무게가 가볍고 부식에 강하면서도 안정적이라는 특수한 속성을 지닌 알루미늄은 다양하게 이용되는 인기있는 소재입니다. 전기 자동차의 배터리함, 주방 가구, 창문과 파사드, 식품 포장 등 수요가 무궁무진한 이 경량 금속은 현대인의 일상생활에서 없어서는 안 될 소재입니다. 따라서 이 소재는 세계적으로 그 수요가 많습니다. 2021년에만 6천7백만 톤 이상이 생산되었음에도 수요가 계속 증가하고 있습니다. 하지만 단점 또한 존재합니다. 알루미늄 제조에는 에너지가 매우 많이 소비된다는 점입니다. 제련 공정에 대부분 석탄화력발전소에서 담당하는 에너지가 많이 필요할뿐만 아니라, CO₂ 배출량도 증가합니다. 생산 공정에서는 탄소가 연소되어 이산화탄소로 배출됩니다. 따라서 전 세계적으로 매년 1억 톤에 달하는 CO₂가 발생합니다.

독일의 알루미늄 제조업체인 TRIMET은 현재 공정 관련 배출량을 현저히 줄인다는 목표를 자체적으로 세운바 있습니다. 하지만 그 원리는 어떻게 될까요?

알루미늄 제조는 홀-에루(Hall-Héroult) 공정이라고 하는 전기분해 제련 공정으로 이루어집니다. 알루미늄 산화물은 전기분해 과정에서 탄소 전극을 이용하는 알루미늄 금속으로 환원됩니다. 전기분해 과정에서 탄소 전극이 연소되어 CO₂로 배출됩니다. TRIMET은 아이슬란드의 기술 기업인 Arctus와 협업하여 전기분해 셀에서 탄소 전극이 불활성 캐소드 물질로 대체되는 혁신적인 공정을 개발했습니다. 이 방법이 좋은 주된 이유는, 탄소 전극을 사용하지 않아 CO₂ 대신 산소가 배출된다는 점입니다. 드디어 처음으로 CO₂ 를 직접 배출하지 않고도 경량 금속을 제조할 수 있게 되었으며 더욱 지속 가능한 생산을 향한 중대한 기여를 하게 된 것입니다.

당사의 연구 프로젝트의 목표는 이러한 기술적인 혁신을 연구실 규모와 소규모 산업용 셀에서 대량 생산까지, 상용화 수준에서 이용할 수 있도록 하는 것입니다. TRIMET과 Arctus의 전문가들 외에도 Saarland 대학교와 Plansee의 전문가들이 참여하고 있습니다. 새롭고 까다로운 소재 응용 분야에 대한 혁신적인 솔루션으로 알려진 당사의 미션은 탄소 전극을 대체할 이상적인 소재를 개발하는 것입니다.

매우 단단하고 산화 저항성이 우수한 이붕소화티타늄(TiB₂)이라는 소재가 이 과정에 적합합니다. 다른 많은 소재들과는 반대로, 이 소재는 알루미늄에 반응하지 않기도 합니다. Plansee는 Lechbruck 공장에서 수년 간 TiB₂ 스퍼터링 타겟을 생산해왔습니다. 이제는 새로운 응용 방법 채택에 이 소재가 필요합니다. 이 소재는 특히 알루미늄 전해질과 관련한 산화 속성 최적화와 고온으로 공기 중에 노출되는 전극의 위쪽 부분이 산화되지 않도록 최적화하는 데 이용됩니다. 또한 Plansee는 기존의 노하우를 바탕으로 송전 분야에 이용할 수 있도록 TiB₂ 캐소드를 전기 구리 연결부에 결합하는 기술을 개발하고 있습니다.