전기차에는 '청정' 또는 '친환경' 부품이 없다

전기차(EV)를 작동시키는 컴퓨터를 포함하여 전기차를 구성하는 모든 부품은 지구온난화와 오염에 기여한다.

배터리용 리튬 채굴을 지지하는 사람들은 종종 전기차가 '깨끗하고' '친환경적'이며 기후 변화를 완화하는 데 도움이 될 것이라고 주장하고 있다. 하지만 전기차를 포함한 모든 자동차의 모든 부품에 화석 연료를 포함한 채굴 재료가 필요하고, 그 과정에서 땅과 물이 파괴되고 오염되며, 수천 톤의 온실가스가 배출되는 상황에서 어떻게 이것이 사실일 수 있을까?

답은 사실이 아니라는 것이다. 미국의 리튬 아메리카(Lithium Americas)나 GM과 같은 기업이 수익성이 매우 높은 사업에 대한 지원을 구축하기 위해 하는 또 다른 거짓말일 뿐이다.

현재 여러 리튬 광산에서 일어나고 있고 앞으로도 수십 년 동안 계속될 파괴와 오염의 대부분은 전기자동차를 만드는 데 필요한 재료, 플라스틱을 만드는 데 필요한 석유와 가스, 철강을 만드는 데 필요한 석탄, 니켈, 철광석, 리튬과 함께 배터리와 기타 구성품을 만드는 데 필요한 구리, 니켈, 망간, 코발트, 흑연, 희토류를 공급하는 다른 모든 광산, 정제소, 제조 공장에서도 일어나고 있다.

하지만 자동차 소재 목록에서 실리콘은 거의 언급되지 않고 있다. 전기차 또는 모든 최신 자동차에 실리콘이 필요한 이유는 무엇일까? 바로 수천, 수만 개의 마이크로칩 때문이다.

현대의 모든 자동차는 더 이상 단순한 자동차가 아니라 본질적으로 '바퀴 달린 컴퓨터'라 할 수 있다. 일반 자동차에는 평균적으로 약 1,000개의 마이크로칩이 탑재되어 있지만, 전기차의 경우 3,000개에 달하며 전기차의 크기가 커지고 정교해짐에 따라 그 수는 점점 늘어나고 있다. 전기차가 환경에 미치는 영향을 이해하려면 차체와 자동차에 전력을 공급하는 배터리를 만드는 데 무엇이 들어가는지 이해하는 것만으로는 충분하지 않다. 전자 장치, 특히 자동차를 작동시키는 마이크로칩으로 만들어진 컴퓨터에 대해서도 이해해야 한다.

전자 및 컴퓨터 공학도 정도나 알 것 같은 어려운 얘기인데, 먼저 마이크로칩이란 무엇인가?

마이크로칩은 실리콘 웨이퍼에 트랜지스터, 저항, 커패시터, 다이오드로 구성된 집적 회로(IC)를 100층까지 에칭(etching)하고 모두 연결하여 칩을 통해 전기 신호를 이동시켜 연산을 수행하고 데이터를 저장하는 매우 얇은 실리콘 웨이퍼다. 마이크로칩 구성 요소는 손톱만한 크기의 마이크로칩에 500억 개의 트랜지스터가 탑재되어 있는 등 크기가 2나노미터(nm)에 불과할 정도로 매우 작다. 이러한 칩은 오염과 실수를 방지하기 위해 외부 공기보다 10,000배 깨끗한 공기와 정밀 장비(대부분 로봇)가 마이크로칩으로 채워진 '청정' 공장에서 만들어진다. 그야말로 컴퓨터가 컴퓨터를 만드는 것이다.

마이크로칩을 만드는 데 실리콘이 사용되는 이유는 무엇일까?

실리콘은 반도체로 만들 수 있기 때문에 실리콘에 새겨진 패턴을 통해 전기 신호를 효율적으로 전달할 수 있다. 참고로 태양광 전지의 실리콘은 태양광 에너지를 전류로 변환하여 전력망으로 전송할 수 있기 때문에 태양광 패널에도 실리콘이 사용된다. 그래서 실리콘이 태양광 패널에도 사용되는 이유인 것이다. 실리콘에 에칭된 마이크로칩의 부품은 수 나노미터 정도로 작기 때문에 실리콘은 매우 순도가 높아야 한다는 점을 기억해야 한다. 99.9999%의 순도 말이다. 그렇다면 순도 99.9999%의 실리콘은 어떻게 만들어질까?

순수한 실리콘을 만드는 과정은 인간이 발명한 것 중 가장 힘들고 정밀한 공정 중 하나다. 그 시작은 모래다. 모래에는 여러 가지 종류가 있지만, 이산화규소인 SiO2가 고농도로 함유된 석영에서 추출한 모래를 사용한다.

이산화규소는 먼저 석영 채석장에서 큰 덩어리로 추출된다. 모든 채굴과 마찬가지로 이 과정은 파괴적이고 에너지 집약적인 과정이다. 이 석영 덩어리는 광산에서 정제소로 운반되어 거대한 석탄 및 장작 용광로에서 1800℃까지 가열되어 이산화규소를 녹이고 불순물을 태운다. 태양광 패널용 순수 실리콘을 만드는 데도 동일한 공정이 사용된다. 

원소인 실리콘(Si)은 자연계 어디에서도 그 자체로 존재할 수가 없다. '제련'이라고 불리는 '탄화수소'(탄소+열) 환원 공정에서 탄소 C와 열(전기 아크에서 발생)을 사용하여 석영(SiO2)에서 추출해야 한다(SiO2 + 2C = Si + 2CO). 실리콘 제련 공장에서 환원제로 사용되는 여러 탄소원은 톤당 약 20메가와트시(MWh)의 전력을 필요로 하고 이산화탄소(CO₂)를 배출하므로 제련된 금속 등급(mg-Si) 실리콘 1톤당 최대 5~6톤의 CO₂가 발생한다. 따라서 태양광 발전 생산의 첫 번째 단계는 수백만 톤의 석탄, 코크스, 석유 코크스와 함께 활엽수 나무로 만든 숯과 우드칩을 수집, 운반, 연소하여 석영 '광석'(실리카 암석)에서 순도 97% 이상의 mg-Si를 제련하는 것이다.

제련 공정에는 매우 높은 온도와 지속적인 전력이 필요하기 때문에 제련소는 태양열이나 풍력 같은 간헐적인 전원으로는 전력을 공급할 수 없기 때문에 석탄, 가스, 원자력, 수력 발전으로 공급되는 전력망에 의존한다. 제련 공정에서는 일산화탄소, 이산화탄소, 납, 이산화황 등 유독성 폐기물과 대기 오염이 발생한다. 따라서 실리콘 제련은 에너지 집약적이고 오염이 심하지만, 이 과정 없이는 순수한 실리콘을 얻을 수가 없다.

하지만 순도 97% 또는 99%의 실리콘은 충분히 순수하지 않다. 마이크로칩의 기능이 수 나노미터 크기의 부품에 의존하는 경우, 실리콘에 불순물이 남아 있으면 그 기능을 방해하고 칩을 망칠 수 있다. 따라서 실리콘을 더욱 정제해야 한다.

다음 단계는 '지멘스 공정(Siemens Process)'을 사용하여 실리콘을 폴리실리콘으로 정제하는 것이다. 강한 열과 압력 하에서 이전 단계의 금속 실리콘으로 만든 실리콘 가스를 수소 가스와 혼합하여 가열된 실리콘 가스 분자를 가닥으로 고정시켜 99.9999%의 순도 폴리실리콘을 만든다. 다시 한 번 강조하지만, 이 공정은 지속적인 전기와 열이 필요하고 생산된 폴리실리콘 1톤당 최소 175MWh의 전기가 소모되는 에너지 집약적이고 공해가 심한 공정이다.

이 단계에서는 거의 100% 순수한 실리콘을 얻었지만 실리콘 원자가 올바르게 배열되어 있지 않다. 실리콘은 비정질(amorphous)이기 때문에 전기를 가장 효율적으로 전도하기 위해서는 정렬된 격자 구조로 배열되어야 한다.

따라서 지멘스 공정에서 생산된 폴리실리콘은 덩어리로 잘라져 출하된 후 '조크랄스키 공정(Czochralski Process)'을 통해 다시 정제된다. 폴리실리콘 덩어리는 불활성 아르곤 가스(실리콘과 반응하지 않는)가 들어 있는 도가니에서 녹는다. 

그런 다음 실리콘의 작은 씨앗 결정이 녹은 폴리실리콘으로 내려간다. 씨앗 결정을 천천히 빼내면 씨앗 끝에 하나의 실리콘 결정이 형성된다. 도가니가 회전하면서 폴리실리콘은 원통형 잉곳(ingot)으로 계속 성장하여 대부분의 비실리콘 불순물을 남기게 되는데, 이 과정에는 며칠이 걸리며 중단 없는 전력이 필요하다. 잉곳/웨이퍼/셀 공장은 유입되는 폴리실리콘 톤당 100MWh 이상의 추가 에너지를 사용할 수도 있다.

이 공정의 결과물은 99.9999% 순도의 구조화된 실리콘으로 이루어진 '잉곳'이라고 하는 실리콘 벽돌이다. 그런 다음 이 잉곳을 '웨이퍼라고 하는 매우 얇은 디스크로 절단한다. 이 웨이퍼 절단 과정에서 잉곳의 약 절반이 실리콘 톱밥으로 손실되어 회수할 수 없게 되는데, 이는 순수하고 구조화된 실리콘을 만들기 위한 모든 노력과 에너지의 절반이 손실되어 낭비된다는 것을 의미한다. 그런 다음 웨이퍼는 완벽한 표면이 될 때까지 연마되어 칩 제조 공장, 곧 '클린' 공장으로 보내져 마이크로칩으로 만들어진다. 마이크로칩이 완성되기까지는 아직 많은 단계가 남아 있다.

미국의 반도체칩 메이커인 인텔(Intel)사의 「모래에서 실리콘으로: 칩 만들기(From Sand to Silicon: Making of a Chip)」라는 문서를 보면 다음 단계가 자세히 설명되어 있다. 요컨대, 포토 레지스트에 다양한 화학 물질을 바르고, 웨이퍼에 이온을 쏘아 포토 레지스트를 씻어내고, 절연체 층을 바르고, 포토 레지스트를 바르고 다시 씻어내고, 웨이퍼를 에칭하여 트랜지스터가 될 다양한 모양을 만들고, 웨이퍼를 황산구리로 전기 도금하여 트랜지스터 사이에 구리 연결을 만들고, 웨이퍼를 다시 연마하여 개별 마이크로칩으로 절단하는 과정이 포함된다. 어휴 너무 복잡하다! 그리고 이 공정에는 많은 화학 물질과 이러한 화학 물질에 의해 오염된 많은 양의 정제수가 필요하다.

이러한 마이크로칩은 자동차를 구동하는 컴퓨터(그리고 휴대폰에서 냉장고에 이르는 다른 모든 컴퓨터 기기)를 만드는 데 사용된다. 마이크로칩은 컴퓨터나 자동차에 사용되는 더 큰 컴퓨팅 장치의 일부일 뿐이며, 모든 부품과 배선이 포함된 완성된 회로 기판에는 수많은 금속과 독성 화학물질을 포함한 수백 가지의 다양한 재료가 필요하다. 컴퓨터(또는 자동차)의 회로 기판을 만드는 데 사용되는 모든 재료를 채굴하고 정제하는 데 필요한 에너지로 인해 컴퓨터가 사용하는 에너지의 83%가 구체화되며, 이는 대부분의 에너지가 컴퓨터가 작동하는 데 사용되는 것이 아니라 컴퓨터를 만드는 데 사용된다는 것을 의미한다.

그렇다면 컴퓨터, 휴대폰, 전기차에 탑재된 이 모든 마이크로칩은 제품 수명이 다하면 어떻게 될까? 대부분의 전자제품은 수명이 다하면 전자 폐기물이 된다. 종종 회로 기판은 아프리카나 아시아 등 다른 국가의 폐기물 처리장으로 보내져 구리나 금과 같은 귀중한 금속을 추출하기 위해 태워진다. 나머지 물질은 유해 폐기물이 되어 대기 오염과 유독성 재가 되어 토양, 수질, 대기, 환경법이 느슨한 국가의 쓰레기 매립장에 버려지고 만다. 전자 폐기물에서 물질을 추출하는 사람들은 이 과정에서 발생하는 오염의 피해를 고스란히 떠안게 되며, 오염 물질로 인해 오염된 자연도 함께 피해를 입게 된다.

반짝이는 신형 전기차에 탑재된 3천여 개의 마이크로칩은 에너지 집약적이고 오염이 심한 전기차, 화석 연료로 만든 석탄과 석유화학 제품을 사용해야 하는 전기차, 그리고 다른 온실가스 및 오염 물질과 함께 다량의 이산화탄소를 배출하는 전기차의 물질적 현실의 일부에 불과하다.

리튬 채굴과 전기차에 사용되는 다른 많은 소재에 필요한 채굴은 결코 '청정'하거나 '친환경'적이지 않다는 것이다.

전기차를 구동하는 마이크로칩을 만드는 데 필요한 공정도 마찬가지다. 이러한 단어를 사용하여 전기차를 설명하는 것은 거짓말이다. 자동차 회사와 광산업체들이 전기차가 어떻게든 '기후 변화로부터 우리를 구할 것'이라고 말하는 것 역시 거짓말이다. 우리는 이들 기업이 이러한 거짓말로 빠져나가도록 내버려 두어서는 안 된다. 매번 이 문제를 제기해야 한다.