알루미늄, 구리 대체재로 한계 보여... 태평양북서부 연구소 지적

친환경 전환이 가속화되면서 구리 수요가 급증하고 있다. 이는 구리가 재생에너지 인프라, 전기차(EV), 전력망에서 핵심적인 역할을 하기 때문이다. 기업들이 새로운 광산 개발에 나서고 있음에도 불구하고, 2035년까지 구리 부족량이 수백만 톤에 이를 것으로 예상된다. 이에 과학자들과 엔지니어들은 알루미늄과 같은 대체재를 모색하고 있다.

알루미늄은 높은 전도성과 내부식성 등 구리의 바람직한 특성을 많이 공유하고 있다. 지구 지각에는 최대 8.1%의 알루미늄이 보크사이트 광석 형태로 존재해 지구상에서 가장 풍부한 금속이다. 반면 구리 매장량은 지표면 더 깊은 곳에서 1차 광석 침적물의 광화작용을 통해 형성되어 발견과 추출이 더 어렵고 양도 적다.

알루미늄의 응용 분야는 전기차를 넘어 전력망과 재생에너지 시스템으로 확대되고 있다. 가공 송전선, 태양광 패널 프레임, 풍력 터빈 부품 등이 대표적이다. 해저 케이블과 중요한 변압기 권선은 여전히 구리의 우수한 전도성과 피로 저항성 때문에 구리를 선호하지만, 재생에너지 분야에서 알루미늄의 역할은 점차 커지고 있다.

아인트호벤 대학의 연구원 아우케 훅스트라는 "전기차에 사용되는 구리의 거의 모든 부분을 알루미늄으로 대체할 수 있다. 모터 권선에서 와이어 하네스까지 가능하다"고 말했다. 그러나 연료 효율성 측면에서 가벼운 무게가 장점임에도 불구하고, 알루미늄의 전도성은 구리의 60%에 불과하다.

게다가 알루미늄 생산은 에너지 집약적이어서 용융 알루미늄 1톤을 생산하는 데 13~15 메가와트시의 전력이 필요하다. 또한 알루미늄은 크리프율이 높고 산화 경향이 있어 설계 제한과 재료 처리에 어려움이 있다.

따라서 내구성과 소형화가 요구되는 고수요 상황, 즉 지하 전력선, 고압 변압기, 고밀도 회로기판 등에는 여전히 구리가 선호되고 있다.

2022년 태평양북서부 국립연구소의 키르티 카파간툴라가 이끄는 연구팀은 금속 구조를 변경해 개별 원자를 제거하거나 재배열하는 시뮬레이션을 통해 알루미늄의 전도성을 높이는 연구를 진행했다. 그러나 카파간툴라의 최근 연구에 따르면 초점이 그래핀으로 옮겨갔다. 그래핀은 탄소 동소체로 미시적 규모에서 가장 강한 물질로 측정된 바 있다.

이 물질의 인기는 미 에너지부가 현재 진행 중인 수백만 달러 규모의 전도성 향상 물질 개발 경쟁에서도 뚜렷이 나타난다. 7개 경쟁 팀 중 3개 팀이 구리 복합 재료에 집중하고 있으며, 그 중 2개 팀이 그래핀을 포함하고 있다.

연구자들은 그래핀을 도입함으로써 원자 수준에서 저항을 줄이고, 구리의 고유한 장점을 유지하면서 새로운 효율성을 확보하려 한다. 탄소중립 세계에서는 두 가지 선택지가 있다. 구리 공급을 늘리거나 효율성을 극대화하는 것이다.

글로벌 X 구리 광산업체 ETF(NYSE:COPX)는 연초 이후 시장 수익률을 하회하며 13.40%의 수익률을 기록했다. 이 ETF의 주가수익비율(P/E)은 10.90배로, S&P 500 지수의 30.4배보다 훨씬 낮은 수준이다.