Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(2)

마그네슘(Mg)계 세라믹 원재료 국내 생산기술 개발 동향

김세기_한국세라믹기술원 수석연구원
김유진_한국세라믹기술원 책임연구원

1. 마그네슘(Mg)계 세라믹 원재료의 현황

마그네슘(Mg)계 세라믹 원재료는 마그네슘 산화물(MgO), 수산화물(Mg(OH)2), 염화마그네슘(MgCl2) 및 황산마그네슘(MgSO4)과 같은 마그네슘염이 대상이지만, 본 고에서는 활용 비중이 높은 산화마그네슘(MgO), 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 중심으로 국내 수급 현황 및 2021년 4월부터 시작된 산업부 주관의 “마그네슘(Mg)계 세라믹 원재료 국내 생산 시범사업(21.04.01~25.12.31)”에서 진행 중인 생산기술 개발 내용에 대하여 소개하고자 한다.

1.1 마그네슘(Mg)계 세라믹 원재료의 활용
마그네슘 산화물 및 수산화물은 이산화규소(SiO2)와 같은 산성 세라믹 소재, 알루미나(Al2O3)와 같은 중성 세라믹 소재에 대비하여 대표적인 염기성 세라믹 소재로서 각종 금속 제조용 내화물, 내화학성을 요구하는 화학공정에서의 수용체, 절연 및 유전특성을 활용한 전자 및 광학 소재, 수처리, 탈황, 토양개질 등의 환경용, 제산제 등의 제약용 및 난연제 등의 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 염화마그네슘(MgCl2) 및 황산마그네슘(MgSO4)과 같은 마그네슘염은 Sorel 시멘트, 금속 마그네슘 원료, 집진, 제빙, 식품, 제약용 및 동물사료 등으로 첨단 산업용 소재에서부터 전통산업용 소재에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되고 있다.
  마그네슘(Mg)계 세라믹 원재료의 세계 및 국내 시장은 그림 1에 나타낸 바와 같이, 각각 11조 원, 1,750억 원 수준으로서, 원재료별 활용 비중은 세계시장에서는 산화마그네슘이 약 61%, 수산화마그네슘이 약 27%로서 대다수를 차지하고 있으며, 국내에서는 산화마그네슘이 약 68%, 수산화마그네슘이 약 24%로서 역시 대다수를 차지하고 있는데, 세계적 경향 대비, 금속 재료 제련용 산화마그네슘의 비중이 높고 난연제 및 탈황, 수처리 등 환경용의 수산화마그네슘의 활용 비중이 낮은 편이다.1

그림 1. Mg계 세라믹 원재료의 시장 및 활용 현황1

  산화마그네슘(MgO, 마그네시아)의 2021년 전 세계 수요량은 약 1,300만 톤으로서 약 66%가 내화물 수요로 추정된다.1 내화물원료의 열처리 공정에 따라서 4가지로 나눌 수 있는데, 원광 마그네사이트나 해수 및 간수로부터 얻어진 수산화마그네슘을 700~1000℃에 하소되어 얻어지는 경소 마그네시아(light-burned, caustic-calcined MgO)는 높은 활성을 이용하여, 고무, 플라스틱, 화학제품용 첨가제, 농업, 환경용 등으로 주로 활용되며, 1,000~1,500℃에서 하소하여 얻어지는 중소 마그네시아(hard-burned MgO)는 1,500~2,300℃의 고온에서 소성하여 페리클레이스(periclase) 결정을 형성하여 화학적으로 불활성이 되도록 한 사소 마그네시아(dead-burned MgO) 및 전기아크로에서 2,800℃ 이상의 고온에서 경소 마그네시아를 녹여서 제조한 용융 마그네시아(fused MgO)는 주로 철강, 시멘트, 비철, 유리, 화학산업의 전기로, 킬른과 같은 고온 공정에서의 정형 및 무정형 제품 제조를 위한 내화물 등에 활용된다. 특히, 제강용 마그네시아는 전로(converter), 래들(laddle)의 슬래그 라인(slag line) 및 정련로, 턴디쉬(tundish), 연주용 노즐 등에 사용되고 있으며, 대체가 어려운 제철・제강의 내알칼리성을 요구하는 공정에 있어서 필수적인 소재이다.
  수산화마그네슘(Mg(OH)2)의 2021년 전 세계 수요량은 약 150만 톤이며 약 66%가 환경, 14%가 화학용, 10%가 난연제용 수요로 추정되고 있는데, 최근 할로겐계 난연제를 대체하여 친환경 무기계 난연제로써 수산화알루미늄과 경합 관계에 있으나 수산화알루미늄 대비 상대적인 고성능으로 인하여 시장이 급성장하고 있다.

1.2 자원 부존 현황 : 편재로 인한 수급 불안정
마그네슘(Mg)계 세라믹 원재료의 글로벌 수급에 있어서의 문제점은 그림 2에 나타낸 바와 같이, 원료가 되는 자원 광물인 능고토석(magnesite, MgCO3), 수활석(brucite, Mg(OH)2), 비쇼파이트(bischofite, MgCl2・6H2O) 및 키젤석(kieserite, MgSO4・2H2O) 등이 세계적으로 일부 특정 국가 편재에 기인한 특정 소수의 자원부국의 공급에 의존적인 관계로 수급(가격)이 매우 불안정하다는 점이다.2

그림 2. 세계 Mg계 세라믹 원재료의 부존 현황2

  마그네슘 함량이 41.7%로 가장 많은 수산화마그네슘(수활석, (Mg(OH)2)의 경우, 세계적으로 매장량은 약 0.7억 톤으로서, 약 45.7%가 러시아(0.32억 톤), 약 37.1%가 중국(0.26억 톤), 14.3%가 미국(0.1억 톤)의 3개국에 편재되어 있으며, 마그네슘염 또한 유사하게 자원이 편재되어 있는 실정이다. 
  마그네슘(Mg)원으로 가장 널리 활용되고 있는 능고토석(MgCO3)의 경우, 세계적으로 매장량이 34억 톤으로 추정되는 가운데 약 62%가 러시아(10.1억 톤), 북한(6.6억 톤), 중국(4.4억 톤)의 3개국에 편재되어 있으며, 개발이 가장 활발한 중국이 전 세계 수출량의 약 64%를 차지하고 있어, 2017~2018년에 전 세계가 중국발 마그네시아의 가격 폭등을 겪은 바 있으며, 이는 2021년 중국의 전력 부족난에 따른 생산량 축소에 따라서 특히 용융 마그네시아(fused MgO)를 중심으로 2배 이상 가격이 폭등하는 등 중국발 가격 불안정은 현재도 진행형이다.

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