‘타이타늄 재활용’ 고부가·기술자립 이끈다

▲ 박지환 엠티아이지 대표이사

■ 타이타늄 스크랩 재활용 기술·공정 개발 본격화

국내 독보적 타이타늄 기술력을 갖춘 엠티아이지(대표이사 박지환)가 타이타늄 스크랩 고순도화 기술 확보에 본격 나선다. 국내 타이타늄 재활용 기술이 전무한 현재 이번 과제를 통해 타이타늄 재활용에 대한 고부가화와 기술자립을 위한 초석을 다질 것으로 기대를 모으고 있다.

엠티아이지는 2020년 4월부터 2024년 12월까지 산업통상자원부 산하 한국산업기술평가관리원에서 추진하고 있는 2020년 소재부품기술개발사업 전략핵심소재자립화기술개발사업의 ‘고품위 타이타늄 친환경 일관공정 및 고신뢰 소재부품 개발’ 사업 중 ‘Off grade Ti 스크랩의 일 100kg 이상 탈산정련에 의한 4N5급 잉곳 및 분말기술 활용 제품화 공정기술 개발’의 지원 사업을 통해 타이타늄 스크랩의 재활용 기술과 타이타늄 소재 제조 공정의 개발을 추진 중에 있다.

이번 과제는 엠티아이지가 주관기관을 담당하며, 참여기관으로 고등기술연구원(윤진호 박사), 한국생산기술연구원(박경태 박사), 한국지질자원연구원(강정신 박사), 경북대학교(손호상 교수), 순천대학교(이동근 교수), 한밭대학교(김정한 교수)와 수요기업으로 인탑스가 참여한다.

타이타늄은 경량원소이면서 높은 내부식성을 바탕으로 안정적인 원소의 특성으로 인해 항공기 총 중량의 약 15%를 차지할 정도로 많은 양이 사용되고 있다.

반면에 항공기 부품 제조 공정에 투입되는 소재 중 실제로 사용되는 비율은 약 5%에 불과하며, 나머지 95%는 스크랩으로 처리되고 있다.

이러한 스크랩은 가공 공정 중의 오염으로 인하여 재활용에 한계가 있어, 일반적으로 타이타늄 스펀지를 가공용 소재로 다시 제조하여 항공기용 부품 제조에 사용되고 있다.

이렇게 발생되는 타이타늄 스크랩의 경우 페로티타늄의 원료로 사용되거나, 국내에서 재활용하기 위한 설비 및 기술 등의 부족으로 구매가의 5∼10%의 가격으로 해외로 역수출 되고 있으므로, 이를 처리할 수 있는 설비 및 기술의 개발이 필수적이다.

해외에는 다수의 타이타늄 스크랩 재활용 기술을 가진 회사들이 존재하며 소재와 제품의 밸류체인이 형성되어 있다.

반면에 국내에는 제품화된 소재를 위주로 취급하고 있으며, 극소수의 업체가 타이타늄 스크랩을 취급하고 있으나, 고부가 재활용 공정을 통한 소재화 기술이 전무해 경쟁력이 매우 미미하다.

따라서 타이타늄 스크랩을 활용한 고품위의 부품을 제조하기 위해서는 스크랩을 고순도화 할 수 있는 재활용 기술 개발이 필요하다.

엠티아이지에서는 기술 개발 사업을 통해 각 대학과 연구소에서 개발하는 고순도 타이타늄 제조를 위한 탈산 기술과 전자빔 용해 잉곳제조 기술을 도입해 타이타늄 재활용 기술을 통한 고품위화 소재 및 부품을 제조할 수 있는 기술을 개발에 착수해 스크랩 자원의 선순환 구조를 통한 타이타늄 소재의 가격경쟁력을 바탕을 다양한 산업분야에 적용하고자 하고 있다.

또한 타이타늄 시장의 확대를 위하여 타이타늄이 주로 사용되고 있는 수송기, 의료, 원전 등의 분야 이외에 소비재 제품으로의 확장을 위해 IT기기 외장재의 적용을 위한 노력을 하고 있다.

이와 함께 최근 환경문제에 대한 문제점들이 대두되면서 IT 소재 부품 분야에서 환경 문제에 이바지하기 위한 ‘소재의 지속가능성(Sustainable)’이 가능한 소재를 활용하기 위해 자원순환과 경제적 가치창출을 동시에 달성하는 방안 중 하나로 소재 업사이클링 개념을 도입하고 있다.

우리나라의 경우 대규모 자본을 바탕으로 한 대량생산 위주의 제조업, 즉 동맥 산업 중심으로 성장해왔으나, 현재의 산업구조는 점차적으로 자원순환형 정맥 산업중심으로 변화하고 있으므로 혁신적인 소재 업사이클링 기술의 개발이 필요하다.

특히 타이타늄의 경우 소재의 지속가능성에 가장 적합한 원소로 업사이클링 기술에 가장 적합한 것으로 알려져 있다.

이러한 기조를 바탕으로 타이타늄 스크랩의 재활용 기술 개발 사업이 성공적으로 수행된다면 국내 타이타늄 시장의 자원선순환 구조의 확립을 통한 친환경 재활용 기술 개발 및 해외 의존도가 높고 대일 무역 역조 품목인 타이타늄 소재에 대한 자립화가 가능하다.

국내 고부가 재활용 소재화 기술 전무·경쟁력 미미

스크랩 자원 선순환 통한 자원순환·경제적 가치창출

■ 독보적 타이타늄 기술의 엠티아이지

2006년 9월1일 설립된 엠티아이지는 ‘타이타늄 분말 사출 성형 공법’으로 지난 2008년 지식경제부 기술표준원에서 신기술(NET) 인증마크를 획득해 독보적인 기술력을 인정받았다. 현재 이 기술은 엠티아이지에서 독보적으로 보유하고 있다.

기존 3차원 형상 타이타늄 제품의 제조는 원료와 가공방법에서 문제가 있었다. 원료는 100% 수입에 의존해 원자재 종속성이 높아지고, 제품 가격이 높다는 단점이다. 또한 가공방법인 판재·봉재·선재는 기계 가공을 해야 하는데 3차원 형상 부품의 생산이 어렵고, 공정비용이 높다.

이런 단점을 극복한 방법이 엠티아이지의 타이타늄 분말 기술이다. 타이타늄 분말 기술은 타이타늄 금속분말을 원료로 사용해 고기능의 전자기 제품, 자동차 및 각종 산업 부품을 제조하는 기술로 3차원형 복잡형상 부품제조에 적합하다. 또한 분말 사용에 따른 성분제어가 용이해 고강도화를 달성할 수 있다.

이에 철강대비 50% 수준의 경량화가 가능하고, 일반주조 및 가공 부품의 30∼40% 이상의 생산비를 절감할 수 있다.

MTIG는 △순수 타이타늄 분말 제조 △사출용 타이타늄 피드 스톡(Feed stock) 제조 △타이타늄 용사 코팅용 분말 제조 △타이타늄 합금분말 제조 기술을 보유하고 있다.

또한 타이타늄 분말사출성형(MIM : Metal Injection Molding) 부품 제조 공정을 구축해 지식경제부로부터 2008년 4월에 신기술인증(NET)을 획득했으며, 2012년 7월에는 KFDA 생물학적 안정성 시험에도 합격했다.

의료용 소재 부품 인증도 획득했다. 2011년 11월7일부터 2012년 6월20일까지 한국산업기술시험원에서 진행된 생물학적 안전성 검사에서 적합 판정을 받았다. 이에 엠티아이지에서 제조한 타이타늄 분말 사출 성형체로 제조한 의료용 임플란트 부품 소재를 제품등록 및 판매를 위한 식약청 등록 시험성적서를 발급할 수 있게 되었으며, 현재 의료용 소재 부품을 국내 치과용 의료부품 제조 기업인 ㈜디오, ㈜덴티움 등에 타이타늄 부품을 공급하고 있다.

또한 3차원 형상의 다양한 의료 타이타늄 부품을 제조할 수 있고, 100% 수입에 의존하던 의료용 타이타늄 부품 소재의 수입을 대체할 수 있게 됐다. 더불어 대량 자동화 생산으로 기계 가공 제품 가격 대비 50% 이하의 가격 경쟁력을 갖출 수 있게 됐다.

엠티아이지가 사용하는 타이타늄 제조 기술인 타이타늄 분말 야금기술(PM : Powder Metallurgy), 타이타늄 분말사출성형(MIM : Metal Injection Molding) 기술은 3차원형 복잡형성 부품 제조에 적합하고, 분말 사용에 따른 부품 제조 성분제어가 용이해 고강도화를 달성할 수 있다.

또한 제조 시설 투자비용 대비 시설 투자비용이 10∼20% 수준으로 절감되고, 일반 주조 및 가공 부품의 50% 이상 공정비, 생산비를 절감할 수 있다. 더불어 타이타늄 부품의 자동화 생산, 대량 생산, 생산인력을 최소화 할 수 있으며, 환경 유해 물질의 발생이 없다.

MTIG는 순수 타이타늄 및 합금 타이타늄 분말야금, 분말 사출 성형 원천 기술을 통해 국내 특허 △등록 17건 △출원 2건, 해외특허 △중국 특허 등록 1건 △PCT 출원 2건이 있다.

지난해에는 지난 2016년부터 시작한 ‘탄탈륨 금속스크랩으로부터 고부가가치 산업용 탄탈륨 소재 상용화기술 개발’ 사업도 성공적으로 마쳐 ‘탄탈륨(Ta) 분말 제조 방법’에 대한 특허(제 10-2014845 호) 등록을 마무리 하기도 했다.

이를 통해 4N급 고순도 탄탈륨 분말은 연간 약 30톤의 탄탈륨 타깃 적용이 가능할 것으로 생각되며 기존의 수입제품과 동등한 성능이 확보되면서 80% 이하의 낮은 가격으로 납품 가능할 것으로 예상되고 있다.

이러한 기술력과 그간의 성과를 바탕으로 이번 타이타늄 스크랩 고순도화 기술 개발에도 성공적인 성과를 거둘 것으로 기대를 모으고 있다.

▲ 선순환구조 확보를 통한 타이타늄 소재의 지속가능성