플라스틱의 재활용은 이렇게 한다! 분리선별이 필요한 재활용품, 과연 올바른 분리배출 방법은?! 올바른 순환자원 2부! [한국지질자원연구원 한요셉 박사]

요즘엔 또 흥미로운 건 구리 값이 많이 올랐어요 그래서 결국에 이제 그 음극재 옆에 붙어 있는 구리 정극도 굉장히 회수해 물질로 이제 바뀐 거죠 근데 이제 구리 정극까지 회수를 더 잘하면 상대적인 알루미늄도 상대적인 다른 이물질은 좀 덜지 그러면 뭐 가격이 저렴해도 그 자체로만으로도 성분이 많이 모여 있다면 어떤 또 제활용 루트로 또 찾을 수 있다 인사할 시간도 많습니다 여러분의 시간을 낭비해 드릴 느리지만 쿠가 미팅입니다 반갑습니다 교수님들 반갑습니다 반갑습니다 지질자원 연구원의 한요셉 박사님 모셨습니다네 반갑습니다 한국 지질자원 연구원의 한 요셉입니다 가장 이제 핫한네 폐배터리 그리고 반드시 해야 되는 폐배터리 하면 뭐가 가장 먼저 생각나세요 건전지 아 그러세요네 어 보통은 자동차 배터리 생각하거든 근데 우리 지금 실생활에서 가장 많이 쓰이는 건 건전지라 말이에요 예이 건전지가 가장 큰 문제거든요 진짜로네 맞습니다 배터리 는 사실 예전부터 썼었어요 맞아요 건전네 납축 전지부 해서 수훈 전지부 해서 어 때부터 벌써 한 3 40 년부터 꾸준히 썼어요 이게 새로운 얘기는 아니에요 그리고 여러분 너무나 잘 알고 계신다 그리고 저것도 이제 따로 모아서 아파트 같으면 조그만한 상자에 따로 수고 하죠 왜냐면 저기 이제 예전 같은 수훈 전지 같은 경우에 좀 이제 독성이 있으니까 따로 모았는데 문제는 리튬 2차 전지가 나오면서 대형화가 되면서 자동차까지 영향으로 확장이 되니까 이게 제 산업이 커진 거죠 이런일 한 거예요 결국에 산업에서 수요도 많고 공급도 많아지니까 돈이 되고 재활용이나 분리 선별이 중요하게 된 경우죠 그니까 우리가 얼마나 도대체 2차전지를 많이 사용하냐 앞에 갖고 계시는 핸드폰 와치 이어폰 청소기 청소기 부터해서 뭐 다양한 소형 기게 벌써 엄청나게 들어가고 지금이 테이블 위에 올라가 있는 것 중에서 리튬 전지가 안 들어가 있는게 없어요 그렇죠 여기 다 다 들어가 있죠 모드가 그렇죠 엄청나죠 예 그 노트북 같이 저게 파우치 같은 이렇게 이제 파우치 형태로 이제 들어간다는 거죠 그래서 여러분 너무나 잘 알다시피 저 태블릿이 배터리 때문에 무어 거예요 예 기판이 하나도 안 무거워요 정말 저 무게도 많이 차지하고 저렇게 중요한 저 배터리 그리고 다음 장 또 보시면 정말 작은 것들 이렇게 뭐 전자 담배부터 해서 뭐 펜슬 그리고 저런 이제 퀵보드 같은 경에도 들어가는데 이제 가장 큰 이슈가 됐던 전기차 아 들어오면서 이제 엄청난 사용이 됨에 따라 엄청나게 나올 것이다네 그래서 이제는 정부뿐만 아니라 이제 대기업까지 무조건 해야 된다 해야 될 수밖에 없는 상황이 도래 거죠 배터리는 사실은 저 크게네 가지 형태 밖에 없어요 코인형 애들이 장난감이 많이 들어가는 원통형 그다음에 각형 파우치형 저네 개가 대표다 보시면 되고요 저 밑에 나와 있는 저런 통계 자료는 무엇을 제가 얘기하고 싶었냐면 작은 거부터 해서 큰 것까지 수요가 엄청나게 급성장하고 있어요 우리나라도 엄청나고 근데 중요한 건 저거를 선도하고 있는 기업이 삼성 SDI LG 엔솔 국내 기업들이 전부다 다 밑에 보면은 나오죠 리튬 이혼 전지 기업별 세계 시장 점유율인 1위가 삼성에서 2위가인데 저게 전 세계 시장이 50% 대한민국은 정말 좋은 기업들이 있어요 결국에는 배터리가 커지는 건 저네 가지 형태의 셀을 모듈로 만드는 거예요 그데 배터리가 하나가 큰게 아니고 여러개를 쫙 해 가지고 큰 것처럼 역할을 하게 만드는 거죠 마치 어떤 느낌이냐면 스타십 있죠 엔진이 33개가 들어가는 거예요 그게 하나처럼 나가는 거잖아요 어 그렇게 생각하시면 돼요 문제는 앞서 얘기했듯이 전기차에 들어가는 저런 것들이 결국엔 셀 단위에서 모드를 넘어가니까 결국에 작은 거부터 해서 저 모드 만드는 저 회사들이 결국에는 승자 가능성이 높다 그래서 저 배터리에 팩에 들어가는게 작은 거부터 쌓여서 들어가는 모든 형태로 들어간다 이렇게 보시면 좋고요 삼성 SDI LG 엔솔 sk1 같은 경우에 저렇게 각자의 주요 상품들이 꾸준히 생산되고 있어요음 그래서 대한민국이 저거 잘하고 있었는데 이제 문제는 예전부터 하고 있다가 코로나 시점부터 갑자기 보급량이 급격하게 증가해요 그죠 그래서 보시는 거 같이 2019년 기준 202 1년에서 164% 보급량이 증가되고 있어요 근데 저게 어떤 예측이 men 예측은 예측일 뿐이지만 2030년에 한 10만 대가 나올 거다라는 예측이 많아요음 10만 대가 나오면 거기 있는 것들에 대한 원료를 다 재활용만 한다면 국내에 나오는 생산에 어느 정도 일부분 기여 한다라는게 예 지금 예측 다 보고가 돼 있어서 사실은 저런 대기업들도 재활용의 시장에 지금 많이 들어온 상황이에요 그래서 지금 현재 이렇게 되고 있다라는 걸 꼭 말씀드리고 싶었고 그럼 결국엔 이렇게 배터리가 이제 엄청 엄청나게 이제 소위가 많아져서 재활용이 중요해졌다라는 걸 꼭 말씀드리고 싶었고 그러면 이제 사용후 배터리를 어떻게 제정하라고 했을 때 그림이 너무 설명이 좀 잘 돼 있어서 제 갖고 왔는데 보시는 거 같이 새로운 배터리를 이제 여러분 자동차 막 타고 다니면 예를 들어서 한 번 충전할 때 한 400km 간다라고 하면 한 5년 타고 다녔는데 성능이 많이 떨어져서 한 80% 밖에 안 돼요 성능이네 그럼 한 300km 약간 언저리 간다 그러면 바을 거를 고민할 수 있을 거라고 봐요음 그죠 그래서 바로 저렇게 이제 리타이어드 된 2차전지가 나오는 죠 그래서 저렇게 한번 스크린을 거쳐서 한번 검토한 후에 나름대로 성능이 일정 부분 있네라고 하면 다음과 같이 에너지 저장 시스템으로 다시 재 사용하요 근데 성능이 너무 떨어져 그러면 제가 밑에서 보시는 거 같이 재활용하는 시스템으로 가게 되는 거죠 현재 산업부에서 저 시스템을 구축하고 있어요 그래서 80% 70% 정도에 성능이 떨어지면 아마 이제 에너지 저장 시스템으로 가게 될 것이고 50% 미만으로 떨어지면 이제 제활용 시스템을 넘어갈 거라는게 지금 약간 중론입니다 아직은 이제 확정 진 않았지만 그게 이제 나올 거예요네 이런 식으로 이제 간다 그래서 무조건 자동차형 패 배터리는 성능이 이제 떨어지면 무조건 패로 가는게 아니고 이렇게저렇게 대용량 시스템으로 이제 먼저 간다 일정 부분 성능이 살아 있으면 이걸 꼭 말씀드리고 싶었고 그래서 이제 보시는 거 같이 이제 리튬 2차 배터리는 직접 리사이클링 하냐 아니면은 이제 하이드로 즉 물을 이용해서 이제 제활용 하냐 좀 더 에너지가 들어가는 아니면 진짜 말 그대로 에너지가 많이 들어가는 파이로 즉 열을 쓰냐에 따라서 원의 크기가 커진다는 얘기는 그만큼 에너지가 많이 든다는 얘기예요 근데 에너지가 많이 드니까 재밌는 건 보시는 거 같이 배터리 사용했는데 직접하니까 배터리 메뉴 매저 팩토링으로 넘어가고 에너지가 좀 하이드로 하는 거는 캐소드 아지 가는데 녹이면 아예 원료인 리파이닝 간다 요렇게 보시면 돼요 에너지가 좀 더 많이 들지만 저렇게 리사이클링을 세 가지로 배터리는 구분 수 있다라고 말씀드릴 수 있어요 이제 일반적인 내용을 좀 말씀드릴 건데 보통 기본적으로 캐소드 무게 비율로 한 30% 정도 존재하고요 연극제는 한 20% 이게 있어요 그리고 이제 전극 구리 뭐 전액 분리막 요렇게 구성이 돼 있죠 어 여기에서 이제 우리가 중요한 물질이 뭐냐 결국엔 경제성 있고 값비싼 거겠죠 저 배터리 2차전지에 머티리얼 코스트가 총 77% 차지요 그니까 물질의 원료가 77% 차지해요 그 결국엔 물질이 제일 갑지가 비싼 거죠 그렇죠 그래서 그걸 한번 오른쪽에 보실때 한번 까봤더니 전체 소재가 배터리의 70% 이상을 차지하는 거죠 결국엔 배터리의 재활용을 저 값비싼 70% 어떻게든 잘 회수하자 가장 핵심이 되는 거죠 그리고 앞서 말씀드렸듯 저 들어가는 캐소드 들어가는 성분들이 중국에서 많이 나오는 히토 그렇죠 전략 핵심 광물이 하죠 그런 것들이 있기 때문에 재활용이 굉장히 중요하다음 갑도 비싸다 이렇게 꼭 말씀드리고 싶었고요 가장 기본적인 이제 전기차에서 나오게 되면 저렇게 이제 해체를 해야 되는 거죠 저런 구조가 생겼으니까네 그래서 앞서 말씀드렸듯이 이제 분리 선별은 지피지기 100점 불테라 이제 구조랑이 특징을 알면 어 저희가 이걸 어떻게 선별하고 분리할를 설계할 수 있어요음 그래서 대표적으로 보시게 되면 저렇게 다 모델 형태로 만들고 고 오른쪽에 보시다시피 저렇게 층간 구조로 배터리는 항상 만들 수밖에 없어요 왜냐면 전기가 계속 흘러야 되기 때문에 그죠 저런 구조이기 때문에 아 우리가 어떻게 설계할지 대충 아는 거예요네 분리 선별에서 가장 문제가 되는 거는 물질간의 열적이나 화학적으로 결합돼 있으면 물리적으로 분리하는 거니까 당연히 안 되겠죠 그렇죠 근데 살짝 물리적으로 결합돼 있으면 물리적으로 해체도 쉽겠죠 그렇죠 그렇죠 그니까 저게 물리적으로 결합돼 있는 거예요 다만 이제 화학적인 어느 정도 물질이 들어가 있긴 하지만 화학 다는 물리적으로 결합되 있기 때문에 물리적 처리인 분리 선별이 좀 더 용이하다 흥미롭게도이 패 배터리는 물리적 처리인 분리 선별이 생각보다 잘 맞는다음 어 우리가 참 쉽지 않은 원려 중에 하나다 그래서 환경부도 산업부도 분리 선별에 대해서 굉장히 집중적으로 하고 있어요 그래서 많이 지금 연구도 하고 있고 그에 대한 지금 중요성을 항상 지금 많이 얘기하고 있습니다 네네네 저희 입장에서는 감사한 거죠 왜냐면 사실 불리 선별이 모든 걸 해결하진 않거든요 근데 참 그거의 적합한 아주 고가의 순환 자원이라고 얘네 얘기할 수 있어요 패 배터리가네 패 배터리에서 분리 선별에 대한 공정을 살짝 나타냈는데 위에서 보시는 거 같이 이제 리 해체하고 그죠 방전한 데까지는 수작업으로 주로 해요 근데 이제 파분 세부터 열처리하고 선별하는 저 노란색이 저희가 얘기하는 이제 제가 주로 하는 이제 분리 선별이는 거죠 자동화 시스템을 갖춰야죠 그리고 그렇죠네 여기서부터 이제 자동화 시스템이 같이 갈 수밖에 없는 그래서 아래의 그림에 보시게 되면 저기 해체 방전한 후에 블랙 매스라운지들이 이제 혼입되어 있는 상태 저기에 에서 이제 불순물과 양극재를 많은 물질들 음극재 많은 물질들간에 저희가 분리하는게 저희의 테스크 저희의 분리 선별에 역할이 되는 거죠네 그래서 저게 이제 저희한테 이제 가장 큰 이슈고 결국엔 저걸로 성공하게 되면 블랙 매스를 고품 시켜서 사실은 굉장히 고가격의 이제 생산 루트를 만드는 거죠 성분 선별을 정확하게 잘만 해낸다 그러면은 오히려 투자한 그 에너지 그다음에 투자한 비용보다 더 많이 회수를 할 수가 있는 거죠네 그래서 저희 분리 선별은 항상 저런 설계를 할때 공정이 만들어지면 산업에서는 추가되는 공정일 가능성이 높아요 부담이 되잖아요 그죠 그렇기 때문에 반드시 저희는 에너지 계산부터 생산 계획부터 해 가지고 아 이게 들어가면 제품의 상태를 보고 너희들이 이득이 나올 것 같아라고 하면 이제이 기술이 산업에 적용이 되는 거죠 생각보다는 그래서 좋은 기술이어서 경제성이나 이제 산업적으로 안 맞아서 못하는 경우도 좀 많습니다음 그런 경우가 많죠 뭐 기술이 좋다고 해가지고 산업으로 바로 넘어가는 경우는 정말 많이는 없어요 생각보다 예 그런 좀 아이러니도 있다라는 걸 좀 말씀드리고 싶었고 이제 해체하는 겁니다 말 그대로 이제 팩이 오면 방전하고 해체하면 막 전극이지 전선들 다 분리해요 그 아까 얘기했듯이 셀을 모듈로 쌓아 놓으니까 다시 이제 셀로 이제 다 해체하는 거죠 저렇게 셀까지 나오게 되면 저 셀이 이제 저희 한 이제 분리 선별하는 사람들의 넘어오게 되는 거죠 물리적 처리하는 사람 그리고 아까 해체했던 뭐 전선이라 그지 뭐 전극판이 그지 아니면 PCB 보드 같은 것들이 제활용 업체한테 자연스럽게 다 넘어가요네 돈이 다 되는 겁니다 돈이 되니까 기술을 개발을 하는 거예요 요즘은 많이 하 세요 그래가지고 저 이제 세이 다음같이 저희 같이 넘어오면 파쇄하고 체질을 통해서 사이즈별로 이렇게 분리를 합니다 앞서 말했듯이 이제 특성을 알면은 파쇄하기 좋다는 얘기가 전극판 위에 저렇게 미립의 아주 작은 사이즈의 양극제 음극재 그이 이렇게 붙어 있어요 배터리 만들 때 잘 보시면 양극제 연극제의 슬러리 페이스트를 얇게 도핑하는 거예요음 예이 박막으로 해서 전극 붙이고 분리막 붙이고 음극재 붙이고 양극제 붙이고 분리막 붙이고 이렇게 붙여요 이렇게 붙여요 그러니까 얘네들을 잘 철거나 아니면은 잘 벗겨내면 되겠죠 그렇죠 예 그래서 그런 식으로 저희가 설계를 해서 미리에 있는 비싼 물질들을 따로 빼놓고 전국도 그 상태를 최대한 유지해서 저희가 선별할 수 있도록 떼어낼 수 있도록 노력을 최대한 하려고 해요 요즘엔 또 흥미로운 건 구리 값이 많이 올랐어요 그래서 결국엔 이제 그 음극재 옆에 붙어 있는 구리 정극도 굉장히 회수해 물질로 이제 바뀐 거죠 오 근데 이제 구리 정극까지 회수를 더 잘하면 상대적인 알루미늄도 상대적인 다른 이물질은 좀 덜지 잖아요 그러면 뭐 가격이 저렴해도 그 자체로만으로도 성분이 많이 모여 있다면 어떤 또 제활용 루트를 또 찾을 수 있다음 그가 이제 저희 분리 선별의 좀 장점인 거죠 아 그렇군요 이제 여기서 이제 또 꼭 얘기고 싶은게 뭐냐면 앞서 얘기했듯이 캐소드 애노드 같은 그런 값비싼 것들은 사이즈가 작으니까 저렇게 파쇄한 후에 이제 막 털어서 가장 작은 사이즈만 모아보면 저 표에서 아래에 보시다시피 작은 사이즈에 이제 모아지게 되죠네 그래서 현장에서는 저렇게 체질을 통해서 저렇게 돈이 되는 저걸 블랙 매라고 하거든요네 저거를 이제 따로 모아서 저기 자체가 하나의 상품으로 하나의 순환 자원으로 지금 공급이 되고 있어요 크기 하나만 가지고 분리를 한다 그래서 저렇게 이제 저거 블랙 매스가 상품으로 이제 수출까지 대가는 실정이에요 저게 하나의 제품입니다 제품네 저희 입장에서는 저 블랙 매스를 최대한 없거나 저 블랙 매스 중에 애노드 저 그라파이트는 좀 빼주면 캐소드 많아지잖아요 좀 더 비싼 물질는 고품의 물질로 만들 그 그런 식으로 해서 이제 저희가 분리 선별을 한다네 예 한다라고 이제 좀 말씀드릴 수 있어요 네 그러면 소하고 노드가 이제 붙어 있는 상태에서 어떻게 분리할 거냐 그림에 보시는 거 같이 원래 배터리 안에 유기 바인더가 들어가잖아요네 결국엔 저렇게 블랙 매스가 쉘 단위로 오가닉 바인더 그이 저렇게 유기 물질들이 이게 덮어져 있어요 그래서 저것들이 이제 사이즈가 작으니까 부유 선별이 딱 적합한 방법인데 부유 선별은 표면이 소수지 잘 갖고 오는데 금속 물질은 신수요 예 그럼 분리할 수 있는데 저 6기 바인더가 코팅이 돼 있으니까네 결국엔 그라파이트 다 같이 딸리 올라가는 거죠 아 저 외벽에 붙어 있는 저 유기 바인더를 잘 떼어내야 돼요네 근데 만약에 둘 다 다 떼어내면 원래부터 그라파이트는 소수성이 리튬 옥사이드 산화 물이니까 친수 그러면 부유 전별이 가능해지죠 그래서 위에서 보시게 되면 부유 선별할 때 저 용액이 용매 솔벤트에서 한 거예요 그래서 솔벤트에서 하니까 유기 바인더를 다 제거되니 그라파이트는 올라가고 그다음에 나머지는 침전되고 그리고 밑에는 아예 그냥 열로 없애자 그래서 위에는 열분해 안 한 건데 열분해 하니까 자들끼리 벌어지고 외벽에 붙어 있던 오가닉 바인더이 사라진다음 그래서 이런데 이제 결과적으로는 열처리가 가장 경제적이에요 그 사실이 너무 슬프다 예 슬퍼요 그래서 만약에 여러분들께서 이제이 연구 하시는데 저 표면을 어떤 친환경적이고 친환경적인데 굉장히 저렴한 가격을 만약에 개발하시는 정말로 대박 이실 거예요 엄청난 대박입니다 엄청난 대박이라는 건 엄청난 불을 가질 수 있다 그러니까요 공학은 코스예요 공학은 경제를 무조건 따라야 되는데 재활용만큼 코스트를 따지는 엔지니어는 없어요 예 그래서이 항상 같이 맞물릴 수밖에 없다라는 거를 한번 다시 말씀드리고요 열처리 소각처리 아 그 뜻이 아니고 그 표면에 있는 오가닉 바인더만 날릴 정도 왜냐면 소수성으로 만들어야 되니까 살짝 날리는 정도 근데 재밌는 건 폴리머 그은 대부분 멜팅 포인트의 온도가 600도 언절이에요 600도 되면 대부분 다 날아가요 폴리머 예 그래서 600 이하로 낮추는 연구를 지금 많 하는 거죠 600도 맥스가 그보다 좀 낮게 어떻게든 낮게 어떻게든 낮게 예 하는게 지금 현재 연구고 더 낮으면 이제 막 뭐 한 100도에서 이제 열처리하면 이제 어 잘 제거되면 이제 캐 소더가 에너지 분리할 수 있는 부유 선별이 잘 적용이 되는 거죠 런 식으로 이제 이제 현재 연구가 되고 있고 지금 현재 산업에서도 이제 막 진입 단계예요 그래서 굉장히 핫하다는 거 꼭 말씀드리고 싶었고 그래서 제가 준비한 이제 폐 배터리의 이제 분리 선별은 이제 여기까지고요네 그래서 여러분들이 이제 분리 선별부터 해서 이제 한번 얘기 들어보면네 대충 이제 이게 어떤 학문인지 예상이 좀 되실 것 같아요 오늘 너무 즐거웠고 저는 이런 자리에서 얘기하고 싶었는데 땀이 날 정도로 소화시킨 거 같아서 기분이 좋고요 일단은 저한테 굉장히 의미가 있는 작업이었고 감사하고 그런 자리인 거 같아요 저희야말로 또 이렇게 좋은 이야기 해 주시고 꼭 필요한 얘기였지아요 재활용이 어떻게 되는지 그리고 우리가 조금 더 어떤 책임감을 가져야 되는지 우리가 할 수 있는 역할들이 뭔지 그 뒤에서 어떤 역할을 하면서 이 연구들이 받쳐지고 있는지 이렇게 많은 노력하는 여러 가지 관점의 분야에서 알려 주셔서 저희도 감사하게 생각합니다네 마치도록 하겠습니다 인사할 시간도 많습니다 여러분의 시간을 낭비해 드릴 느리지만 쿠라가 랩 미팅이었습니다 감사합니다 교수님들 감사합니다 감사합니다 안녕히 주무세요 n