Special  우주항공 등 극한환경 대응 고내열 코팅 및 복합재 기술개발 동향(1)

고순도 마그네슘 제조를 위한 진공증류 공정 개발

최 상 훈_ 고등기술연구원 융합소재연구센터 선임연구원

김 호 병_ 고등기술연구원 융합소재연구센터 선임연구원

소 윤 지_ 고등기술연구원 융합소재연구센터 선임연구원

1.  서론

마그네슘(magnesium, Mg)은 지각 중 존재량이 2.09 %(8위)에 해당하는 풍부한 금속 원소로, 알루미늄 8.13 %(3위), 철 5.00 %(4위)에 이어 구조용 금속 중 세번째로 풍부하다 . 특히 마그네슘은 1.738 g/㎤의 낮은 밀도를 지녀 알루미늄(2.70 g/㎤)의 약 64 %, 타이타늄(4.50 g/㎤)의 약 38.6 %, 철(7.874 g/㎤)의 약 22 % 수준에 불과하며, 이는 금속 중 가장 낮은 값이다. 이처럼 밀도가 낮을 뿐 아니라, 마그 네슘은 비강도(중량당 강도)와 비강성(중량당 강성)[1]이 우수하고, 열전도율 또한 높아 대표적인 경량 구조재로서 주목받아왔다[2-3]. 

역사적으로 마그네슘은 제2차 세계대전 당시 항공기 경량화 소재로 대량 활용되며 본격적인 산업적 의미를 갖기 시작하였다. 오늘날에는 탄소중립 실현 과 온실가스 감축이라는 글로벌 요구가 확대되면서 경량 구조재로서의 전략적 가치가 더욱 커지고 있다. 자동차 산업에서는 연비 개선 및 배출가스 저감 을 위해 차체와 파워트레인 부품의 적용이 확대되 고 있으며, 항공우주 산업에서는 연료 절감과 탑재 효율 향상을 위한 핵심 소재로 검토되고 있다[3]. 전자산업에서는 전자기 차폐 성능과 우수한 가공성을 바탕으로 휴대용 전자기기, 노트북, 카메라 하우징 등에 적용되고 있으며, 의료 분야에서는 생체 내분해성과 생체적합성을 기반으로 임플란트 및 생체 흡수성 스텐트 소재로 활용 가능성이 활발히 연구되고 있다 [4,5].

그러나 마그네슘 순금속 및 마그네슘 합금은 낮은 부식 저항성으로 인해 실제 적용에 제약을 받는다. 자연적으로 형성되는 (수)산화물 기반 표면 피막은 불연속적이고 보호 성능이 미약하여 국부 부식이 쉽게 발생한다. 특히 Fe, Ni, Cu, Co와 같은 미량 불순물은 높은 교환 전류밀도로 인해 음극 반응을 촉진하며, 이로 인해 α-Mg기지(matrix)가 제2 상(second phase)과 상호작용하여 미세 갈바닉 부식(micro-galvanic corrosion)이 가속된다[6] .  불순물 농도가 허용 한계(tolerance limit)를 초과할 경우 부식 속도는 급격히 증가하며, 특히 Fe는 극미량(20ppm이상)만 존재해도 내식성을 크게 저하시켜, 고성능 합금 개발에 큰 걸림돌로 작용한다[7] . 이러한 불순물은 내식성뿐만 아니라 가공성, 결정립 미세화, 생체적합성에도 부정적인 영향을 미치는 것으로 보고되었다  .

따라서 고순도 마그네슘(High-purity Mg) 확보는 구조재로서의 안정적 활용뿐 아니라 첨단 응용 분야 확대를 위해 필수적이다. 실제로 3% NaCl 환경 에서 고순도 Mg보다 낮은 부식 속도를 나타내는 합금계는 보고된 바 없으며 , 이는 불순물 제어가 마그네슘 소재의 성능을 좌우하는 핵심 요인임을 보 여준다. 고순도 마그네슘은 Fe, Ni, Cu, Co 등의 불순물이 각각 허용 한계 이하로 존재하는 경우를 의미하며, 불순물을 ppm 수준까지 정밀하게 제어할 수 있어야 한다.

이와 같은 필요성은 세계 생산 및 공급망 구조와도 밀접하게 연관된다. 현재 전 세계 마그네슘 생산량의 대부분은 중국에 집중되어 있으며, 이는 공급망 안정성 측면에서 심각한 리스크로 지적되고 있다. 미국과 유럽연합(EU)은 공급 다변화와 더불어 고순도 마그네슘 확보를 전략적 과제로 인식하고 있으며, 한국 역시 자동차·전자·에너지 산업에서 수요가 급격히 증가하고 있어 안정적 공급망과 동시에 고순도화 기술 확보가 시급하다 [9,10] .

또한, 환경·정책적 관점에서 마그네슘의 중요성은 더욱 부각되고 있다. 탄소중립 정책, 순환경제로의 전환, 도시광물 자원의 활용 확대는 모두 경량 금속 의 필요성을 강조하는 요인이다. 특히 도시광물 재 자원화 과정에서 회수되는 마그네슘 자원의 고순도화는 자원 확보와 온실가스 저감을 동시에 달성할 수 있는 전략적 기술로 평가된다.

결국 고순도 마그네슘은 단순한 합금 성능 개선 을 넘어, 자동차·항공우주 등 전통적 구조재 산업, 의료·전자 등 첨단 신산업, 그리고 탄소중립을 위 한 미래 자원 전략이라는 세 가지 축을 동시에 충족할 수 있는 핵심 소재라 할 수 있다. 따라서 향후 마그네슘 연구와 산업 발전의 초점은 효율적이고 안정적인 고순도화 기술 확보에 있으며, 이를 위한 정련 및 정제 기술 개발이 중요한 과제로 자리 잡고 있다.

그림 3. 증발온도 1023 K, 응축온도 873 K 조건에서 제조된 마그네슘 잉곳

그림 4. 마그네슘 및 불순물의 포화증기압 (좌: log P-T / 우: P-T)

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 10월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>