“가족과 떨어져 외로웠지만, 연구는 실컷 했죠”

“가족과 떨어져 외로웠지만, 연구는 실컷 했죠”

[인터뷰] 김양수 기초연 순천센터 박사

 

차세대 에너지원으로 청정에너지가 거론되고 있다. 특히 리튬은 청정에너지원으로 일컬어지면서 그 중요성이 더욱 강조되는 원료로, 이를 추출하는 기술은 전 세계적으로 매우 중요하게 여겨지고 있다.

이런 가운데 국내 연구진이 바닷물에서 직접 리튬을 추출할 수 있는 기술을 개발해 관심을 끌고 있다. 한국기초과한지원연구원 순천센터의 김양수 박사팀이 고성능 리튬흡착제에 흡착된 리튬을 전기화학적 방법을 이용, 고순도 금속리튬으로 직접 회수하는 기술을 국내 최초로 개발한 것이다.

기술개발과 관련 김양수 박사는 “주말부부로 가족과 떨어져 지내며 얻은 성과”라고 우스갯소리를 섞었지만, 이를 통해 그가 얼마큼 연구에 매진했는지 알 수 있었다.

전기화학적 방법으로 리튬 직접 생산
김양수 박사가 개발한 기술은 해수(海水)와 염수(鹽水), 함수(鹹水)에 존재하는 리튬을 고성능 흡착제로 추출하고, 추출 시 리튬흡작체에 흡착된 리튬을 전기화학적 방법으로 금속리튬을 직접 회수하는 것이다. 이는 스마트폰에 장착된 배터리 충전원리와 매우 유사하다. 리튬을 함유한 흡착제와 니켈 금속을 평판 형태 전극으로 제조한 후, 평판형 전극은 물이 없는 유기 용액에 담그고 흡착제 전극은 플러스 단자에, 니켈 전극을 마이너스 단자에 연결한 후 두 개 전극 사이에 전압을 걸어주면 된다.

▲ 기초연 순천센터 김양수 박사 ⓒ기초연

“두 전극 사이에 전압을 걸어주면 흡착제 내부에 존재하던 리튬이 유기 용액 중으로 양이온의 형태로 빠져나가게 된다. 이렇게 빠져나온 리튬 양이온은 정전기적 인력에 의해 음극인 니켈 전극으로 이동, 니켈 전극 표면에서 금속리튬 형태로 석출된다. 니켈 금속과 리튬 금속은 화학적으로 서로 반응하지 않기 때문에 니켈 표면에 석출된 리튬 금속만을 용이하게 분리시켜 회수하는 것이 가능하게 된다.”

기존의 경우 리튬은 페그마타이트나 염수 용액에서 리튬광물을 추출해 제련과정을 거쳐 리튬화합물로 변화시켜 사용했다. 즉 리튬금속과 탄산리튬, 수산화리튬, 염화리튬, 산화리튬, 취화리튬 등으로 정련해 용도별로 사용한 것이다.

“육상 광물에서 생산되는 페그마타이트 등은 중국, 호주 등이 주산지고 염수에 기인한 리튬 화합물은 칠레, 아르헨티나, 볼리비아 등이 주산지다. 전략금속인 리튬은 자원편재성으로 남미국가나 중국, 호주 등에 분포돼 있어 자원 빈약국인 일본과 한국 등은 해수 중 용존된 리튬을 회수하는 기술을 개발할 수밖에 없는 것이 현실이다. 리튬 망간산화물로 이온체를 합성해 용존된 리튬을 회수하며, 회수된 리튬은 탄산리튬으로 합성해 회수한다. 우리 연구팀이 개발한 기술은 기존의 해수, 염수, 함수 등에 용존된 리튬을 회수할 때 탄산리튬으로 합성해 추출하는 방식에서 탈피, 전기화학적인 방법을 활용해 리튬 함유 흡착제로부터 비수용성 전해질 조건에서 고부가가치 금속리튬을 직접 생산할 수 있다는 점이 기존의 것과 가장 큰 차이다.”

기존에는 금속리튬을 생산하기 위해 통상 용융염 전해법을 사용했다. 이는 400 ℃ 정도의 고온에서 염화리튬과 염화칼슘 용융염을 전해해 금속리튬을 생산하는 방식이다. 하지만 이와 같은 공정은 양극에서 염소 가스 등이 발생하는 부식 환경이므로 생산성이 낮고 공정도 복잡해 단점으로 지적되곤 했다.

“이를 해결하기 위해 우리 연구팀은 전기화학적인 공정에 의해 금속 리튬을 회수함으로써 종래 리튬 회수 공정에서 사용되던 대형 내산성 수조 및 산용액, 액체 분리, 건조 등의 과정을 생략했다. 이에 따라 생산성이 증대되고 생산 원가도 대폭 저감할 수 있을 것으로 기대하고 있다.”

광물자원공사에 의하면, 2012년 전 세계적으로 합금용 금속 리튬은 이차 전지에 사용되는 리튬 수요와 비슷한 5천3백 톤인 것으로 나타났다. 연평균 증가율은 약 9.4%로 향후 차세대 에너지원으로서 금속 리튬이 매우 중요한 위치에 있음을 시사하고 있다. 이에 따라 미래에는 수요량이 더욱 증대될 것으로 추측되는 만큼 금속 리튬을 확보하는 기술은 매우 중요하게 여겨지고 있다.

300억 이상 수입 대체 기대
김양수 박사는 자타가 공인하는 국내 최초의 리튬흡착제 기술개발 연구자다. 교토대학에서 수학(修學)한 그는 2차 전지 활물질에 대한 전자상태계산을 전공, 해당 연구 결과로 일본 현지에서 리튬 흡작제 연구 그룹에 합류하기도 했다. 그렇게 3년 여에 걸쳐 일본 현지 전문가들과 해수리튬 흡착 연구 내용을 기초부터 전수받았고, 한국으로 돌아와 해당 연구에 본격적으로 몰입하기 시작한 것이다.

“한국에 와서 리튬흡착제와 리튬 2차전지, 리튬 관련 전자상태계산 등의 연구를 진행하는 와중에 이상로 박사가 리튬 농도가 해수보다 15배 이상 농축된 천일염 함수(짠물)를 가져왔다. 그 때부터 이 연구가 시작된 것이다. 개량된 리튬 흡착제를 통해 흡착량을 늘리는 데 성공했다. 흡착된 리튬을 탄산리튬으로 만드는 것은 이미 수십 년 전부터 알려진 기술이었기에 이 방법 외에 다른 방법으로 리튬을 회수하는 방법을 고민하다가 배터리의 충전 메커니즘을 이용해 금속리튬을 회수하는 방법을 찾아내게 됐다.”

이와 같은 배터리 충전 메커니즘으로 금속리튬 회수 방법을 찾아낸 것은 국내는 물론 세계 최초의 연구결과라고 할 수 있다. 특히 앞으로의 에너지 시장에서 리튬의 역할이 중요하게 부각되고 있는 만큼 이와 같은 결과는 국가 경쟁력 차원에서도 매우 유익하다고 볼 수 있다.

“리튬은 그간 휴대용 전자기기에 주로 사용됐지만, 최근에는 중대형 리튬이온전지로 형태가 진화하면서 전기자동차의 에너지저장 시스템 등으로 사용처가 계속 확대되는 추세다. 전기자동차용 2차 전지는 2020년에 1천억 달러 규모의 시장이 예상되고, 신재생에너지를 이용한 발전장치로부터 얻어지는 전력을 저장하는 에너지 저장시스템 시장 또한 수요가 촉진될 것으로 예측된다. 리튬은 2차전지에서 양극 활물질을 만드는 전략적 원소이며, 1차전지에서는 리튬 금속 자체가 음극소재로 사용되고 있다. 또한 항공기의 합금원료, 우울증 치료제, 고무 합성용 원료 등 수요처가 매우 다양하기 때문에 소재 자체가 중요하게 인식되고 있다.”

하지만 리튬은 자원의 편재성으로 인해 한국과 일본 등은 전량을 수입에 의존한 상태였다. 때문에 자원 보유국이 수출을 통제하면 수입국은 매우 심각한 타격을 입게 되고, 이는 자연히 국가 산업의 위기로 연결될 수밖에 없다.

“해당 재료를 100% 보유국에 의존하고 있다는 점이 연구의 필요성을 더욱 느끼게 했다. 현재는 전략 금속인 리튬을 전남도 전통산업인 천일염전에서 추출해 리튬 수입대체 및 어민의 수익성 향상에도 큰 역할을 했다고 평가받고 있다. 우리 연구팀의 기술은 국내 염전에서만 볼 수 있는 시설인 염전 해주에 보관된 함수에서 리튬을 고성능 흡착제로 흡착하고 리튬을 흡착한 흡착제를 비수용성 전해질 조건에서 제어하는 전기 화학법을 적용하고 있다. 전남도 천일염전에 적용할 경우 연간 6백 톤 정도 금속 리튬 생산이 가능하고, 300억 원 이상 수입 대체가 있을 것으로 기대되고 있다.”

김양수 박사는 이번 연구를 진행하며 육상선수가 기록 경신에 대한 부담을 느끼듯, 그와 같은 부담감이 있었다고 말했다. 원천기술을 갖고 있는 연구자인 만큼 결과물에 대한 부담보다, 이를 보다 빠른 시간 안에 확보해야 한다는 생각이 더 강했던 것이다. 더불어 지역에서 연구하는 과학자의 어려움도 이야기했다.

“내 근무 지역이 순천인 만큼 공동연구를 할 수 있는 기반이 부족했다. 토론이 필요할 때 토론을 할 수 있는 시스템이 아니었다. 예산도 인원도 중앙에 집중되어 있어 연구 진행의 유연함이 아쉽긴 했지만 공동연구자인 정순기 교수가 천안에서 먼 길을 마다않고 와줘 매우 고마웠다.”

일반적으로 연구책임자는 아이디어를 제공하고, 실질적인 연구는 팀원들이 움직이는데 여건상 김양수 박사는 자신이 직접 실험기구를 만지고 식기까지 세척하며 지내야 했다. 김 박사는 “가족과 떨어져 주말부부로 살기 때문에 외롭기도 했지만 그 때문에 연구에 집중할 수 있던 것 같다. 문득문득 이 나이에 식기세척까지 해야 하나 싶었지만 결국 리튬흡착제에 관한 모든 아이디어와 실험을 직접 처음부터 다뤘기 때문에 결과에서 생기는 문제들을 다루는데 쉬웠던 것 같다”며 연구 당시를 회고하기도 했다.

일본에 있을 때 기술을 전수해 준 한 연구자의 “하루에 하나씩만 하라”는 조언을 마음에 두고 연구를 진행했다는 김양수 박사. 그는 자신 앞에 놓인 숙제를 하나하나 풀어간다는 마음으로 지금에 이르게 됐다고 말했다.

“앞으로도 어떤 일이 일어날지 모르지만 하나씩 하나씩 풀어가고 싶다. 추후 산·관·연이 연합으로 국가전략산업인 희소금속 회수를 진행하는 데 도움을 주고 싶다. 처음으로 해수에서 리튬을 흡착하는 연구를 했던 일본 산업기술종합연구소 오오이 켄타 박사님이 리튬흡착제에 관련한 총론을 집필했는데, 고맙게도 나에게 출판권을 넘겨줘 한국에서 조만간에 이 책을 출판할 것 같다. 한국에서 희소금속 연구에 관련한 연구를 하는 기술자, 연구자들에게 도움이 되는 과학자가 되고 싶다.”

국내 희소금속 연구에 독보적인 위치를 갖고 있는 김양수 박사. 앞으로 그의 연구를 계속 기대해본다.

황정은 객원기자 | hjuun@naver.com 저작권자 2013.01.21 ⓒ ScienceTimes