국제마그네슘협회의 생산통계에 의하면 국제 마그네슘 시장은 2011년의 9개 국가에서 814,000톤이 생산되었으며, 이중 중국에서 생산되는 양은 661,000톤으로 전체의 81%를 차지하였다. 전 세계적인 마그네슘 생산량은 2002년 468,000톤에서 2011년 814,000톤으로 증가하였으며, 10년간 170% 가량 증가하는 경향을 보여주며, 과거 10년간 연평균 18%의 고성장을 이루어 왔다. 각 나라의 마그네슘 생산량을 Fig. 1과 Table 1에 나타내었다. 그 중 중국의 마그네슘 생산 추이를 살펴보면 2002년 230,000톤 수준에서 2011년 660,000톤 수준으로 3배 가량 증가하였으며, 세계적인 수요 증가량 대부분을 중국에서 생산한 것으로 확인되고 있다. IPCC 가이드라인에서는 마그네슘 생산량 1톤을 주조하는 과정에서 보호가스 1 kg의 SF₆ 가스가 사용되는 것으로 보고하였으며, 이는 CO₂ 24톤을 배출하는 것과 같다. 따라서 온실가스를 감축하기 위해서는 마그네슘 생산공정의 SF₆를 관리하는 것이 필요하다.

Fig. 1. 
Primary magnesium production state.

(Source: International Magnesium Association)

국내 마그네슘 생산 및 수요 현황을 살펴보면 비약적 성장을 거듭하면서 마그네슘 수요가 점차 증가하고 있다. Table 2에 나타낸 한국무역협회의 통계자료에 의하면 국내 마그네슘 잉곳 소비 현황은 2004년 연간 10,667톤에서 2013년 연간 22,806톤으 확대되었다. 특히 자동차와 전기전자 부품에 소비되는 마그네슘 합금의 양은 2010년 6,300톤에서 2011년 8,061톤으로 28% 증가하였다. 이에 따라 국내 소비현황에 따른 SF₆의 배출량도 2004년 연간 최대 59.74톤에서 2013년 연간 최대 127.7톤으로 46.78% 증가하였다.

한국마그네슘기술연구조합(KMTRA)에 따르면 마그네슘 수요가 가장 크게 나타난 부분은 스마트폰 브래킷이며, 약 3,000톤 규모가 소비된 것으로 추정하고 있다. 현재 수입되고 있는 마그네슘 잉곳은 자동차, 가전제품, 비행기, 정밀기계 등 다양한 분야에서 고품질 경량 소재로 활용되고 있으며, 이러한 제품들은 소규모 중소기업에서 주조공정을 통하여 다양한 제품들이 생산되고 있다. 향후 스마트폰 생산량 증가와 자동차의 마그네슘 부품 사용량 증가로 2020년까지 연평균 20% 성장이 예상되는 것으로 추정하였으며, 2020년에는 소비량이 약 8만톤에 이를 것으로 예측되었고, 리싸이클 잉곳을 포함하면 마그네슘 소비량은 12만톤을 넘어설 것으로 추정하였다.

마그네슘 잉곳을 전량 수입에 의존하던 우리나라는 2012년 ㈜포스코에 의해 강릉에 최대생산량 연간 10,000톤 규모의 마그네슘 잉곳생산 공장을 준공하여 수입에 의존하던 마그네슘 잉곳을 국내에서 생산하기 시작하였다. 그러나 강릉공장의 생산량은 2012년 100톤, 2013년 현재 800톤의 실적을 보이며, 수입되는 마그네슘 잉곳 대비 4% 수준의 시설 가동율을 보이고 있다.

1차 마그네슘 생산 공정에서 CO₂를 배출하는 원료물질은 돌로마이트와 마그네사이트이다. 이론적으로 생산된 마그네슘은 kg당 돌로마이트는 3.62 kg, 마그네사이트는 1.81 kg의 CO₂를 배출한다. 1차 마그네슘 생산에 의해 배출되는 실제 CO₂ 배출량은 공정 과정에서의 물질 손실이 있으므로, 이론적인 배출량보다 더 높게 나타나게 된다.

원료광을 사용하는 경우에는 소성(Calcination) 공정, 피전(Pidgeon) 공정이 활용되고, 해수와 같이 액상에서 마그네슘을 추출하는 경우에는 전기분해(Electroysis) 공정을 적용한다.

소성 공정은 마그네슘 생산공정 중 가장 오래된 공정으로 마그네슘을 포함하고 있는 돌로마이트 및 마그네사이트를 고온에서 열분해하여 CO₂를 제거하여 산화마그네슘(MgO)을 생산한다. 생산된 산화마그네슘을 환원탄과 혼합하여 브리켓을 만들고, 2,500℃의 고온에서 연소시키면 산화마그네슘이 마그네슘 가스로 환원되고, 120℃에서 급속 냉각하여 마그네슘 금속을 생산하는 공정이다.

피전 공정은 소성 공정을 보다 낮은 온도에서 진행하도록 변화시킨 것으로 돌로마이트를 소성하여 산화마그네슘을 생산하는 부분은 소성공정과 동일하지만, 이후 산화칼슘과 페로실리콘(Si(Fe))을 섞어 브리켓을 만들고, 반응온도를 1,200℃ 조건으로 낮추어 마그네슘가스를 얻는다는 점에서 소성공정보다 에너지 효율이 높다.

전기분해법은 염화마그네슘(MgCl₂)에 전기에너지를 가하여 양극에서는 염소가스를 생산하고, 음극에서 용융 마그네슘을 얻는 공정이다. 사용되는 원료는 해수, 해염 등을 활용할 수 있고, 경우에 따라서는 돌로마이트에서 염화마그네슘을 얻기도 한다. 사용원료에 따라 개발공정이 특화되어 있으며, Dow Process, Norsk Hydro Process, I. G. Farben Process 등으로 구분된다.

2차 마그네슘 산업은 기계 조각, 고철, 가구 잔류물 등의 다양한 마그네슘 제품에서 금속성 마그네슘을 회수하고 재활용하는 것을 칭한다. 일반적으로 재활용을 위하여 용융시킨 마그네슘은 칼륨, 바륨, 산화마그네슘, 불화칼슘, 클로라이드 염 등을 포함한다. 또한, 마그네슘의 산화를 방지하기 위해 용융 표면에 보호가스를 이용한다(Antrekowitsch. et al., 2007)

마그네슘 관련 제품을 생산하기 위해서는 돌로마이트나 마그네사이트와 같은 원료 광석에서 생산한 1차 마그네슘 (마그네슘 잉곳)을 특정 제품의 형태로 성형하는 과정을 거치게 된다. 이러한 성형과정을 주조공정이라 하며, 다양한 주조공정이 존재하고 있다. 국내 마그네슘 주조산업의 경우는 대부분(96% 이상) 가압주조 방식인 다이캐스팅(Magnesium Die-Casting) 방식을 통해 제품을 생산하고 있으며, Fig. 2에 도시하였다. 이러한 다이캐스팅 방식 중에서도 고압 다이캐스팅 방식이 주로 사용되고 있다. 마그네슘 주조공정은 마그네슘 잉곳을 고온에서 녹이고, 주조틀에 주입하는 과정에서 마그네슘의 발화를 방지하기 위하여 SF₆와 운송가스(CO₂)를 보호가스(cover gas)로 사용하고, 이로 인하여 온실가스가 배출되게 된다. 다이캐스팅용 마그네슘 합금은 지속적인 다이캐스팅법의 발전과 합금 개발에 따라 내식성과 주조성이 향상되고 있으며, 그 소비량도 증가 추세에 있다(EPA, 2008).

Fig. 2. 
Magnesium die casting.

(Source International Magnesium Association)

제품으로는 자동차 부품이 많으며, 전기기기, 광학기기, 차량, 방적기, 건축, 제축기의 부품들이 있다. 사용되는 SF₆의 농도는 0.2∼0.3% 수준이며, 소비율은 마그네슘 톤당 1 kg 수준이다. 효율적인 설계를 통하여 사용되는 SF₆ 농도 수준을 0.04%까지 감소시킬 수 있는 것으로 보고되고 있다. 국내에 적용되고 있는 다이캐스팅 방식에는 핫챔버(Hot chamber), 콜드챔버(Cold chamber), 스퀴즈 캐스팅(Squeeze casting), Mgplus, 멀티슬라이드 다이캐스팅(MSDC, Multi Slide Die Casting), 칙소몰딩(Thixomolding) 등이 있다.

해외 주요 마그네슘 생산국의 2013 국제 온실가스 인벤토리 보고서를 검토하여 해당 국가에서 사용된 SF₆ 배출량 산정방법론 및 배출계수 등을 검토하였다.

2006 IPCC 가이드라인에 따라 마그네슘 산업의 SF₆ 배출계수 도출과정은 마그네슘 산업 분류로부터 출발하여 공정에서 SF₆ 사용량이 존재하고, 직접 측정된 배출량이 존재하면 Tier 3 수준의 배출량을 산정하며, 측정은 없지만 SF₆ 사용량에 대한 보고자료가 존재하면 Tier 2 수준의 배출량을 산정하고, 보고자료가 없지만 주요 카테고리라면 활동도 수준과 배출계수 자료를 활용하여 Tier 1 수준의 배출량을 산정하도록 규정하고 있다.

주조 마그네슘 생산시 사용되는 SF₆ 배출량은 마그네슘 주조 공정에서 사용되는 SF₆ 데이터를 기반으로 배출량을 산정한다. Tier 1 수준에서 마그네슘 주조 산업에서 소비되는 SF₆ 소비량을 모두 온실가스 배출량으로 산정하며, 온실가스 배출량이 과다 산정될 수 있는 가능성이 있다. Tier 2 수준도 Tier 1 방법론과 마찬가지로 마그네슘 생산 및 주조에 사용된 모든 SF₆ 가스가 온실가스로 배출된다고 가정하고, 주조 공정에서의 사용량이 아닌 마그네슘 산업 전체에서의 SF₆ 소비량에 의거하여 온실가스 배출량을 산정한다. Tier 3 수준은 사업장별 마그네슘 공정 시설에서 실제로 측정된 통계자료를 기반으로 산정된 온실가스 배출량 자료를 이용하여 산정한다.

미국의 마그네슘 산업의 SF₆ 배출계수를 Table 3에 나타내었으며, 다이캐스팅은 배출계수가 점점 증가하였으나, 나머지 마그네슘 산업은 증가하거나 감소하지 않았다. 다이캐스팅 배출계수의 경우 증가되는 것으로 보아, 마그네슘 생산에서의 온실가스 배출량에 많은 영향을 미치는 것으로 보인다. Table 4는 나라별 배출계수 현황으로 미국의 경우, 1차 마그네슘 생산과정의 SF₆ 배출계수는 1.1 kg-SF₆/Ton-Mg이며, NIR(National Greenhouse Gas Inventory Report) 상의 다이캐스팅 배출계수는 2.52 kg-SF₆/Ton-Mg, 소규모 업체의 평균값은 SF₆ 사용량이 다소 증가하여 5.2 kg-SF₆/Ton-Mg으로 추산하였다. 중력주조의 경우, 미국 배출계수는 1.0 kg-SF₆/Ton-Mg으로 보고하며, 다소 낮은 값을 제시하였다. 또한, EPA에서 다이캐스팅 업체의 배출계수를 도출한 결과, 각각 0.19, 1.25 kg-SF₆/Ton-Mg으로 나타났다.

국내 마그네슘 산업의 경우에는 다이캐스팅 시설에 대한 통계자료 구축과 공정별 SF₆ 사용현황 자료 등이 충분히 정리되지 않고 있다. 최근 국내업체에서 1차 마그네슘을 생산하기 시작하였으나, 아직 공정이 안정적 운전으로 진행되지 못하고 있으며, 이에 대한 배출량 산정 방법론의 구축도 아직 진행되지 않아, 국내의 경우 현재 적용 가능한 배출계수의 산정이 불가능하다.

향후 소규모 사업장의 주조시설별로 성능검사 자료를 구축하고, 이를 기반으로 국내 Tier 3 배출계수를 도출하여 국가통계에 활용하고, 이를 기반으로 마그네슘 주조공정의 Tier 3 배출계수를 통한 온실가스 배출량을 산정하여 국내 온실가스 인벤토리를 구축하여야 한다.