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2022년 1월 31일 (월) 00:05 판
희토류(稀土類, Rare-Earth Element)는 자연에 드물게 존재하는 금속 원소를 담고 있는 흙을 말하며, 화학 원소번호 57~71번에 속하는 란탄 계열 15개 원소(원자번호 57~71번)와 스칸듐, 이트륨을 합친 17개 원소를 뜻한다. 희토류의 중요성이 부각된 것은 4차 산업혁명 도래 이후 다양한 산업군에서 희토류가 필수적으로 필요한 제품들의 생산량을 대폭 증가시키고 난 뒤로부터 이다.
특히 에너지 사업에서 중요한 제품인 반도체와 연료전지에서 필수적인 물질이기 때문에 에너지 사업에 몰두하는 선진국들에게항상 화두가 되는 물질이다. 대표적인 희토류로 꼽히는 이트륨은 CRT 및 형광램프 등의 형광체와 세라믹 기능 소재, 그리고 초전도체 등의 제품에 다양하게 이용되고 있으며, 다른 원소들과 달리 화학적으로 매우 안정적이며, 건조한 공기를 잘 견디며 열을 잘 전도하는 특징이 있어 21세기에 꼭 필요한 물질로 촉망 받고 있다.
또한 란타넘은 전기자동차 배터리의 핵심인 니켈수소 합금전지의 주원료로 사용되며, 루테튬과 함께 원유를 정제하는 과정에서 촉매로 사용되기도 한다. 이 밖에도 현대사회에서 희토류는 전기 및 하이브리드 자동차, 풍력발전, 태양열 발전 등 21세기 저탄소 녹색성장에 필수적인 영구자석 제작에 꼭 필요한 물질이다.
전기자동차 한 대를 움직이는 데 필요한 영구자석에는 희토류 원소가 약 1kg가량 포함되어 있을 정도이다.
하지만 이렇게 쓰임새가 많은 희토류는 치명적인 단점을 가지고 있는데, 말그대로 희귀한 원소이기 때문에 전 세계적으로 희토류가 생산되는 장소가 매우 한정적이라는 것이다. 그리고 71%의 희토류가 묻혀 있는 곳은 바로 중국이다.[1]
개요
희토류는 주기율표의 17개 화학 원소의 통칭으로, 스칸듐(Sc)과 이트륨(Y), 그리고 란타넘(La)부터 루테튬(Lu)까지의 란타넘족 15개 원소를 말한다. 이들을 묶어 희토류로 통칭하는 이유는 서로 화학적 성질이 유사하고 광물 속에 그룹으로 함께 존재하기 때문이다. 종종 악티늄족 원소를 포함시키는 경우도 있다.
희토류라는 이름이 붙기는 했으나, 불안정 원소인 프로메튬을 제외하면 지구의 지각에 상대적으로 풍부하게 분포한다. 세륨은 68 ppm으로, 지각을 구성하는 원소 중 25번째로 풍부한 원소로 구리와 유사한 양이다. 그러나 지구화학적 성질로 인해, 희토류 원소는 경제성 있는 농축된 형태로는 거의 산출되지 않는다.
광물 형태로는 희귀한 원소이므로 이러한 관점에서 "희토류"라는 이름이 붙게 되었다. 희토류 원소를 포함한 광물 중 처음 발견된 건 스웨덴의 위테르뷔에서 발견된 가돌리나이트이다. 많은 희토류 원소가 위테르비의 지명에서 기원한 이름을 가지고 있다.
최초로 발견된 희토류, 이트륨의 발견
1787년 스웨덴의 칼 악셀 아레니우스(Karl Axel Arrhenius)는 스웨덴 스톡홀름 부근에 위치한 이테르비(Ytterby) 마을의 채석장에서 우연히 밀도가 크고 무거운 미지의 검정색 광석을 발견했다. 광석이 발견된 마을 이름에 광물을 의미하는 접미사 'ite'를 따서 이테르바이트(Ytterbite)로 이름붙인 아레니우스는 여러 과학자들에게 이 광석의 분석을 의뢰했다. 1789년 핀란드의 화학자이자 물리학자며 광물학자인 요한 가돌린(Johan Gadolin, 1760~1852)은 이 광석으로부터 새로운 산화물을 분리하는데 성공하고, 이 연구결과를 1794년에 발표했다. 이 새로운 산화물은 1797년 안데르스 에셰베리(Anders Gustaf Ekeberg)에 의해 이트륨(Yttria)으로 명명됐다. 이테르바이트는 1800년에 가돌리나이트(Gadolinite)로 이름이 바뀌었다.
1828년 프리드리히 뵐러(Friedrich WÖhler)는 이트륨 광석으로부터 이트륨 원소를 최초로 분리했으며, 1843년 칼 구스타프 모산더(Carl Gustaf Mosander)는 이트륨 광석이 흰색의 이트륨 산화물, 노랑색의 터븀 산화물, 그리고 장밋빛의 어븀 산화물 등 3개의 산화물을 포함하고 있다는 것을 밝혀냈다. 1878년 진 찰스 칼리싸드 드 마리낙(Jean Charles Galissard de Marignac)은 4번째 산화물인 이터븀을 분리했다. 현재 이트륨은 CRT 및 형광램프 등의 형광체와 세라믹 기능 소재, 그리고 초전도체 등의 제품에 다양하게 이용되고 있다.
희토류의 성질 및 용도
희토류는 화학적으로 매우 안정하고, 건조한 공기에서도 잘 견디며, 열을 잘 전도하는 특징이 있으며, 상대적으로 탁월한 화학적·전기적·자성적·발광적 성질을 갖는다. 현대사회에서 희토류는 전기 및 하이브리드 자동차, 풍력발전, 태양열 발전 등 21세기 저탄소 녹색성장에 필수적인 영구자석 제작에 꼭 필요한 물질이다. 예를 들어, 전기자동차 한대를 움직이는 데 필요한 영구자석에는 희토류 원소가 약 1kg가량 포함되어 있다. 또한 희토류는 LCD·LED·스마트폰 등의 IT산업, 카메라·컴퓨터 등의 전자제품, CRT·형광램프 등의 형광체 및 광섬유 등에 필수적일 뿐만 아니라 방사성 차폐효과가 뛰어나기 때문에 원자로 제어제로도 널리 사용되고 있다.
희토류 매장량 및 생산량
미국 USGS의 2011년 자료에 의하면 세계 최대의 희토류 매장국은 중국으로 매장량은 약 5,500만 톤에 이른다. 중국희토류협회는 중국내의 미확인 희토류 량을 1억 톤으로 추정하기도 했다. 두 번째 최대 매장국은 독립국가연합(CIS)으로 희토류 매장량이 1,900만 톤이며, 미국의 희토류 매장량이 1,300만 톤으로 그 뒤를 잇는다. 점유율은 각각 48.4%, 16.7%, 그리고 11.4%로 3국가의 총 매장량 점유율은 76.5%에 이른다. 희토류 생산량을 알아보면, 최대 생산국은 중국으로 2010년 생산량은 130,000톤으로 전 세계 생산량의 97%를 차지한다. 그 다음으로 인도의 생산량이 2,700톤, 브라질의 생산량이 550톤으로 그 뒤를 잇는다.
시대별 희토류 주요 생산지를 알아보면, 1948년까지는 인도와 브라질이 주요 생산지였다가, 1950년대에는 남아프리카공화국이, 1960년대에서 1980년대까지는 미국이, 그리고 1980년대 이후에는 중국이 희토류 주요 산지로 떠올랐다. 이 당시 중국은 희토류를 저가로 대량 공급해 미국 등 경쟁 국가를 압도했다. 그 결과 미국의 대표적인 희토류 광산인 캘리포니아의 마운틴 패스 광산은 2002년부터 채광을 중지하게 되었다.
희토류는 1)채굴과정(mining), 2)분리과정(separation), 3)정련과정(refine), 그리고 4)합금화과정(alloy)을 거쳐 수요자에게 공급되는데, 희토류의 분리, 정련 및 합금화 과정에는 고도의 기술력과 장기간 축적된 노하우가 필요할 뿐만 아니라, 이 과정에서 엄청난 공해물질이 발생한다. 따라서 대부분의 선진국에서는 중국 대비 희토류 생산비용이 높고, 환경보호 등을 위해 자국 내 희토류 생산을 점차적으로 중지한 바 있다.
자원무기화 되는 희토류
희토류는 반도체, 초전도체, 고성능 축전지, 디스플레이, 하이브리드 자동차, 전기 모터 등 첨단산업에 필수적으로 사용되는 핵심 원료다. 현재 전 세계 생산량의 절반에 가까운 희토류를 중국에서 생산하고 있으며, 미국 역시 희토류를 중국에 의존하고 있다.
그러나 미·중 무역갈등이 본격화되면서 미국은 각종 행정명령을 마련해 희토류에 대한 중국 의존도를 낮추고, 자국 중심의 공급망을 구축하기 위한 움직임을 보이고 있다.
대한무역투자진흥공사(KOTRA)의 '美, 첨단산업 필수재 희토류 공급망 재편 본격화한다' 보고서에 따르면, 미국은 컬러TV 수요가 폭발한 1960년대 중반 무렵부터 희토류 생산시장에 진입했었으나, 후발주자로 나선 중국이 1980년대 말~1990년대 초에 희토류를 매우 저가에 판매하기 시작하자 2000년대 초 희토류 채굴과 생산을 중단했다.
그러나 2010년, 중국이 희토류 수출을 줄이면서 가격이 급등했다. 이에 미국은 2010년대에 들어 다시 희토류를 채굴하고 있지만, 희토류 가공 시 환경오염 및 인체유해성 문제의 심각성이 대두되자 제련을 중국에 맡겼고, 미국에서 생산되지 않는 희토류는 중국에서 수입했다.
희토류의 중요성은 미·중 무역갈등에 따른 관세폭탄도 피해갈 정도였으나, 트럼프 전 행정부는 중국이 희토류를 무기화하는 것을 막고, 전자 및 방산 등 첨단 핵심산업 분야를 보호하기 위해 광산업에 국가 비상상태를 선포하고, 중요 광물개발을 조기 착수하라는 행정명령에 서명했다.
바이든 행정부 또한 2021년 2월 반도체, 배터리, 희토류, 의약품 등 4개 품목의 공급망 취약점을 100일간 검토하는 행정명령에 서명하고, 지난 6월 7일 그 결과 내용을 공개하며 '희토류 무기화'에 나선 중국과 정면 충돌을 예고했다.
이에 미국 상무부는 무역확장법 232 섹션에 따라 거의 독점적으로 중국에서 공급되는 네오디뮴(NdFeB) 자석에 대한 수입 조사를 시작, 국가 보안 관세를 부과할 것으로 예상된다.
이 밖에도 캘리포니아 모하비 사막 소재 희토류 광산인 ‘마운틴 패스’ 시설이 미국의 희토류 가공 시스템을 되살리기 위한 핵심으로 주목받으며 재가동 가능성이 제기되는 등 희토류에 대한 중국 의존도를 낮추기 위한 미국의 노력은 민간부문에서도 진행되고 있다.[2]
한국정부는 최근 희토류 등 산업 생태계를 이루는 핵심 물질인 희소금속 19종의 평균 비축량을 현재 56.8일에서 100일분까지 확대하기로 했다. 또 2025년까지 희소금속 100대 핵심 기업을 발굴하는 등 '희소금속 안심국가' 실현을 위해 금융·세제·규제 특례 등 패키지 지원에 나선다. 정부는 2021년 8월 5일 홍남기 부총리 겸 기획재정부 장관 주재로 제42차 비상경제 중앙대책본부 회의를 열고 관계부처 합동으로 이같은 내용을 담은 '희소금속 산업 발전대책 2.0'을 발표했다.[3]
각주
- ↑ R.E.F 16기 김 미 림, 〈우주야 지구의 희토류 생산을 도와줘!〉, 《에너지설비관리》, 2021-01-05
- ↑ 조해진 기자, 〈‘중국 의존도 낮춰라’…美, 희토류 공급망 재편 움직임〉, 《산업일보》, 2021-07-04
- ↑ 박성우 기자, 〈희토류 등 희소금속 비축량 확대... 57일분→100일분〉, 《조선비즈》, 2021-08-05
참고자료
- 〈희토류〉, 《네이버 지식백과》
- 〈희토류 원소〉, 《나무위키》
- 〈희토류 원소〉, 《위키백과》
- R.E.F 16기 김 미 림, 〈우주야 지구의 희토류 생산을 도와줘!〉, 《에너지설비관리》, 2021-01-05
- 조해진 기자, 〈‘중국 의존도 낮춰라’…美, 희토류 공급망 재편 움직임〉, 《산업일보》, 2021-07-04
- 박성우 기자, 〈희토류 등 희소금속 비축량 확대... 57일분→100일분〉, 《조선비즈》, 2021-08-05
같이 보기
