[과학]전세계가 주목하는 희토류, 그것은 무엇인가?

-17종의 희토류 원소: 현대 문명을 움직이는 필수 전략 자원

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최근 희토류 원소가 전세계적인 관심을 불러일으키고 있다. 이는 희토류가 글로벌 기술 경쟁과 공급망에서 핵심적인 역할을 하고 있기때문이다.  그렇다면 희토류는 과연 어떤 ‘흙’이며 왜 이토록 중요한 전략 자원으로 떠올랐을가? 

희토류는 ‘흙’이 아니다. 일반적인 ‘흙’(주성분은 규산염 등)과는 화학적 성질에서 큰 차이가 있다. 희토류 원소의 명칭은 18세기 말부터 19세기 초의 연구 발견에서 비롯된다. 당시 이러한 원소들은 흔하지 않은 광물에서 추출되였었고 자연계에서의 상대적 함량이 적음으로 인해 ‘희귀한 흙’이라고 불렸다. 비록 현재 우리는 일부 희토류 원소가 실제로 희귀하지 않다는 것을 알고 있지만(일부 희토류 원소의 지각 존재 비률은 금, 은과 같은 일반적인 금속보다 높다.) 당시에는 그들의 발견과 분리 기술이 매우 제한적이여서 이러한 명명이 이루어졌다.

실제로 희토류란 란타넘족(镧系) 원소(총 15종) 및 스칸디움(钪)과 이트리움(钇)을 포함한 17종의 금속 원소를 총칭하는 것이다. 그들의 독특한 전자층 구조 때문에 희토류 원소는 독특한 물리적, 화학적 성질을 가지며 현대 경제 및 국방 과학 기술에서 매우 중요한 전략적 지위를 차지하고 있다. 그들은 첨단기술 산업의 핵심 소재로서 글로벌 기술 혁신과 산업 고도화를 주도하며 또한 첨단 무기 체계, 레이더, 미사일, 위성 및 스텔스 기술(隐身技术)에 없어서는 안 될 핵심 소재로 국가의 군사적 우위와 국방 안보에 직접적으로 관계된다. 따라서 희토류는 단순히 자원적 속성뿐만 아니라 기술적 속성과 전략적 속성을 함께 갖추고 있다. 희토류 공급망의 안정성을 확보하는 것은 이미 각국이 경제 및 국방 전략에서의 가장 중요한 과제로 되고있다.

알려진 바와 같이, 중국은 세계 최대의 희토류 자원 매장량을 가진 국가로 주요 희토류 광산으로는 백운악박(白云鄂博) 희토류 광산, 산동미산(微山) 희토류 광산, 면녕(冕宁) 희토류 광산 등이 있다. 중국은 17종의 희토류 금속을 모두 공급할 수 있는 유일한 국가로 희토류 매장량은 한때 세계 총 매장량의 약 80%를 차지했으며 명실상부한 ‘희토류 대국’이다.

그러나 우리 나라에는 풍부한 희토류 자원이 있으나 1980년대에는 효률적인 정제 기술이 부족하여 저가로 혼합 희토류를 수출하고 고가로 해외에서 정제된 고순도 희토류 제품을 수입해야만 했다. “보물산을 가지고도 남의 얽매임을 받아야 한다.”는 이 안타까운 상황은 결국 서광현(徐光宪) 원사에 의해 바뀌였다.

프라세오디미움(镨)―네오디미움(钕) 분리를 례로 들면 직렬(串级) 추출 기술을 사용하면 순도가 99.99%에 도달할 수 있을 뿐만 아니라 비용도 75% 낮출 수 있다. 캐스케이드 추출 기술의 선도 아래 중국 희토류 산업은 질적인 도약을 이루었고 국제무대에서 더 강한 발언권을 가지게 되였으며 이후 중국 희토류 산업의 활발한 발전을 위한 견고한 기초를 마련했다. 이러한 엄청난 공헌으로 서광현 원사는 2008년도 ‘국가최고과학기술상’을 수상했다.

서광현의 성공은 중국이 희토류 자원 대국에서 희토류 생산 및 수출 대국으로 도약하게 하여 전세계 희토류 시장 구도를 바꾸었다. 1990년대 초까지 중국의 단일 고순도 희토류 대량 수출로 인해 국제 희토류 가격은 원래 가격의 약 4분의 1로 떨어졌다. 미국 몰리브덴회사, 일본의 희토류 분리 기업, 프랑스의 로디아회사 등 오래동안 세계 시장을 장악했던 희토류 독점 기업들은 생산 감소, 생산 중단, 파산 또는 중국인과의 기술 협력을 추구할 수밖에 없었다. 그들은 이를 ‘China Impact(중국 충격)’이라고 불렀으며 이는 서광현이 만든 ‘중국 전설’이다.

희토류 원소는 자성 재료, 촉매, 광학 재료, 중성자 흡수 재료, 수소 저장 재료, 항공우주 합금 재료 등에서 불가결한 역할을 한다.

자성 재료는 희토류 원소 적용의 주요 분야 중 하나로 약 희토류 총 사용량의 60%를 차지하며 그중 희토류 영구 자석(永磁) 재료가 대부분을 차지한다. 2024년, 중국의 희토류 영구 자석 재료 생산량은 이미 전세계 총량의 약 90%를 차지했다. 중저가 네오디미움―철―붕소(硼) 자석 생산에서는 주로 네오디미움, 프라세오디미움 등의 경희토류 원소가 사용된다. 반면 고가 네오디미움―철―붕소 자석에서는 고온 안정성과 항감자(抗退磁) 능력을 더욱 향상시키기 위해 테르비움, 디스프로시움 등의 중희토류(重稀土) 원소를 추가로 첨가해야 한다. 네오디미움―철―붕소 자석은 성능이 우수하여 전기차 구동 모터, 풍력 발전기, 소비자 전자 제품 등 수많은 현대 기술 및 산업 분야에서 없어서는 안 되며 청정에너지, 정보 기술 및 고급 제조업의 급속한 발전을 강력히 추진하고 있다. 

사마리움(钐)―코발트(钴) 자석 역시 희토류 자성 재료의 중요한 구성원으로 높은 자기 에너지 적산(高磁能积), 우수한 내고온성 및 부식 방지 특성을 가지고 있어 일부 극한 환경에서의 유일한 선택으로 된다. 례를 들어, 항공우주 엔진, 석유 시추(钻井) 장비 등의 고온 시나리오에서 사마리움―코발트 자석은 안정적으로 작동할 수 있다. 해양, 화학 장비 등 강한 부식 환경에서는 그 내식 특성으로 인해 대체 불가능한 소재로 된다. 항공우주 센서, 고정밀 측정기기 등 자기장(磁场) 안정성 요구가 극히 높은 시나리오에서도 사마리움―코발트 자석은 핵심적인 역할을 한다. 또한, 테르비움―디스프로시움―철은 고성능 자기 변형 재료로서 높은 에너지 변환 효률과 빠른 응답 특성을 바탕으로 소나 시스템(声呐系统), 초음파 변환기, 정밀 기계 위치 결정 시스템에서 핵심 구성 요소로 되여 불가결한 지위를 차지하고 있다. 또한, 희토류 극저온 자기 랭동 기술은 현재 헬리움―3에 의존하지 않는 유일한 랭동 수단으로 중요한 전략적 의미를 가질 뿐만 아니라 수입 헬리움―3 자원에 대한 의존도를 줄이는 데 도움이 되며 고에너지 물리, 량자 컴퓨팅, 심우주 탐사(深空探测) 등 첨단 과학 기술 분야에서 넓은 응용 전망을 보여주고 있다.

촉매 분야에서 희토류 소비 비중은 20%∽25%에 달하며 영구 자석 재료에 이어 세계 두번째로 큰 희토류 응용 분야이다. 그 핵심 가치는 희토류 원소의 독특한 4f 전자층 구조에 있으며 촉매 반응의 효률성과 환경 보호 성능을 현저히 향상시킬 수 있다. 석유 분해(石油裂化) 분야에서 란타넘(镧), 세리움(铈)은 조촉매(助催化剂)로 석유 분해 촉매에 사용되고 촉매 활성 향상, 열안정성 강화, 촉매 수명 연장 및 생성물 선택성 개선에 기여할 수 있으며 동시에 정유 과정에서의 SOx/NOx 등 유해 가스 배출을 줄여 환경오염을 낮추는 데 도움이 되여 석유 분해 촉매의 핵심 원소이다. 자동차 배기가스 정화 측면에서 세리움 기반 산소 저장 소재(CeO2-ZrO2)는 동적 산소 저장―방출 특성으로 인해 삼원 촉매의 CO/HC 산화 효률과 NOx 환원률을 각각 98%와 90% 이상으로 높여 국6(国六)/유로6(欧六) 배출 기준을 충족시키는 핵심 소재가 된다. 또한, 희토류는 SCR 탈질(脱硝) 촉매 및 고체 산화물 연료 전지 등 신흥 환경 보호 분야에서도 불가결한 역할을 하며 희토류가 전통 산업의 록색 업그레이드 및 신에너지 기술 돌파에서 가지는 전략적 가치를 충분히 보여준다.

광학 재료 응용 측면에서 희토류 원소 La(란타넘), Nd(네오디미움), Yb(이터비움), Er(어비움)은 고성능 광학 기기에서 중요한 역할을 한다. 그들은 카메라 렌즈, 망원경 및 기타 정밀 광학 유리의 굴절률과 분산 성능을 현저히 향상시켜 이미지 품질을 최적화할 수 있다. 또한, 희토류 원소는 고체 레이저에서도 없어서는 안 될 존재로 특정 파장(波长)의 레이저 출력을 제공할 수 있다. 고체 레이저는 희토류 원료의 핵심 불순물 함량에 대해 매우 엄격한 제어 요구 사항을 가지며 일반적으로 ppm(백만 분의 일) 또는 ppb(십억 분의 일) 수준의 순도가 필요하다. 희토류 원소는 또한 반도체 소재의 핵심 도펀트(掺杂剂)로 그들의 전기적 및 광학적 성능 개선에 중요한 역할을 한다. 례를 들어, 광검출기(光电探测器)에서 희토류 원소의 도핑(掺杂)은 특정 파장의 빛에 대한 재료의 민감성을 강화하여 검출 효률을 높일 수 있다. 광섬유 증폭기에서 희토류 원소(례: Er)는 자극 방사를 통해 광신호를 증폭할 수 있으며 장거리 광섬유 통신 시스템에 널리 응용된다. 또한, 희토류 원소 Eu(유로피움), Tb(테르비룸), Ce(세리움) 등은 발광 재료 분야에서 독특한 응용 가치를 가진다. 그들은 특정 파장의 빛을 방출할 수 있으며, 에너지 절약 램프(节能灯), LED 및 디스플레이(显示屏) 등의 형광체를 제조하는 핵심 소재이다.

중성자 흡수 재료 측면에서 가돌리니움(钆―Gd)과 사마리움(钐―Sm)은 그들의 탁월한 중성자 흡수 특성으로 인해 원자력 분야, 특히 원자로 제어봉(控制棒)에서 불가결한 중요한 역할을 한다. 제어봉은 핵분렬 반응 속도를 조절하는 핵심 부품으로 중성자를 흡수하여 원자로 출력을 정밀하게 제어하고 안정적인 운행을 보장한다. 비상 상황에서 제어봉은 빠르게 로심에 삽입되여 련쇄 반응을 종료시키며 원자로 제어 불능을 방지하여 원자력 발전소의 안전한 운전에 중요한 보장을 제공한다. 또한, 가돌리니움과 사마리움의 사용은 기존의 제어봉 소재(례: 카드디움, 붕소)에 대한 의존도를 줄였을 뿐만 아니라 원자로 성능을 향상시키고 설계를 최적화하여 현대 원자로에서 없어서는 안 될 기능성 소재로 되였다.

희토류 수소 저장 합금(稀土储氢合金)은 니켈―수소 배터리가 일반적으로 사용하는 음극 재료이다. 희토류 원소는 수소와 안정적인 수소화물을 형성하여 수소 저장 용량을 높이고 반응 활성화 에너지를 낮추어 배터리가 충방전(充放电) 과정에서 더 효률적이게 하며 수소 흡착―방출 동력학 성능을 향상시켜 배터리가 빠르게 충방전 할 수 있게 하고 반복적인 수소 흡착―방출 과정에서 합금의 분말화 및 퇴화를 억제하여 배터리 수명을 연장시킨다. 희토류 원소(례: 이트리움(钇), 가돌리니움, 사마리움)는 고체 산화물 연료 전지의 전해질에서도 없어서는 안 될 존재로 도핑을 통해 산소 이온 전도성과 열안정성을 현저히 향상시키는데 이는 고효률 운행의 핵심이다. 례: Gd2O3 또는 Sm2O3가 도핑된 CeO2는 중온 범위(500℃―700℃)에서 더 높은 산소 이온 전도성을 나타낸다. 이트리움 도핑은 지르코니아 산화물 결정(氧化锆晶格) 구조에 산소 빈 공간(空位)을 도입하여 산소 이온 이동을 촉진하고 고온(800℃―1000℃)에서 산소 이온(O²-)의 전도성을 현저히 높인다.

희토류 원소는 기능성 소재에서 널리 응용될 뿐만 아니라 구조 소재에서도 없어서는 안 될 핵심 소재이다. 그들의 독특한 물리적, 화학적 성질은 합금의 성능을 현저히 향상시켜 항공우주 분야의 소재에 대한 고강도, 내고온성, 부식 방지 특성 등 까다로운 요구를 충족시킬 수 있다. 희토류 원소를 첨가함으로써 합금의 결정 입구 구조를 미세화하고 강도, 인성, 피로저항 및 부식 방지 능력을 향상시켜 부품의 사용 수명을 연장시킬 수 있다. 특히, 희토류 원소는 고온 합금의 고온 안정성과 항크리프(抗蠕变) 성능을 개선하여 항공기 엔진 열단(热端) 부품 등 극한 환경에 적용 가능하게 한다. 또한, 경량화 설계 측면에서 희토류 마그네시움 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도 및 내열성으로 인해 위성 및 우주선 구조 부품을 제조하는 리상적인 소재이며 현대 항공우주 기술 발전에 중요한 지지를 제공한다.

희토류 원소는 전통 산업 및 첨단기술 분야에서 중요한 지위를 차지하는 동시에 에너지 전환, 정보 기술 발전 및 첨단 과학 연구에서도 핵심적인 역할을 한다. 전세계적으로 청정에너지, 스마트 기술 및 고급 제조에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라 희토류 소재의 전략적 가치는 더욱 두드러질 것이며 국가 과학 기술 경쟁력 향상과 경제 안보 보장의 중요한 기둥이 될 것이다. 물론, 희토류는 그 채굴, 정제, 가공 과정의 기술적 복잡성과 환경 보호 요구 사항, 그리고 이로 인해 발생하는 경제적 및 정치적 차원 등의 문제가 존재한다. 기술 발전과 환경 보호 의식 향상에 따라 이러한 문제들은 점차 해결되고 있지만 여전히 희토류 산업의 발전을 제한하는 핵심 요소로 되고 있다.

/종합

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