21세기 세계경제에 첨단산업의 생산품이 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 희소한 금속인 희토류는 소량으로 첨단 기능을 가능하게 하여 첨단 산업에서의 주요한 요소가 되었습니다. 희토류의 성질과 용도, 중국의 움직임과 미국과 일본의 대응, 그리고 우리나라의 상황과 대처 방법 등을 알아봅니다.
첨단산업의 비타민으로 불리는 희토류에 대해 알아봅니다.
1. 희토류란?
1.1 희토류 뜻
稀土類元素 (Rare Earth Elements)란 토양에 있는 희귀한 원소를 말합니다. 물질의 지구화학적 특성상 경제성이 있을 정도로 농축된 형태로는 산출되지 않고 광물 형태로는 희귀하므로, ‘자연계에 매우 드물게 존재하는 금속 원소’라는 의미의 희토류라는 이름이 붙었습니다.
실제 원소 이름이 ‘숨어 있다(란타넘 Lanthanum)’, ‘얻기 어렵다(디스프로슘 Dysprosium)’일 정도입니다.
원소기호 57번부터 71번까지의 란타넘(란탄)계 원소 15개와, 21번인 스칸듐(Sc), 그리고 39번인 이트륨(Y) 등 총 17개 원소를 총칭한다.
란타넘에서 사마륨까지의 6 원소를 세륨족 원소, 유로퓸에서 루테튬까지 이트륨·스칸듐을 합친 11 원소를 이트륨족 원소라고 한다. 모두 희유원소에 속하며, 프로메튬은 방사성원소로 안정동위원소는 존재하지 않는다. 또한 원자번호가 홀수인 것은 짝수인 것에 비해 존재량이 적다. 그런데 이름과는 달리 매우 풍부하다. 백금족 원소, 금, 은, 카드뮴, 수은, 인듐, 셀레늄, 텔루륨, 안티모니, 비스무트보다 풍부할 정도. 단지 한곳에 집중된 광맥을 찾기 어렵고, 그렇게 찾아도 홑원소로 추출이 매우 어려워서 이런 이름이 붙은 것이다.
희토류 중에서 가장 많이 쓰이는 것은 네오디뮴(Nd)으로 전체 희토류 소비의 40%를 차지한다. 네오디뮴을 넣어 자석을 만들면 자력이 10배 강해지므로 그만큼 자석을 소형화할 수 있다. 이런 식으로 조금만 넣어도 소재의 성능이 크게 달라지는 특성이 있다.
출처-나무위키/네이버지식백과
주기율표에 표시된 희토류 원소 /붉은 사각형 내의 17개 원소 (출처-네이버지식백과)희토류 산화물 사진. 가운데 위부터 시계 방향으로 프라세오디뮴, 세륨, 란타넘(란탄), 네오디뮴, 사마륨, 가돌리늄. (출처-네이버지식백과/미국농무부 제공)
1.2 심각한 환경오염 초래
이름에 '희귀한 토양'이라는 단어가 붙었지만 이름과 달리 프로메튬과 우라늄 정제로 소량만 나오는 스칸듐을 제외하면 지표에 비교적 풍부합니다.
지표에 많지만 많이 생산하지 못하는 이유는 채굴하고 가공하는 과정에서 극도의 환경오염과 심각한 산업재해를 초래하기 때문입니다.
희토류 원소들이 화학적으로 비슷하기 때문에 서로 달라붙는 경향이 강합니다. 채굴한 희토류는 대부분 여러 원소가 섞여 있는 상태입니다. 여기에서 필요한 희토류 원소를 분리하려면 여러 단계에 걸쳐 강력한 용매를 사용해야 합니다. 그런데 이 과정에서 엄청난 노동력과 시간이 필요하고, 환경오염을 일으킵니다.
희토류는 원석에 다양한 원소가 섞여 있어서 이를 정련하려면 다음과 같은 과정을 거쳐야 합니다. ① 채굴 (mining) ②분리(seperation) ③정련(refine)
그리고, 정련된 희토류를 활용하기 위해서는 ④합금화 (alloy) 과정을 거칩니다.
이 과정을 거치려면 원석을 깬 후 액체로 녹이고 원소끼리 모아야 하는 복잡한 과정을 거쳐야 하므로 이 과정에서 독성 물질들이 배출됩니다. 그리고, 이 과정에는 고도의 기술력과 오랜 기간 동안 쌓인 노하우가 필요합니다.
실제로 전 세계적으로 희토류 광산이 있는 곳마다 독성 화학 물질, 산성 물질, 중금속, 방사성 물질 등으로 오염된 폐수가 지하수로 스며들어 심각한 피해를 입히고 있습니다.
그리고 노동자들이 고분고분해야 하며 임금이 싸야만 채굴할 수 있습니다.
이런 이유 때문에 중국, 브라질, 러시아, 콩고민주공화국 등 땅이 넓고 독재권력으로 밀어 부칠 수 있는 국가에서 생산할 수 있습니다.
1.3 희토류 재활용
희토류 채굴로 인한 환경오염 등의 부작용을 막기 위해 과학자와 기업들은 다양한 방법을 찾고 있습니다. 그러나 기본적으로 희토류를 대체할 수 있는 방법은 아직 찾지 못했습니다.
그래서 등장한 것이 희토류 재활용입니다. 현재 1%에 불과한 희토류 재활용을 철이나 구리처럼 쉽게 재활용할 수 있도록 하겠다는 겁니다. 실제로 미국에서 회수된 하드디스크 드라이브에서 네오디뮴을 회수하면 10년 간 중국을 제외한 전 세계 수요의 5%를 충족할 수 있다는 분석도 있습니다.
구리염을 활용하는 방법은 이미 상용화 단계에 접어들 정도로 재활용 기술이 개발되고 있습니다.
1.4 세계 희토류 매장량 순위
전세계 희토류 매장량 순위(출처-뉴스핌)
1.5 달 표면에도 있는 희토류
세계 각국은 우주 광물 채굴에도 앞 다투어 뛰어들고 있습니다. 우리나라 지질자원연구원도 지난 1월, 우주 자원을 적극적으로 탐사하기 위한 우주자원 전담 연구조직을 신설했습니다. 그러나, 달표면에서 채취를 하기까지는 오랜 시간이 소요될 것입니다.
2. 희토류의 성질 및 용도
2.1 희토류 성질
●희토류는 지구상의 다른 원소들과는 다른 특별한 능력을 지니고 있습니다. 과학자들은 희토류를 ‘수천 가지의 요구를 충족시키는 물질’이라고 표현합니다.
그리고, 희토류는 아주 소량으로 첨단 기능을 가능하게 합니다.
●희토류 때문에 가능해진 일들은 아래와 같습니다.
♤스마트폰 화면에서 색을 발하게 하는 것, ♤유럽연합의 지폐인 유로화 위조를 방지하는 형광 물질, ♤해저를 가로지르는 광섬유 케이블, ♤전기차와 컴퓨터의 자석, ♤헤드폰의 음파 생성, ♤열 추적 미사일의 궤적 이동, ♤양자 컴퓨터 제작 등입니다.
◇특별한 전자(電子)가 만든 희토류의 놀라운 능력
희토류의 특별한 능력은 독특한 ‘전자(電子)’에서 나옵니다.
중고등학교 과학 수업 시간에 배운 것들을 떠올려 보겠습니다. 모든 원자는 가운데에 핵이 있고, 핵 주변에는 궤도를 도는 전자가 있습니다. 핵에서 가장 먼 궤도를 도는 전자는 화학반응에 참여하고 다른 원자와 결합합니다. 원자의 구조 희토류 원소에는 특별한 궤도를 도는 f-전자라는 전자들이 있습니다. 이 f-전자들 덕분에 희토류 금속은 특이한 성질을 갖게 됩니다.
김효임 교수의 설명을 들어 보겠습니다.
“희토류 원소들의 최외곽에는 f-전자들이 존재할 수 있는 공간(f-orbital, f-오비탈)들이 있습니다. 이때 이 공간들이 완전히 채워져 있는 것이 아니라 일부가 비어있는 상태로 존재합니다(unoccupied state). 즉, 다른 전자들이 잠깐 존재할 수 있는 여지가 있는 것입니다. 희토류 원소에 어떠한 자극이 가해지면, f-오비탈이 아닌 다른 궤도의 전자 중 하나가 잠깐 그 비어있는 자리로 이동을 할 수 있는데, 이것은 안정적인 상태가 아니므로 원래 자리로 다시 돌아가려는 성질이 있습니다. 이때 원래 자리와 잠깐 있던 자리만큼의 에너지를 외부로 방출하게 됩니다.”
다시 말해 각 희토류는 자극을 받은 뒤 정상화되는 과정(바닥상태가 되는 과정)에서 각기 다른 특정한 파장의 빛을 방출합니다. 이 특성을 이용하면 전자 장치에서 필요한 능력을 구현할 수 있습니다. 예를 들어 테르븀은 약 545nm(나노미터)의 파장에서 빛을 방출하는데 이 빛은 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 스마트폰 화면에서 녹색 빛으로 쓰입니다. 유로퓸은 두 가지 빛을 내놓는데 각기 적색과 청색입니다. ‘빛의 3 원색’인 이 세 가지를 조합하면 원하는 모든 색상을 만들어낼 수 있습니다.
◇물성적 한계도 지녀
다만 희토류는 물성적인 한계가 있습니다. 예를 들어 자석의 핵심 재료인 네오디뮴은 쉽게 부식되거나 부서지며, 섭씨 80도가 넘으면 자력이 떨어집니다. 이를 해결하기 위해 다른 금속과 합금을 만듭니다. 현재 전 세계 영구 자석의 95% 이상이 이 희토류 합금으로 만들어집니다.
◇강력한 자석 원료
가장 강력한 자석으로 꼽히는 네오디뮴-철-붕소 자석의 경우 3kg의 자석으로 300kg이 넘는 물체를 들어 올릴 수 있습니다. 이 자석은 스마트폰의 진동을 발생시키고, 헤드폰의 소리를 냅니다. 하드디스크 드라이브에서 데이터 읽기와 쓰기를 가능하게 하는 것도, 자기 공명영상(MRI)을 찍을 수 있는 자기장을 생성하는 것도 자석입니다. 또 이 자석에 약간의 디스프로슘을 추가하면 전기 자동차 모터의 로터로 사용됩니다.
출처-반도체 다음은 ‘희토류’ 전쟁, 한국 산업의 재앙될까 (조선일보 2023.3.31)
●희토류의 대표적인 성질(특성)입니다.
♤화학적으로 매우 안정적 산소, 불소, 인산 등의 음이온과 매우 안전한 화합물을 형성 ♤건조한 공기에서도 잘 견딤 ♤열을 잘 전도함. ♤전자파를 흡수하여 가시광선을 발광 ♤독특한 자기적 성질(일반 영구자석의 10배이상의 자성을 지님)
2.2 희토류가 쓰이는 곳
희토류 용도
2.2.1 영구자석
●전기 및 하이브리드 자동차 모터 및 배터리 토요타 프리우스 전기자동차 1대당 1kg 니오디뮴과 100~200g의 디스프로슘 필요 ●풍력발전 터빈 (약 2톤의 희토류 필요) ●태양열 발전 패널 ●휴대폰 1대에 약 20~30개의 소형 영구 자석 필요
2.2.2 LCD·LED·스마트폰 등의 IT산업 2.2.3 카메라·컴퓨터 등의 전자제품 2.2.4 CRT·형광램프 등의 형광체
●원소별로 색을 달리하는 발광특성을 활용 ●칼라 TV CRT-이트륨, 유러피움, 테르븀은 전자총에서 발사된 전자선을 흡수해서 적색, 녹색, 청색을 발광함.
2.2.5 광섬유
2.2.6 전략 무기
●스텔스기 1대당 400kg 이상의 희토류 필요 ●미사일, 레이더에도 이용
2.2.7 원자료 제어
●방사성 차폐효과가 뛰어남 ●흡수 단면적이 큼
2.2.8 항공우주산업 2.2.9 촉매제
석유정제와 자동차 배기가스 정화장치에도 쓰입니다.
2.2.10 유리 및 렌즈 산업
연마광택제, 색소제거, 착색제 등으로 사용
2.2.11 신 세라믹
자기용 유약, 내화제, 전기전자용 신세라믹, 공학용 신세라믹으로 활용
2.2.12 금속 산업
합금제로 쓰여 탈황, 강도 및 경도를 향상하고 보호막을 형성함.
3. 세계 희토류 공급량
브라질, 베트남, 러시아 같은 나라에도 매장되어 있지만, 세계 희토류 공급량의 58% 이상이 중국일 정도로 많은 부분을 의존하고 있습니다.
전 세계 희토류 생산량에서 중국이 차지하는 비율 (출처-한국일보 2021.2.23)
중국 희토류의 글로벌 생산 점유율은 완연한 하락 추세입니다. 1994년 47%에서 2000년 87%로 급등했고 2010년에는 98%까지 치솟아 세계 희토류 시장은 중국의 ‘독점’이나 마찬가지였습니다.
그러자 베트남, 브라질, 러시아 등이 희토류 생산을 늘리며 추격했다. 이후 중국의 비중은 급락해 2020년 58%로 40% 포인트가 줄어 10년 만에 사실상 반토막이 났습니다. 여전히 중국이 가장 앞서고는 있지만 중국의 위세가 예전만 못한 셈입니다.
4. 자원 무기화하려는 중국
중국은 세계시장에서 압도적 점유율을 차지하고 있음을 악용하여 외교분쟁 때 희토류 수출금지정책을 썼습니다.
중국이 희토류를 자원 무기화하려는 노력으로 인해 중국 독점만 깨졌고 오히려 중국에 부메랑이 될 것이라고 주장하는 전문가들도 있습니다.
중국 온라인 경제 매체 '즈줴취스(智谷趨勢)'는 "미국, 호주 등이 멈춰 있던 공장과 광산을 다시 가동하고 투자를 늘리면 중국 희토류 산업에 악재가 될 수 있다"라고 했다. . . 중국 내에서는 2018년 무역 전쟁이 터졌을 때부터 희토류를 카드로 활용해야 한다는 주장이 적잖았다. 강경파 이론가인 진찬룽(金燦榮) 인민대 국제관계학원 부원장은 아래 3가지를 3장의 무역전쟁 필승 카드로 꼽았다.
①희토류 대미 수출 금지 ②2조 달러 미국 국채 활용 ③미국 기업의 중국 시장 추방
환구시보의 후시진 편집장도 여기에 가세했다. 미국은 한 해 1만 t 전후의 희토류를 수입하는데, 이 중 80%를 중국에서 사들인다. 희토류는 미국 방위산업과 정유산업 등에 꼭 필요한 자원이어서 미국에 치명적인 타격을 줄 수 있는 '에이스 카드'라는 게 중국 측의 주장이다.
출처-중국의 희토류 禁輸, 자신을 찌르는 칼이 될 수 있다 (조선일보 2019.7.3)
4.1 일본과의 센카쿠 열도 분쟁 (2010년 10월)
2010년 9월 7일, 일본 정부가 센카쿠 열도 분쟁*을 이유로 중국선원을 구금시키자 중국 정부가 일본에 희토류 원소 수출을 중단한다고 선언하자 일본은 체포했던 중국 선원을 바로 석방하였고 국제적으로 난리가 났었습니다. 중국의 일방적인 승리로 끝나게 한 희토류입니다.
센카쿠 열도 분쟁(일본어: 尖閣諸島問題) 혹은 조어도 주권 문제(중국어: 釣魚台列嶼主權問題)는 센카쿠 열도 혹은 댜오위다오의 영유권을 놓고 일본, 중화인민공화국, 중화민국이 각자의 영토로 간주하는 분쟁을 말한다. 이들 세 나라는 센카쿠 제도·댜오위다오·조어도 열도 외에도 동중국해의 다른 해역들(춘샤오 가스전 등)도 서로 영유권을 주장하여 영토 분쟁이 발생되고 있다. 현재 이 섬을 일본이 점령하고 있으며 중화민국과 중화인민공화국과 일본이 영유권을 각각 주장하고 있다. 중화민국은 일본과 협정을 맺고 영유권 주장을 일시 보류한 상태다.
출처-위키백과
미국 정부는 십 년 전 채굴이 중단된 폐광산까지 국가가 직접 재개발에 나서며 자국 내 희토류 원소 공급망을 만들 계획을 내놓을 정도였습니다. 그러나 정작 지난 15년 동안 희토류 관련 연구 인력들을 푸대접한 결과 미국은 희토류 생산 인프라를 재건해야 한다고 합니다. (출처-나무위키)
4.2 중국이 희토류 수출량을 1/3로 줄임
2010년 여파로 인해 희토류 가격이 폭등했습니다. 그 결과 2년간 희토류 가격이 톤당 20만 달러로 평균 10배 이상 폭등했습니다. 기업들은 희토류 대체 소재 연구를 했고 가시적인 성과도 나타났습니다. 예를 들면, 일본의 도요타는 희토류 대체 생산지로 베트남을 지정하고 확보했고 전기차 한 대를 생산하는데 희토류 1.5kg이 소요되는데 희토류를 쓰지 않는 배터리도 개발했습니다. (출처-나무위키)
4.3 희토류 수출 중단을 공식 거론
2019년 5월 20일, 시진핑 국가주석이 희토류를 '중요한 전략적 자원'이라고 말했습니다. 도널드 트럼프 미국 행정부가 화웨이를 직접 겨냥하자 희토류 수출 중단을 대항 카드로 사용할 것을 공식 거론하였습니다.
4.4 중국이 영구자석 제조 기술 수출을 통제
미/중 무역 갈등이 지속되고 있어서 중국이 희토류인 네오디뮴과 사마륨코발트 등 영구자석 제조 기술 수출을 통제하려는 움직임이 있습니다.
2022년 12월 중국이 ｢수출금지‧제한 기술목록｣을 발표했습니다.
｢수출금지‧제한 기술목록｣에 따르면 네오디뮴(Nd)과 사마륨코발트(Sm-Co) 등 비철금속 영구자석 제조기술의 해외 이전‧유출이 금지되고, 중국 영구자석 제조기업의 신규 해외 생산 거점 구축이 불가능해집니다. 다만, 이미 제조가 완료된 영구자석 혹은 영구자석 관련 소재들은 여전히 중국으로부터 수입이 가능합니다.
그리고, 미국이 대만에 패트리어트 미사일 배치를 거론하자 중국이 미사일 제조사인 록히드마틴사에 영구자석공급금지를 언급하기 시작했습니다.
4.5 미국이 수입한 희토류의 국가별 비중
아래 표와 같이 미국이 중국으로부터 수입하는 희토류는 80%를 차지하였습니다.
미국이 2016~2019년 수입한 희토류의 국가별 비중 (출처-한국일보 2021.2.23)
5. 우리나라의 상황과 대응방안
5.1 수입에 의존
한국은 희토류를 대부분 수입하여 사용하고 있으며, 주로 중국, 호주 등 주요 희토류 생산국으로부터 공급을 받습니다. 이는 한국의 고급 전자기기, 배터리, 그린에너지 기술 등 희토류에 의존하는 산업 분야에 있어 자원 안정성을 확보하는 데 중요한 요소로 작용하고 있습니다.
한국은 광물 수요의 95%를 수입에 의존하고 있습니다. 자동차와 이차전지 같은 산업이 우리의 핵심 먹거리이지만 제조 능력만 있을 뿐 원자재는 갖고 있지 않다는 뜻입니다.
영구자석에 쓰이는 네오디뮴의 86%, 반도체 연마제로 사용되는 희토류의 54%를 중국에 의존하고 있습니다.
5.2 희토류 가공 기술 개발해야
희토류가 본격적으로 자원 무기화 되기 전에 중국 의존도를 낮추어야 하고, 또 희토류 원료화 및 가공 기술을 개발하면 호주나 중남미 등 광산을 가진 국가와 제휴해 희토류를 선점할 수 있을 것입니다.
실제로 호주 희토류 업체 ASM은 지난해 한국 오창에 공장을 세우고 희토류를 생산하고 있습니다.
한국의 주력 경쟁산업이 세계에서 경쟁력을 가지려면 희토류 자원 확보와 가공기술개발은 반드시 이루어야 합니다.
5.3 북한에 2011년 기준 약 2000만 톤 이상이 매장된 것으로 추정되어 통일이 되기를 바라야 하겠습니다.
5.4 자원협력 강화해야
희토류를 보유하고 있는 국가들과 자원협력을 강화해야 합니다. 한국 정부는 실제로 아래와 같이 핵심 광물을 확보하기 위해 국제 협력을 추진하고 있습니다.
【 핵심광물 공급망 확보를 위한 국제협력 현황 】 ㅇ 양자협력: 호주(‘21. 12월), 인도네시아(’22. 2월), 베트남(‘22. 12월), 몽골(’23. 2월)과 업무협약(MOU) ㅇ 다자협력: 핵심광물안보파트너십(MSP: Mineral Security Partnership*)참여(‘22.6월) * Mineral Security Partnership : 핵심광물 공급망 안정과 다변화를 위해 미 국무부 주도로 출범(’22. 6월), 한·미·일·캐·독·프·영·호·핀란드·노르웨이·유럽연합·스웨덴 등 12개국 참여
5.5 영구자석 등 제조기술 자체 개발해야
중국이 영구자석 수출을 통제하고 해외 공장 건설을 제한하고 있으므로 신속하게 우리 첨단산업에 필요한 영구자석 제조기술을 국가가 후원해 개발해야 합니다.
6. 참고자료
블로그 '만물의 영장타조'에서 희토류에 대해 ChatGPT에게 문의한 내용을 잘 정리한 내용을 링크하오니 추가로 궁금한 점은 보실 수 있습니다.
제목은 [희토류에 대해 알아봅니다. 희토류 정의, 종류, 사용처, 생산 국가, 생산 추이, 전기차 사용되는 희토류 원소, 중국 희토류 수출 금지 시 어떤 일이?]입니다.
1. 신산업의 먹거리, 희토류 (기획재정부 블로그 2023.5.2) 2. 반도체 다음은 ‘희토류’ 전쟁, 한국 산업의 재앙 될까 (조선일보 2023.3.31) 3. '미래산업 핵심원료'... 희토류 최강자 중국이 대미 반격 주저하는 이유 (한국일보 2021.2.23) 4. 미중 21세기 세계경제 주도권 쟁탈전: 희토류 패권경쟁 (대외경제정책연구원, 2020년 중국전문가포럼) 5. [최유식의 아웃룩] 중국의 희토류 禁輸, 자신을 찌르는 칼이 될 수 있다 (조선일보 2019.7.3) 6. 첨단산업의 비타민, 희토류 등 확보를 위해 자원부국 몽골과의 전략적 협력 강화 (산업통상자원부 보도자료 2023.2.15) 7. 중국 희토 영구자석 기술 수출금지 대응방안 논의 (산업통상자원부 보도자료 2023.4.13)
