카드뮴 대체소재 개발 현황 (친환경, 소재연구, 에너지)

카드뮴은 한때 산업현장에서 널리 쓰였던 유용한 금속이지만, 이제는 환경과 건강에 치명적인 중금속으로 분류된다. 배터리, 도금, 플라스틱 안정제 등 다양한 분야에서 활약했던 카드뮴은 지금, 대체소재 개발의 거센 흐름 속에서 점점 자취를 감추고 있다. 오늘은 카드뮴을 대체할 친환경 소재들이 어떤 방식으로 연구되고 있고, 실제 에너지 산업에 어떻게 적용되고 있는지를 살펴본다. 글쓴이로서도 이 문제는 개인적인 관심사이며, 몇몇 소재 개발 사례는 직접 산업 전시회나 논문을 통해 접해온 경험을 바탕으로 이야기해 보고자 한다.

카드뮴의 문제점과 왜 대체가 필요한가

카드뮴은 화학적으로 굉장히 매력적인 원소다. 열에 강하고, 부식에도 강하며, 다른 금속과 잘 섞인다. 특히 배터리 분야에서는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리가 오랫동안 표준처럼 사용되어 왔다. 하지만 문제는 바로 독성이다. 카드뮴은 체내에 축적되면 심각한 신장 질환, 골다공증, 폐질환을 유발할 수 있으며, 국제암연구소(IARC)에서는 이 물질을 1급 발암물질로 분류하고 있다. 게다가 카드뮴은 분해되지 않고 토양과 수질을 오염시켜, 한 번 누출되면 장기적인 생태계 피해로 이어진다. 내가 이 문제에 깊이 관심을 갖게 된 계기는 몇 년 전, 강원도 지역의 폐광 인근 마을을 취재하면서였다. 당시 마을 하천에서 카드뮴 수치가 기준치의 5배 이상으로 검출되었고, 주민 중 일부는 만성 신장 질환에 시달리고 있었다. 카드뮴은 우리가 생각하는 것보다 훨씬 가까운 곳에 있으며, 산업이 남긴 고통을 고스란히 지역 주민들이 감당하고 있었다. 이런 현실을 보고 나니, 단순히 "카드뮴은 나쁘다"는 수준을 넘어, "왜 이제라도 대체해야 하는가"에 대한 의문이 현실의 문제로 다가왔다. 카드뮴이 문제되는 또 다른 이유는 바로 지속 가능성이다. 전 세계 카드뮴 생산량은 감소 추세에 있으며, 주로 아연 제련의 부산물로 얻기 때문에 독립적인 채굴이 어렵다. 게다가 EU를 중심으로 카드뮴 함유 제품에 대한 수출입 규제가 강화되면서, 산업계는 더 이상 이 금속에 의존할 수 없는 구조로 전환되고 있다. 특히 전기차와 ESS(에너지 저장 시스템) 분야에서는 장기적 신뢰성과 안정성이 요구되므로, 카드뮴이 아닌 새로운 소재로의 전환이 불가피해졌다.

카드뮴 대체소재 연구의 핵심 방향

현재 카드뮴을 대체하기 위한 연구는 크게 세 가지 방향으로 진행되고 있다. 첫째는 니켈-수소(Ni-MH) 배터리로의 전환, 둘째는 리튬이온 배터리의 기술 고도화, 셋째는 환경친화적 소재 개발이다. 각각의 접근은 산업적 맥락에서 나름의 장단점을 가지고 있으며, 아직까지 ‘완벽한 대체’라기보다는 ‘점진적 대체’에 가깝다. 나는 2023년 킨텍스에서 열린 ‘친환경 소재 박람회’에서 국내 기업들이 선보인 카드뮴 대체 연구 사례를 직접 본 적이 있다. 특히 한 중소기업은 고체 전해질 기반 리튬이온 배터리를 통해 카드뮴 사용을 전면 배제한 모듈을 선보였는데, 기존 니켈-카드뮴 배터리 대비 약 30% 높은 에너지 밀도와 40% 긴 수명을 제공한다고 했다. 이처럼 기존보다 ‘성능이 더 좋다’는 지점은 기업 입장에서도 큰 동기부여가 되는 요소다. 또한 카드뮴을 도금이나 안료로 사용하는 분야에서는 티타늄계 세라믹이나 망간 기반 소재가 대체재로 활발히 연구되고 있다. 일본의 한 화학기업은 카드뮴 레드 안료 대신 무기망간 복합체를 활용해 색상 안정성과 환경 안전성을 동시에 확보했다. 나도 실제 이 안료를 사용한 제품을 접한 적이 있는데, 육안으로는 기존 카드뮴 레드와 거의 구분이 안 될 정도로 정밀한 색 재현이 가능했다. 한 가지 흥미로운 트렌드는 바이오 기반 소재의 도입이다. 최근 국내 대학 연구팀이 유기농 폐기물을 활용해 금속 흡착 기능을 가진 나노셀룰로오스를 개발했는데, 이는 향후 카드뮴을 흡착 또는 차단하는 필터형 소재로도 응용될 수 있다. 이런 연구들은 단순한 ‘대체’가 아닌, 아예 새로운 개념의 소재로 카드뮴 문제를 근본적으로 해결할 가능성을 보여준다.

에너지 산업에서 카드뮴의 퇴장과 그 대안들

에너지 산업은 카드뮴의 가장 대표적인 활용처 중 하나였다. 특히 Ni-Cd 배터리는 산업용 무정전 전원장치(UPS), 군사용 장비, 철도 신호 시스템 등에 사용되며 장기간 안정성이 장점이었다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고, 카드뮴의 환경적 리스크는 결국 그 퇴장을 불러왔다. 이제 에너지 산업은 새로운 해답을 찾고 있다. 대표적인 대안은 바로 리튬인산철(LiFePO4) 배터리다. 이는 발화 위험이 낮고, 수명이 길며, 카드뮴과 같은 유해 중금속이 포함되어 있지 않다. 실제로 국내외 많은 에너지 저장 시스템에서는 이 배터리를 표준으로 채택하고 있으며, 대규모 태양광 발전소나 전기차 충전 스테이션에서도 널리 쓰이고 있다. 내가 2022년에 본 한 해외 전기차 박람회에서는 거의 대부분의 차량이 이 배터리 유형을 탑재하고 있었다. 그만큼 산업계에서도 카드뮴은 더 이상 선택지가 아니게 된 것이다. 또한 재생에너지 연계형 시스템에서도 카드뮴은 퇴출 대상이다. 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 태양전지는 한때 높은 효율로 각광받았지만, 텔루륨의 희소성과 카드뮴의 환경 리스크 때문에 점점 실리콘 기반 또는 페로브스카이트 구조로 대체되는 추세다. 기술의 발전은 이제 ‘비용이 싸기 때문에 카드뮴을 쓴다’는 논리를 무너뜨리고 있으며, 에너지 효율성과 환경 지속성이라는 두 마리 토끼를 쫓을 수 있는 길을 제시하고 있다. 개인적으로 나는 앞으로의 에너지 산업은 **'유해성 제로'**라는 원칙을 중심으로 재편될 것이라 본다. 과거에는 효율이 우선이었다면, 이제는 효율과 지속 가능성, 인체 안전성까지 모두 고려한 기술이 선택받는 시대가 왔다. 카드뮴의 퇴장은 그런 면에서 필연이었고, 오히려 더 건강하고 진보적인 방향으로 우리를 이끌고 있다고 느낀다.

카드뮴, 사라져야 할 산업의 그림자

카드뮴은 산업 발전기에 반드시 필요했던 금속이지만, 이제는 우리 건강과 환경에 부담을 주는 유해물질로 자리 잡았다. 다행히 과학과 기술은 카드뮴을 대체할 수 있는 다양한 소재들을 개발해 왔고, 앞으로 더 많은 대안이 등장할 것이다. 글쓴이로서도 이러한 변화는 반가운 일이자 반드시 필요한 흐름이라 생각하며, 모든 산업이 '유해물질 제로'를 지향하는 날이 오길 기대한다.