희토류 원소(稀土類元素, 영어: rare earth elements, rare earth metals)는 주기율표의 17개 화학 원소의 통칭으로, 스칸듐(Sc)과 이트륨(Y), 그리고 란타넘(La)부터 루테튬(Lu)까지의 란타넘족 15개 원소를 말한다. 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 비슷한 양이다. 그러나 지구화학적 성질로 인해, 희토류 원소는 경제성 있는 농축된 형태로는 거의 산출되지 않는다. 광물 형태로는 희귀한 원소이므로 "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. - 위키백과
세계의 희토류 산출량 (1950~2000)
지난 수십 년 동안 중동은 석유로 세계경제에 만만찮은 영향력을 미쳐왔다. 그런데 앞으로 수십 년은, 중국이 ‘희토류’로 세계경제를 지배하는 시대가 될지도 모른다.
오바마 미국 대통령은 지난 3월 중순 중국이 희토류 세계시장을 조작하고 있다며 유럽연합(EU)·일본과 함께 세계무역기구(WTO)에 제소하겠다고 말했다. 중국은 세계의 희토류 생산량 중 90% 이상(95% 이상으로 추정되기도 함)을 차지하고 있다. 그런데 최근 수출 물량을 크게 제한할 움직임을 보이면서 선진국들이 일제히 반발하는 것이다.
희토류(稀土類, rare earth metals)란 문자 그대로 디스프로슘, 네오디뮴, 란탄, 테르븀, 사마륨 등 ‘희귀한 광물질’ 17종을 가리키는 용어다. 용도는 컴퓨터 하드 드라이브, LCD, 의료영상기기(MRI와 엑스레이 등), 하이브리드 자동차, 녹색 에너지까지 하이테크 제품에 집중되어 있다. 예컨대 란탄은 하이브리드 자동차 배터리의 핵심 원료다. 테르븀을 사용해야 하이브리드 자동차의 전기 사용량을 80%까지 절감할 수 있다. 희토류가 없다면, 벽돌보다 작은 스마트폰은 만들기 힘들다. 2025년까지 미국 자동차의 연비를 현재의 두 배로 올리겠다는 오바마의 국가전략적 산업정책도 희토류 없이는 달성할 수 없다. 군사적으로도 희토류는 대단히 중요하다. 사마륨은 유도 미사일, 란탄은 야간 고글 생산에 사용된다.
1960년대부터 텔레비전 브라운관 원료로 쓰이기 시작했던 희토류에 대한 수요가 폭증한 것은 최근의 기술혁신 때문이다. 영국 BBC 방송에 따르면, 지난 10여 년 동안 희토류 수요는 연간 4만 메트릭톤(metric tons)에서 12만5000메트릭톤으로 3배 불어났고, 2014년에는 20만 메트릭톤을 넘을 예정이다.
희토류 채굴에 천문학적 비용
그런데 사실 희토류는 이름과 달리 그리 희귀하지는 않은 광물이다. 납이나 구리처럼 지구 곳곳에 산포되어 있다. 단, 대량 채굴이 가능한 곳은 많지 않다. 더욱이 희토류는 방사성 물질 등 인체에 해로운 광물과 같이 묻혀 있는 경우가 많아서 채굴에 엄청난 비용이 든다. 단기적으로 큰 수익을 내야 하는 서구의 민간 기업으로서는 ‘희토류 채굴업’에 뛰어들 만한 인센티브가 크지 않다는 이야기다.
예컨대 미국에서 희토류 채굴업을 하려면, 10억 달러 규모의 투자와 15년 이상의 준비 기간이 필요한 것으로 추정된다. 이에 반해 중국에는 내몽골을 중심으로 광범위한 희토류 지역이 존재하고, 국유 광업 기업들이 있어서 단기수익과 상관없이 희토류 채굴업을 할 수 있다. 더욱이 노동 및 환경 규제가 느슨하다. 덕분에 중국이 지구 시장의 희토류 독점 공급자가 될 수 있었던 것이다.
서방 각국 희토류 확보 전략 마련
문제는 독점 공급자인 중국의 수출정책에 따라 세계시장이 춤추게 되었다는 것이다. 이미 중국은 지난 6~7년 동안 수시로 수출을 제한해 희토류 가격을 치솟게 했다. 중국의 희토류 수출 규모는 2005~2010년 사이 절반으로 줄었다. 이에 따라 산화 란탄의 경우 2010년 초에는 1㎏당 5달러였던 것이 지난해 7월 140달러, 같은 해 11월 62달러로, 폭등과 폭락을 거듭했다. 2010년 한 해만 봐도, 디스프로슘은 ㎏당 300달러에서 1900달러로, 네오디뮴은 45달러에서 450달러로 치솟았다. 더욱이 중국은 국내 기업에는 수출가보다 30~40% 싼 가격으로 희토류를 공급한다. 이는 해외 기업을 중국으로 유치하기 위한 전략이기도 하다.
최근에는 중국이 희토류를 ‘무기화’하는 현상까지 실제로 나타났다. 2010년 일본이 분쟁 지역인 동중국해 일대에서 조업하던 중국 어선들을 나포하자 중국이 일본에 대한 희토류 수출을 금지한 사건이 그것이다. 일본은 즉각 중국 선원들을 석방했다.
이런 상황에서 중국은 환경오염을 핑계로 희토류 수출 제한을 공언한다. 지난 3월10일 중국 전국인민대표대회에서 환경오염을 이유로 희토류 채굴 제한이 발의되기도 했다. 그러나 서방세계는 중국의 의도를 의심한다. 그래서 한편으로는 WTO에 제소하고 다른 편으로는 다양한 희토류 확보 방안을 모색 중이다. 특히 미국은 자유시장 원칙 따위와 상관없이 희토류 산업을 국가전략적으로 육성하려는 움직임을 보이고 있다. 민간 기업의 투자와 국가 지원을 결합하는 방식이다.
미국의 경우, 콜로라도 주의 몰리코프(Molycorp) 사가 캘리포니아 사막 지대의 희토류 산지를 다시 채굴하기로 했다. 2002년 환경문제로 채굴이 중단된 지역이다. 몰리코프는 이 사업을 위해 지난해 7월 주식시장에서 4억 달러를 조달했다. 최근에는 캐나다의 희토류 정제 업체를 13억 달러에 인수했다. 그러나 민간 기업이 가격 변동이 심한 희토류 부문에 이 정도의 대규모 투자를 쏟아 붓는 것은 심상한 일이 아니다.
그래서인지 미국의 유력 경제지로 자유시장 이데올로기를 대표하는 <블룸버그>가 ‘국가 차원의 지원’을 역설하기도 한다. “WTO에 중국을 제소하는 것은 정당하지만 성공하기는 쉽지 않을 것 같다. 희토류가 미국 경제와 국방에 미치는 중요성을 볼 때 미국 정부는 몰리코프와 다른 관련 기업들의 성공을 위해 맡아야 할 역할이 있다.” 미국 의회 역시 국방부에 희토류 확보 방안을 제출하라고 압박을 가해왔다. 조만간 이에 대한 의회 브리핑도 이뤄질 예정이다. 미국의 경우, IT나 제약 같은 첨단산업 부문에서 국가 주도의 기술혁신이 이루어져왔다. 희토류 산업도 같은 발전 경로를 겪을 가능성이 크다는 이야기다.
한편 광업이 기간산업인 오스트레일리아에서도 라이너스(Lynas), 에어러퓨러 리소스(Arafura Resources) 등 광업 부문의 대기업들이 최근 10억 달러 규모의 투자나 정제공장 설립 등으로 희토류 산업에 뛰어들었다.
덩샤오핑은 톈안먼 사태 직후인 1992년 초 ‘남순강화(중국 남부 지역을 순회하며 개혁·개방의 가속화 촉구)’에 나서며 “중동에 석유가 있다면, 중국엔 희토류가 있다”라고 말했다. 그리고 중국은 30년 뒤 희토류 세계시장의 지배자로 성장했다. <블룸버그>는 이 발언을 인용하면서 “중국 정부가 희토류 가격을 올리거나 공급을 중단하는 사태에 대비해, 국방부는 몰리코프와 장기 매입 계약은 물론 라이너스 같은 비중국 기업과도 협력해서 공급을 다변화해야 한다”라고 주장한다. 희토류를 매개로 한 서방세계의 대중국 연합전선 결성을 촉구한 것이다.
- 시사IN
중국의 희토류 자원무기화에 대한 대응 움직임
지난 12일 일본 언론은 히타치제작소와 히타치산기시스템의 공동연구팀이 희토류 금속을 포함한 자석을 사용하지 않는 에너지 절약형 산업용 모터를 개발했다고 보도했다. 모터의 핵심 부품인 철심에 비정질 금속을 채용하는 방법으로 네오디뮴과 디스프로슘 등의 희토류 자석을 사용하지 않는 고효율 영구자석 모터를 개발한 것.
이 연구팀은 이미 지난 2008년에 희토류 금속을 사용하지 않는 모터의 기초기술을 개발한 바 있으나, 대용량화와 고효율화를 도모하기 위해 이번에 구조의 최적화와 철심의 손실 저감 등의 응용기술을 개발해 중형 용량급 모터에 적용하는 데 성공했다.
이번에 개발한 모터는 국제전기표준회의(IEC)의 모터의 에너지 효율 가이드라인의 최고 수준에 대응이 가능한 93%의 에너지 효율을 달성한 것으로 알려졌으며, 2014년부터 시중에 나올 전망이다.
이 모터의 개발이 특히 화제가 된 이유는 최근 긴박한 과제로 부상한 탈 희토류 기술의 개발이란 점 때문이었다.
희토류 수출금지로 영유권 분쟁 대응
2010년부터 중국은 자국 내 희토류 생산량을 제한하고 희토류에 부과하는 세금을 대폭 인상하는 등 정부 통제하에 희토류를 자원무기화하려는 움직임을 계속 보여왔다. 특히 최근에는 자국 언론매체를 통해 오는 6월부터 희토류를 ‘국가전매 대상’으로 편입해 관리할 예정이라고 시사했다.
이는 중국이 희토류 개발을 줄임으로써 이에 대한 가격통제를 통해 대외 수출량을 제한하겠다는 의미로 분석된다. 중국은 현재 전 세계 희토류 시장의 97%를 공급하고 있다.
이에 따라 희토류 사용량을 저감시키거나 대체원소의 이용, 종래와 다른 원리로의 부품개발 등 탈 희토류 기술개발 움직임이 전 세계적으로 확산되고 있다. 이 같은 움직임은 지난 2010년 영유권 분쟁에서 희토류 수출금지라는 뜻하지 않은 철퇴를 맞은 경험을 가진 일본에서 특히 활발하다.
히타치의 모터 개발 외에도 일본은 지난 3월 희토류 원소의 일종으로 액정 TV 등의 유리기판 연마재로 사용되는 산화세륨의 사용량을 저감한 다수의 신규 연마 재료의 개발에 성공했다고 밝혔다.
새롭게 개발한 연마 기술 중 하나는 산화세륨 연마용 입자 대신에 금속 산화물 가루를 넣은 산화지르코늄 연마용 입자를 이용한 것으로서, 마감 품질은 그대로 유지한 채 유리를 연마하는 시간을 2/3로 줄였다.
또 산화세륨 연마용 입자 대신 금속염을 배합한 산화지르코늄 연마용 입자를 이용한 기술도 개발했는데, 같은 연마 시간에 평활성이 보다 뛰어난 연마가 가능하다. 이들 기술에 의해 세륨을 사용하지 않고 연마가 가능해졌다.
이 기술들의 개발은 일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)에서 추진하고 있는 ‘희소금속 대체재료 개발 프로젝트’의 일환으로 이루어졌다. 또 미쓰비시전기와 니혼덴산 등에서도 전기차와 하이브리드차용 모터에 희토류를 사용하지 않는 방안을 연구하고 있다.
희토류 영구자석 저감형 기술 개발
한편, 우리나라에서도 중국의 희토류 자원무기화에 대응하기 위한 기술개발 등의 움직임이 일고 있다.
지난 1일 한국전기연구원(KERI)은 반도체, IT, 디스플레이 분야 제조 설비에서 사용되고 있는 영구자석 선형전동기에 비해 훨씬 낮은 비용으로 생산이 가능한 희토류 영구자석 저감형 고정밀 위치제어용 전동기 기술인 ‘이중돌극형 영구자석 선형전동기’를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.
이 기술은 기존 영구자석 선형전동기와 동등 수준의 성능을 구현하면서도 고정자에 영구자석을 ‘N-S-N-S…’ 형태로 배치하지 않고 ‘N-철심-N-철심…’ 형태로 배치함으로써 희토류를 사용해야 하는 영구자석의 총 사용량을 40% 가량 줄어들게 했다.
선형전동기는 산업 전반에 걸친 기초 기반 제품으로 활용되고 있으며 특히 반도체 산업 및 IT 산업의 발전에 따라 관련 장비업체의 수요가 증가하고 있는 품목이다. 연구팀은 해당 기술이 정밀위치제어응용 시스템, 직접구동 장거리 반송시스템, 자동화장비, 반도체‧디스플레이 제조 장비의 이송용 구동기, 공작기계, 검사장비의 이송계, 로봇 등 다방면에 걸쳐 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
폐자동차에 포함된 희토류의 회수율을 높여 재활용하려는 움직임도 일고 있다. 환경부는 지난해 10월 국내 자동차 제조 5사(현대‧기아차, 한국지엠, 쌍용자동차, 르노삼성자동차)와 폐자동차 자원화를 위한 자발적 협약을 맺은 데 이어 지난 3월에는 한국지엠과 쌍용자동차,르노삼성자동차와 폐자동차의 금속자원 회수와 폐냉매의 적정 처리를 위한 ‘폐자동차 자원순환체계 선진화 시범사업’ 협약을 체결했다.
폐자동차에는 온실가스인 냉매와 유해중금속 등이 포함돼 있어 함부로 버리면 폐기물로서 심각한 환경오염을 유발하지만, 철‧비철 등은 물론 희토류 등 다량의 희유금속을 함유하고 있어 이를 회수해 재활용하면 오히려 ‘자원의 보고’가 된다.
그러나 고철 등 유가성이 높은 물질만 재활용돼 현재 재활용률이 84.5%에 불과하다. 환경부는 올해 폐자동차 2만2천600대에 대해 폐자동차 재활용률을 95%(2015년 법정목표)까지 올리기로 했는데, 이를 위해 제조사는 폐차장 및 폐차 재활용업체 등과 친환경 폐차 재활용체계를 구축하는 등 제조사와 재활용업계 간 상생협력을 도모할 예정이다.
환경부는 ‘폐금속‧유용자원재활용기술개발 사업단’ 등을 통해 자동차 재활용 부분에 R&D 지원을 확대하며 자동차 제조사의 노력을 뒷받침할 예정이다. 이와 더불어 친환경 폐차사업장에 대한 홍보 및 포상 등 인센티브 제공 방안을 마련할 계획이다.
-The ScienceTimes