희토류 광물 정의, 분포, 생산, 용도 어디에 쓰는 물건인가

요즘은 희토류에 대한 뉴스를 심심치 않게 봅니다. 그러나 이 희토류라는 것이 용어도 생소할뿐더러 뭔가 귀하다거나 꼭 필요하다는 것은 알겠는데 구체적으로 무엇을 말하는 것인지 어디서 생산하는 것인지 또 어디에 사용하는 것인지 알 수가 없습니다. 특히나 요즘은 우리가 사용하는 거의 모든 반도체, 전자제품 및 2차 전지에 필수적으로 사용되는데 그런 게 희토류라고 합니다. 과거 일본에 대하여 중국이 희토류를 수출하지 않겠다고 하여 일본이 매우 어려운 처지에 놓였다는 기사를 보았습니다. 이 희토류를 구하기 위하여 많은 나라들이 자원전쟁을 벌인다고 하는데 도대체 이 희토류가 무엇이며 어디에 쓰는 물건인지 한번 알아보겠습니다.
 

야외 암석 사진

 

희토류란

희토류 원소는 영어로 Rare Earth Element라고 합니다. Rare란 흔치 않는다는 말입니다. 그러니까 지구상에 많지 않다는 의미입니다. Earth는 지구라는 뜻도 있지만 흙(토)이라는 뜻도 있습니다. 그러니까 지구상에 흔치 않은 원소라는 의미입니다. 그럼 이 흔치 않는 원소에는 어떤 것들이 있을까요? 2개의 전이원소(Sc, Y)와 15개(원자번호 57~71)의 란탄족(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) 비금속을 말합니다. 제3족으로 동일합니다. 최외각 전자가 모두 3개입니다.

제3족, 희토류 원소

 

희토류의 특성

이들 희토류 원소는 겉으로 보기에는 금속처럼 단단해보이지만 상대적으로 부드럽고 가벼우면 돌아오는 탄성이 좋고 그리고 늘어나는 연성이 좋습니다. 화학적으로 안정하며 건조함에 잘 견디고 높은 열전도도와 전기 전도도를 가집니다. 색깔은 대체로 은백색에서 회백색입니다. 물, 산소와 잘 반응하여 3가 산화물로 안정합니다.

희토류의 분포와 생산

사실 희토류는 그 이름과 달리 지표상에 흔히 나옵니다. 토적암인 셰일과 화성암인 화강암에 10~3000 ppm으로 저농도이긴 하지만 광범위하게 나옵니다. 셰일이나 화강암은 세계 도처에 널렸습니다. 사실 적게 있어서 희소하다기보다 분리하기 어렵고 순수한 원소상태로 희소하다는 것이 맞을 것입니다. 세계적으로 희토류가 많이 분포하는 곳은 어디일까요? 미국지질조사소(United States Geological Survey, USGS)의 자료에 의하면 전 세계에서 희토류를 가장 많이 생산하는 국가는 중국이 12만톤으로 1위이며(전체 생산의 70% 이상), 호주가 2만 톤으로 2위, 미국이 만 톤으로 3위, 그 뒤로 미얀마, 러시아, 인도, 브라질, 베트남이 따르고 있습니다. 

 

희토류 매장량의 경우에도 중국이 4,400만톤으로 가장 많으며 전체의 37%를 차지합니다. 그리고 베트남 2,200만 톤, 브라질이 2,100만 톤, 러시아가 1,200만 톤, 그리고 인도가 690만 톤을 차지하고 있습니다. 매장량과 생산량이 일치하지 않는 것은 해당 국가의 광업기술력과 산업 수준과 관련이 있습니다. 또 어떤 국가는 대부분 수출용으로 생산하기도 합니다. 우리나라의 경우 희토류가 일부 매장되어 있는 것으로 확인되고 있으나 아직은 경제성이 부족한 것으로 인식되며 거의 대부분 중국으로부터 수입하는 것으로 생각됩니다.

 

희토류의 용도

앞서 17종의 희토류 원소에 대하여 알아보았습니다. 그럼 이들이 구체적으로 어디에 사용되는지 알아보겠습니다. 스칸듐(Sc)의 경우 알루미늄 합금에 이용하며 기계적인 성질을 개선하는데 사용합니다. 이트륨(Y)의 경우 초전도체와 레이저 발광원으로 이용됩니다. 그리고 란타넘(La)의 경우 특수 유리와 광학 그리고 전극 및 수소 저장에 사용됩니다. 세륨(Ce)의 경우 석유 정제 중에 오일 크래킹에 이용되며 세라믹과 유리의 착색제로도 이용이 됩니다. 그리고 프라세오디뮴(Pr)의 경우 고성능 자석, 레이저와 세라믹 유리의 착색제로 사용되고 있습니다. 네오디뮴(Nd)의 경우 고성능 자석, 레이저 및 유리의 보라색 착색제로 이용되고 있습니다. 프로메튬(Pm)은 핵 배터리에 사용되는 것으로 알려집니다. 사마륨(Sm)의 경우에도 고성능 자석, 레이저와 중성자 포획용 재료에 사용된다고 합니다. 

 

그리고 유로퓸(Eu)의 경우 형광체, 레이저와 수은 증기램프에 사용됩니다. 가돌리늄(Gd)은 고성능 자석, 특수 광학소재와 메모리 소자에 이용됩니다. 터븀(Tb)은 세라믹과 페인트, 레이저와 형광등 등에 사용됩니다. 그리고 홀뮴(Ho)은 레이저에 이용된다고 합니다. 어븀(Er)이라는 원소는 레이저와 바나듐이 포함된 합금의 강철이 첨가제로도 쓰인다고 합니다. 툴륨(Tm)은 휴대용 엑스레이 장비에 사용되고 이터븀(Yb)은 적외선 레이저와 환원제로 사용되며 마지막으로 루테튬(Lu)은 특수유리 및 방사선 장비에 사용됩니다. 이렇게 살펴보고 보니 희토류는 전자, 전기 등의 산업에 굉장히 많이 활용됨을 알 수 있습니다. 

 

희토류 가격

이렇게 다양한 전자 및 전기제품에 사용하는 희토류를 확보하기 위한 각 나라의 각축이 한창입니다. 우리나라도 이런 희토료를 확보하기 위해 자체적인 탐사는 물론 수입 다변화를 위해 노력하고 있습니다. 희토류의 가격은 희토류 확보전쟁이 극에 달했던 2021년 kg당 500 달러에 육박하였으며 지금은 비교적 안정세로 돌아서 2020년 보다 약간 오른 kg당 300달러에 거래되고 있습니다. 그러나 희토류에 대한 수요가 언제든지 폭증할 수 있으므로 가격이 언제 폭등할지 아무도 알 수 없는 상황입니다. 지속가능한 안정적 경제와 발전을 위해서는 희토류에 대한 안정적 공급이 반드시 필요합니다.

 

희토류의 가격변동, 출처: 한국광물자원공사

 

희토류 대체 전망

희토류에 대한 공급이 불안정하고 또 가격변동 또한 크므로 희토류를 대체할 수 있는 물질에 대한 요구가 커지고 있습니다. 더군다나 중국에 의해 사실상 시장이 독점되고 있고 이를 무기화할 경우 경제적 종속이 되어 필연적으로 파국에 직면할 가능성이 있어 각 나라에서는 이에 대한 대체물질 개발에 힘을 쏟고 있습니다. 미국의 네브라스카대의 경우 희토류가 아닌 철, 코발트 등을 혼합한 영구자석의 개발에 열을 올리고 있으며 또 희토류를 이용한 영구자석이 아닌 전기를 이용한 전기자석에 대한 기술개발도 활발하게 이루어지고 있습니다. 조만간 이런 부분에 대한 가시적인 성과가 있을 것으로 기대합니다. 지금 미국과 중국을 둘러싼 반도체 전쟁과 같은 기술전쟁은 필연적으로 자원전쟁을 동반하고 있습니다. 우리나라도 희토류에 대한 우리나라 내의 광물자원 탐사는 물론 이를 대체하는 기술개발이 절실해 보입니다.