희토류란 무엇이며 자원 무기화 되는 이유는? / 페라이트 자석이란? 희토류 자석을 대체할 수 있을까?

'4차 산업혁명의 쌀' 희토류란 무엇인가?

자석이 사라지면 현대 문명이 사라질지도 모른다는 말이 있을 정도로 자석은 우리 생활 깊숙히 들어와 있고 4차 산업에는 필수적으로 사용되고 있다. 

자석은 노트북, 스피커, 스마트폰 등 모든 전자제품에 필수적으로 들어간다. 

 

이렇게 중요한 자석에는 희토류가 들어간다.

그렇다면 희토류(稀土類, Rare Earth Elements)는 무엇일까?

많은 사람들이 희토류를 매우 희귀하고 적은양만 존재한다고 생각하고 있다. 

1,700년대 처음 발견한 희토류는 하나의 원소라고 생각했다. 

과학 기술이 발전하면서 하나씩 분리하기 시작했고 현제는 16개까지 분리하고 있다. 

초창기에는 희토류가 귀한 존재였었는데 현대에 와서는 매우 많이 존재한다는 것을 알게 된 것이다.

다시 정의하자면 희토류는 16개 종류로 분류할 수 있고 우리 주변에 매우 많이 존재하고 있다.

그렇다면 왜 지금 희토류는 자원무기화될정도로 귀하게 취급받고 있는 것일까?

결론부터 말하자면 환경문제때문이다. 

어떤 문제가 있는지 하나씩 알아보자.

희토류는 우리나라에도 많이 존재하고 있다. 

강원 동천, 충주 어래산에 희토류라는 이름이 무색할 정도로 매우 많다.

희토류라는 이름을 다른 이름으로 바꿔야하지 않을까 싶을 정도다.

주기율표상에 빨간색 네모칸 안에 있는 것이 바로 희토류이다.

주기율표 제 3A족인 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)과 원자번호 57 란탄늄 ~ 71 루테튬까지의 란탄계열 원소 15개를 더한 총 17개 원소를 총칭해서 희토류라고 한다.

란탄계열 희토류 15개 원소는 다시 輕(경)희토류, 中(중)희토류, 重(중)희토류로 구분한다.

이중에서도 고부가가치 희토류 원소 3개는 원자번호 59번 Pr 프라세오디뮴(Praseodymium), 60번 Nd 네오디뮴(Neodymium), 66번 디스프로슘(Dysprosium)이다. 

이 원소가 가장 많이 사용되고 있는 용도는 영구자석이다. 

희토류는 산업구조와 수요구조가 바뀌면서 가격 변동이 있었다.

현재 희토류 가격을 살펴보면

57번 란타늄이 kg당 약 5,600원 정도이고 58번 세륨이 kg당 약 5,500원 정도로 매우 싸게 판매되고 있다. 

반면에 59번 프라세오디뮴, 60번 Nd 네오디뮴, 66번 디스프로슘은 kg당 약 64만원 정도로 가장 저렴한 희토류의 100배 이상 비싸다. 

희토류는 자석이라고 해도 과언이 아닐정도로 영구자석 용도로 가장 많이 사용된다.

철, 붕소 등 다양한 원소와 희토류를 넣고 구워내면 영구자석이 만들어진다.

이러한 희토류가 우리나라에도 많이 존재하는데 왜 굳이 수입에 의존하고 있는지 의문이 생길 것이다.

전세계적으로 희토류 매장량은 중국이 4천4백만톤으로 세계 1위이다. 그 다음이 베트남, 브라질 순으로 2천 2백만톤 정도이다. 

매장량으로 따지면 중국보다 오히려 북한이 더 많다는 이야기도 있다.

그리고 경희토류는 중희토류보다 매장량이 10배 이상 많다. 

북한에는 경희토류 매장량이 많고 중국에는 중희토류가 많다. 

하지만 희토류는 매장량이 중요한 것이 아니라 생산량이 중요하다.

 

중국은 21만톤 생산으로 전세계 생산량의 70%를 차지하고 있다.

미국이 4만4천톤으로 전세계 생산량의 14.33%를 차지하고 있다.

그런데 희토류 원석을 캐면 이 원석에서 16개 원소를 분리해내야 하는데 이러한 작업은 모두 중국에서 하게된다. 
즉, 미얀마나 베트남 같은 곳에서 캐어 낸 원석은 그대로 중국으로 보내진다.

희토류 원석은 캐어 내는 곳과 제련하는 과정에 환경오염 물질이 매우 많이 나오게 된다.

예를 들어 희토류 원석 1톤을 분해침출과정에서만 황산을 포함한 독성가스가 6만 m^3, 산성폐수 20만리터가 나오고 이 외에도 중금속, 방사성물질 등 수 많은 독성 물질들이 발생한다. 

그 다음 금속 분류 작업에서도 방사성 폐수가 함유된 1.4톤의 유기용매 등 다양한 환경 폐수가 쏟아져 나온다. 

이렇게 어마어마한 환경 오염 물질들을 사실상 중국에서 모두 흡수하고 있다.

선진국은 해결하지 못하는 환경문제를 모두 중국에 떠 맡긴 샘이다.

환경오염물질을 걸러내기 위한 설비를 하고 걸러낸다면 엄청난 비용이 발생하여 희토류를 사용할 수 없을 정도로 희토류 가격이 비싸진다.

이러한 이유로 호주는 자국에서 캐낸 희토류를 배에 실고 말레이시아에 있는 제련소에서 제련한다.

호주뿐만 아니라 미국도 마찬가지이다.

희토류 원석을 캐낼때 방사성 물질이 포함된 분진도 매우 많이 발생한다.  사실 우리나라는 희토류 매장량이 많지만 원석을 캐내지도 않고 환경오염 문제때문에 개발하지도 않는다. 

환경 문제를 해결하는 비용보다 그냥 수입해 사용하는 것이 더 낫기 때문이다.

일예로 중국의 북쪽 지방에서 희토류 원석을 캐내는데 어마어마한 분진이 발생하고 주변 마을에 쌓이고 있는데 이 분진 속에는 방사성 물질도 포함하고 있다. 

 

광석을 캐는 곳에서 반경 11km 이내는 방사성 물질로 오염된지 꽤 오래 되었다. 이 때문에 가축이 패사하고 농사를 지을 수 없으며 마을 사람들은 치아가 빠지는 부작용까지 발생하고 있다.

이러한 내용도 1990년대 중반까지 이야기이고 이 이후로는 그 지역을 조사하기 위해 들어갈 수조차 없어서 지금은 어떤 상태가 되었는지 알 수가 없다. 
아마도 더 심각한 상태가 되어 있지 않을까 추측할 뿐이다. 
광산을 보여주기는 하지만 어떻게 작업을 하고 있는지 그 과정은 보여주지 않는다.
그리고 사실상 선진국에서 묵인하고 있다.

선진국에서는 환경 문제 때문에 광산업을 할 수가 없다. 

그래서 다국적 기업은 환경 인식이 낮은 국가를 찾아서 들어간다. 

환경 비용이 절감되기 때문이다.

멀리 갈 필요 없이 우리나라만해도 조금만 환경 문제가 발생하면 환경단체에서 들고 일어나서 일이 진행되지 못하고 특히 문화재라도 발견되면 그 시간 이후로 더 이상 진행이 안된다.

중국이 희토류 자원을 가지고 무기화할 수 있는 이유가 바로 여기에 있다.

만일 중국에서 희토류 수출을 제한하면 어떤 문제가 발생할까?

우선 희토류가 어떤 분야에 가장 많이 사용되고 있는지 살펴보면

2021년 기준 희토류는 자석 만드는데 43.2% 정도 차지하고 있다. 

시간이 갈수록 나중에는 70% 이상 더 많아질 것으로 보고 있다. 그래서 희토류는 자석이라는 말이 나올 정도다. 

전세계 희토류 자석의 92%를 중국에서 생산하고 있다.

그 다음으로 희토류는 촉매제, 연마제 등 기타 다른 용도로 사용되고 있는데 그렇게 중요하지 않다. 왜냐하면 값싸고 흔한 희토류를 사용하기 때문이다.

자석은 모든 전자제품에 들어간다. 

 

전동퀵보드, 노트북, 전기자동차, 방송장비, 냉장고, TV, 미사일, 항공장비 등 사용하지 않는 곳이 없다. 

심지어 자석이 사라지면 원시시대로 돌아간다는 말이 있을 정도다.

만일 중국이 희토류 공급을 중단하거나 어렵게 만들면 우리나라는 어떻게 될까? 

 

상상하기 싫을 정도로 모든 산업분야가 멈출 것이다.

얼마전 요소수 사태를 겪었는데 그것과는 비교도 할 수 없을 정도로 끔찍한 일이 발생할 것이다. 특히 경제와 국방이 멈추는 것은 매우 심각한 문제이다.

그렇다면 자석은 반드시 희토류가 있어야 하는가?

희토류가 나오기 전까지 전세계적으로 사용한 자석은 희토류가 없는 자석을 사용했다. 그러다가 일본에서 희토류 자석을 개발하면서 지금은 희토류 자석을 대부분 사용하고 있다.

자석은 세기가 아주 중요한데 희토류 자석은 가장 강력한 자석이다. 게다가 크기가 작아져도 자석의 세기는 그대로 유지하기 때문에 희토류 자석을 사용하지 않을 수 없다.

희토류 자석에는 극미량의 희토류가 들어가기 때문에 가격면에서도 희토류 사용은 성능대비 가격(가성비)이 매우 우수하다.


페라이트 자석이란?

 

 

얼마전 페라이트 자석에 관심이 쏠린 적 있었다. 희토류를 사용하지 않은 자석을 페라이트 자석이라고 한다.
페라이트 자석은 희토류 자석이 나오기전부터 있었다. 

중국에서 희토류를 자원 무기화 하면서 테슬라와 우리나라 기업은 희토류를 사용하지 않는 페라이트 자석을 개발하는 중이다.

테슬라에서는 예전에 희토류 자석을 사용하지 않은 모터를 사용하고 있었다. 단점은 무겁다는 것이다. 

 

희토류 자석은 크기가 작고 가벼우면서 자석의 세기가 크다는 장점이 있다. 

희토류 자석을 대체하는 것은 불가능하지만 자동차 모터에 페라이트 자석의 세기를 더 강하게 만들어 적용하여 상용화 할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 

현재 페라이트 자석의 고온특성은 해결했으며 저온특성만 해결하면 상용화 할 수 있을 것으로 보고 있다. 

※ 고온특성과 저온특성이란?
페라이트 자석은 고온과 저온에서 자석의 세기가 약해지는 특성이 있다.


이산화탄소 배출을 제한하는 환경문제로 전기차가 대안으로 떠올랐는데 아이러니하게도 전기차를 만들기 위해 방사성 물질로 토양을 오염시키고 있다.

전기차가 과연 환경차라고 말할 수 있을까? 의문이 든다.