토쿰푸가 내세우는 67%는 기존 페로크롬 생산에 관한 수치이므로 새 공정의 성과로 읽으면 안 된다.
3. 원료 범위: 고품위 광석에서만 작동하는지, 저품위 자원과 산업 부산물까지 다루는지 확인한다. 범위가 넓을수록 경제성이 없던 자원이 공급원으로 바뀌고 공급망에 미치는 영향도 커진다.
4. 기술 확산 구조: 한 회사가 자기 공장에서만 쓰는 기술인지, 라이선스로 다른 금속과 지역에 퍼질 수 있는 플랫폼인지 본다. 성능이 같아도 확산 구조에 따라 공급망을 바꾸는 범위가 달라진다.

네 기준 가운데 원료 범위와 확산 구조에서 EvoMaterials는 방향을 분명히 내놓았다. 생산 원가는 아직 숫자로 제시되지 않았다. 기존 탄소 환원 제련과의 원가 비교는 파일럿 플랜트 운전 데이터가 쌓여야 가능하다. 지속가능성, 자원 효율, 공급 안정성, 경제성을 하나의 기술 구조 안에서 함께 달성하겠다는 오토쿰푸의 목표가 성립하는지도 그 숫자로 판가름 난다. 첫 운전 데이터가 나올 곳은 2027년 상반기 가동을 목표로 한 뉴햄프셔 파일럿 플랜트다.

출처: MIT Tech Review AI

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