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도시광산으로부터 희토류 재자원화 기술 동향 및 전망_송명석
2023년 10월호 통권 425호

Special 국가 전략소재 희토류 기술 개발 및 공급망 확보 동향(1)


도시광산으로부터 희토류 재자원화 기술 동향 및 전망

 

송명석_한국생산기술연구원 한국희소금속산업기술센터 선임연구원
박상민_한국생산기술연구원 UST 융합제조시스템공학과 박사과정

 

1. 서론

 

희소금속은 그린 모빌리티, 신재생 에너지 산업 등 첨단산업뿐만 아니라 생활가전, 스피커 등 일반 제품 산업까지 범용적으로 사용되고 있는 핵심 자원으로 알려져 있다. 자원의 활용도가 높아짐에 따라 산업 요구도가 지속적으로 높아지고 있어 세계 각국은 희소금속 확보 기술 및 응용 기술 확보를 위한 치열한 경쟁 중에 있다. 대표적으로 희토류는 독특한 화학적, 물리적, 광학적 특성을 바탕으로 합금화시 원재료의 물성을 획기적으로 향상 시킬 수 있어 전기차, 풍력발전, 반도체용 연마재, 석유화학 촉매 등 첨단 산업에 필수적으로 활용되고 있다. 여타 광물 자원 대비 경제성 있는 광상량이 적고 편중성이 높은 자원으로 전 세계적으로 공급망에 대한 위험도가 높은 자원으로 분류되고 있다. 최근 코로나 19 확산 계기로 글로벌 공급망 불안정성에 대한 우려가 커지면서 세계 각국은 자국의 안보와 이해관계에 직접적으로 영향을 미칠 수 있는 전략 품목에 대한 안정적 확보를 최우선 하는 정책 과제들을 추진하고 있다. 그로 인해 희토류 자원의 편재성으로 인한 자원 보유국의 전략 자원화는 국가적 분쟁(10‘ 센카쿠 열도 분쟁, 19’ 미‧중 무역 전쟁)까지 초래하기도 하였으며 각국은 미국의 인플레이션 감축법(IRA), EU의 핵심원자재법(CRMA) 등과 같이 자원 의존도 해소를 위한 전략을 수립하는 등 전 세계적으로 희토류 공급망 확보에 대하여 국가별로 중요성이 인식되고 있다. 이를 위해 각국에서는 지속 가능한 희토류 자원 확보를 위해 국가 간 협력 체계를 강화하거나 수요·공급기업 간 협업 모델 육성을 통해 공급망 다각화를 통해 희토류 산업 생태계 강화를 시도하고 있다. 대표적으로 광산이 부재한 자원 수요국은 광물을 보유하고 있는 국가와의 생산 투자 협약을 하거나 산업에서 요구되고 있는 희토류 수요에 대해 안정적 자원 공급망 확보를 위해 환경오염 물질 배출량을 낮추거나 공정 간소화된 고효율 순환 상용화 설비 및 기술 개발을 시도되어 왔다. 본 고에서는 지속 가능한 희토류 재자원화를 위해 최대 수요 시장을 고려한 희토류 영구자석 재자원화 정책, 기술 동향과 향후 전망에 대해 중점적으로 다뤄보고자 한다.

 

2. 희토류 정의 및 정책 동향
 
희토류는 주기율표상의 란타넘족 15종과 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)을 포함한 총 17종의 원소를 통칭하며 원자번호가 작은 희토류 원소 8종(스칸듐~유로퓸)은 경(經)희토류, 그 외 희토류 원소 9종은 중(重)희토류(이트륨 포함)으로 구분된다. 희토류는 지각 구성 원소로 알려진 아연, 니켈, 구리와 유사하게 분포하고 있으나 경제성 있는 농축량을 가진 광물의 분포가 매우 적다. 또한 화학적 특성이 매우 흡사하여 복합한 정제와 가공 과정을 거쳐야 하며 우라늄, 토륨 등과 같은 방사능 물질이 혼합되어 있는 경우가 많다. 희토류 광상은 중국, 브라질, 베트남, 인도, 러시아 등 일부 국가에 편중되어 있으며 해당 국가들에 상대적으로 높은 농축량을 가진 광상이 매장되어 있다. 희토류가 가장 많이 매장되어 있는 중국의 경우, 전체 희토류 생산량의 70%를 담당하고 있으며 이에 따라 생산 기술력과 인프라가 가장 잘 갖춰져 있다. 최근 중국 외 국가에서 자원 의존도를 해소하려는 노력을 기울이고 있으나 현재까지도 중국이 독보적인 위치를 차지하고 있다1),2). 특히 경제적 가치가 높은 중희토류의 경우, 주로 중국 남부 지역에 분포되어 중국에서 독점적으로 생산하고 있어 자원 의존도 탈피는 전 세계적으로 고질적인 문제로 자리잡고 있다.


그림 1. (위) 세계 주요 희소금속 매장 현황, (아래) 세계 주요 희소금속 생산 현황1)


그림 3. 희토류 고유 특성을 활용한 응용분야 및 수요3)

 

이와 같은 희토류의 강력한 시장지배력은 희토류의 최대 응용처인 영구자석으로부터 비롯된다. 최근 풍력터빈, 전기자동차와 같은 동력 변환 장치 내 핵심 부품으로 활용되고 있는 영구자석에는 30% 가량의 희토류가 함유되어 독특한 전자구조에 의해 대체 불가능한 큰 자기이방성과 포화자화 값을 바탕으로 기존 활용되어온 시장에서 영구자석 소형화 설계가 가능하다3). 따라서 사운드 버스 스피커, 데이터 저장 매체 등에 활용되고 있다. 이로 인해 전 세계 희토류 공급량은 `18년도 157천 톤에서 `28년 268천 톤으로 연평균 약 5.5% 가량 증가가 전망되며 지속적으로 자원 무기화 가능성이 제기되어왔다.

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