Update2024.05.07 (화)
녹색산업 이끄는 원천소재 ‘메탈실리콘’
지각 구성 물질 중 1위는 산소이며, 실리콘(silicon, 규소)은 27%로 2위를 차지한다. 크리스탈 형태의 단체 실리콘은 천연 상태로는 존재하지 않으며, 보통 산화물 형태로 다양한 광물의 구성 성분이 된다. 실리콘 원소는 다양한 광물뿐만 아니라 모든 식물의 구성 원소이다. 꽃과 줄기에도 특별히 많이 함유되어 있다. 또한 동물 체내의 조직에 많이 함유된다. 합금·유기실리콘·P-Si 제조, 韓 수입의존
일반적으로 공업용으로 쓰이는 실리콘을 메탈실리콘(Silicon Metal)이라고 부른다. 메탈실리콘은 알루미늄실리콘합금 제조에 많이 쓰이며 태양광과 반도체의 핵심소재인 폴리실리콘의 소재로 사용되는 등 여러 산업의 원소재다.
실리콘의 역사를 살펴보면 1811년, Gay Lussac와 Thenard는 4염화물(Silicium Tetrachloride)을 뜨거운 칼륨에 통과시켜 순도가 낮은 비결정형 실리콘을 얻었다.
1823년, 스웨덴(Sweden) 화학자 베르셀리우스(Berzedius)는 이 실험을 반복하여 비정질형 실리콘을 얻었다. 뿐만 아니라 여러 차례 가공하여 고순도의 실리콘 파우더를 얻어내고 실리콘이라고 명명하고 ‘Si’이라는 화학 원소 기호를 부여했다. 그리하여, 1823년은 실리콘을 발견한 해로 인정이 되었다.
이후 1855년, 프랑스 화학자 Deville는 융해염 전해법을 통해 혼합 염소화합물 결정 실리콘을 얻었으며 Bereto는 SiCI와 아연(Zn)을 혼합시켜 가열하는 방법으로 비결정형 실리콘을 얻었다. 이 방법으로 만든 실리콘은 값이 비싸 널리 이용되지 않았다.
1907년 Potter는 규석과 탄소의 환원 반응을 연구해 메탈실리콘 대량 생산 방법을 찾아냈다.
20세기 초 메탈실리콘 제조는 실험연구단계에서 대량 생산단계로 발전했다.
구 소련은 1936년 메탈실리콘 제조 실험연구를 거쳐 1938년 메탈실리콘을 생산할 수 있는 2000kVA의 단상 단 전극(single electrode) 전기로를 건설했다.
1940년, 프랑스는 단상 self baking electrode(자기배소전극) 전기로로 실리콘을 생산했다.전기로 용량은 2000kVA였다. 이외에도 미국, 스웨덴, 이탈리아, 일본 등이 메탈실리콘을 비교적 일찍 생산하였다.
실리콘 제조방법을 살펴보면 고순도의 이산화규소 광석과 고순도 탄소를 환원제를 Submerged ARC Furnace라고 불리는 일명 광열로, 전호로, 실리콘 전기로)에 넣어 정련과정을 거쳐 순도 97%이상의 실리콘(Si)을 생산한다.
실리콘은 밀도 2.33g/cm3(20℃), 융점 1420℃, 비등점 3,280℃, 모스경도 7°, 비열 0.171k/g·℃(25℃)의 물리적 성질을 가지고 있으며 비결정형과 결정형 두 가지가 있다.
비결정형 실리콘은 갈색 분말 형태이다. 결정형 실리콘은 금속 광택이 나는 어두운 회색빛을 띠고 결정 형태가 다이몬드 모양의 사면체다. 결정격자 상수 5.43A°인 정격（晶格）이다.
영월청정소재, 플랜트 가동 국산화 박차
■年 5억불 수입, 합금용 가장 많이 쓰여
메탈실리콘의 제조방법에는 크게 아크가열 환원법과 사염화 Si 수소환원법이 있다. 현재 상용으로 사용하는 기술인 아크가열 환원법은 공업적인 순도의 실리콘을 규소 또는 규석(SiO₂)과 코크스를 혼합하고 아크전기로에서 가열한 후 고온에서 환원해 얻어진다. 순도는 원료의 종류, 품질 등에 따라서 다르지만 보통 92~98%이며, 불순물은 주로 철, 칼슘, 알루미늄 등이다.
메탈실리콘의 주 용도는 크게 알루미늄실리콘합금, 유기실리콘, 폴리실리콘 제조로 나눌수 있다. 용도별 사용 비중을 보면 알류미늄 합금에 60% 유기실리콘 제조에 30% 반도체 및 태양광용 폴리실리콘에 10%다.
메탈실리콘을 알루미늄(aluminium, Al)과 두랄루민(duralumin)에 첨가하면 합금강도가 향상될 뿐만 아니라 항산화성(oxidation resistance)과 내식성(corrosion-resistant)이 강화된다. 구리합금과 기타합금의 제조에도 사용되는데 실리콘 구리합금은 양호한 저장성능이 있어 저장탱크로 쓰일 수 있다. 실리콘청동도 마찬가지로 충격을 받을 때 스파크를 잘 발생하지 않아 폭발을 방지할 수 있으며 바닷물과 석유에도 비교적인 우수한 내식성을 보인다.
메탈실리콘은 유기실리콘 제조에도 쓰이는 데 단체합성, 가해, 축합 등의 반응을 통하여 합성고무, 합성수지, 실리콘오일 등을 만들 수 있다. 이런 제품은 전기 절연, 내(耐)고온, 습기 방지 등 장점이 있다.
이밖에도 태양광 웨이퍼와 반도체의 핵심소재인 고순도의 폴리실리콘을 제조하는데 메탈실리콘이 쓰인다.
2011년 우리나라는 15만1,000톤의 메탈실리콘을 수입했는데 금액으로는 5억달러에 달한다. 수입은 매년 약 25%씩 늘어나고 있다. 최대 수입국은 중국으로 전체 72.2%를 차지하고 있고 노르웨이가 21.4%, 브라질 등 기타 국가가 나머지를 점유하고 있다.
■영월청정소재진흥원, 파일럿 플랜트 구축
현재까지 우리나라에서는 다양한 방법을 통해 메탈실리콘 제조와 관련된 기술을 개발해 왔다 이러한 기술을 개발하기 위해서는 3상 아크로가 필요한데 그 제작 가격이 약 5억원 이상을 호가 하고 또한 설계에 대한 파라미터(parameter)를 정확히 알고 있지 못한 연유로 시행착오(try and error)방식의 ‘로’제작이 진행돼 왔다.
하지만 이마저도 제작 후 전기용량 문제라든가 소모품 비용 등의 부담으로 중소기업 입장에서 실험 진행이 사실상 불가능하다.
이에 일부 대기업에서 실험을 하거나 국가의 지원을 받아 일부 중소기업에서 신기술 개발과제로 진행하고 있는 상태다. 이 모든 기술적 내용이 기업기술비밀로 되어 있어 기술개발 및 발전에 저해 요소가 되고 있는 실정이다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 영월청정소재산업진흥원은 메탈실리콘 시험생산 인프라 구축을 통한 국내 유일의 태양광 녹색 첨단소재분야 기업 집적지 거점 확보를 목표로 사업에 나섰다. 이에 사업비 15억원을 확보, 메탈실리콘 연관산업 육성 및 여건조성을 구축하기 위해 2011년부터 2013년까지 강원도와 영월군의 지원을 받아 시군특화산업의 일환으로 금속실리콘 시험생산 인프라를 구축 하고 있다.
전체적인 로드맵을 살펴보면 2013년 부산물 활용기술 개발까지 완료 하는 것을 목표로 하고 있다.
영월청정소재산업진흥원은 메탈실리콘제조용 파일럿 플랜트(Pilot Plant)를 구축하기 위해 국내의 경험과 기술을 보유한 업체와의 협업을 통해서 자체적으로 300KVA용량의 3상 아크로를 설계하여 제작·설치·시운전을 진행 중에 있다.
향후 시운전 완료 후 중소기업 등 실험을 원하는 기업들에 한해 소모자재 비용과 전기료 등만을 부담하는 실비 방식으로 기술 개발을 지원할 계획이다. 또한 이 전기로를 이용하여 메탈실리콘 관련 기타 비철금속 소재의 기술 개발을 꾸준히 지속해 소재 국산화를 달성, 국가 주력산업 경쟁력 강화 및 지역경제 활성화에 기여하고자 한다.
