희토류 원소
1. 설명
Rare Earth Element
원자번호 57번 란타넘(La)부터 71번 루테튬(Lu)까지의 란타넘족과 21번 스칸듐(Sc), 39번 이트륨(Y)까지의 17종류 원소의 총칭. 간혹 같은 족인 악티늄족이 들어가기도 한다.
란타넘에서 사마륨까지의 6원소를 세륨족 원소, 유로퓸에서 루테튬까지 이트륨·스칸듐을 합친 11원소를 이트륨족원소라고 한다. 모두 희유원소에 속하며, 프로메튬은 방사성원소로 안정동위원소는 존재하지 않는다. 또 원자번호가 홀수인 것은 짝수인 것에 비해 존재량이 적다. 그런데 이름과는 달리 매우 풍부하다. 금, 은, 수은 보다 풍부할 정도. 단지 홑원소로 추출이 매우 어려워서 이런 이름이 붙은 것.[1]
지구 지각에서 각 원소가 차지하는 구성비는 다음과 같다. 출처1 출처2 비교를 위해 각각의 희토류 원소와 비율이 비슷한 비희토류 원소도 같이 작성하였다.
희토류 중에서 가장 많이 쓰이는 것은 네오디뮴(Nd)으로 전체 희토류 소비의 40%를 차지한다. 네오디뮴을 넣어 자석을 만들면 자력이 10배 강해지므로 그만큼 자석을 소형화할 수 있다. 이런 식으로 조금만 넣어도 소재의 성능이 크게 달라지는 특성이 있다.
2. 환경오염
한 나라에서 희토류를 활발하게 개발하기 위한 필수적 조건들은 다음과 같다:
①풍부한 매장량, ②저렴한 인건비, ③통제가 수월한 노동자들, ④환경무시.
즉 '''희토류 채굴업은 땅 넓은 개발도상국만 주력으로 밀 수 있는 산업이다.''' 중국, 브라질, 러시아, 콩고민주공화국 등이 세계적인 희토류 생산국이 된 이유가 이것이다. 채굴 및 가공 과정에서 극악한 '''환경오염'''과 심각한 '''산업재해'''를 야기하기에, 정화 비용이나 노동자에 대한 복지나 보상 등등을 선진국 수준으로 지출할 경우 채산성이 도저히 맞지 않기 때문이다. 반대로 미국이나 다른 선진국이 희토류를 생산하지 않는 것도 매장량이 없어서라기보다는 개발도상국에서 수입해 오는 것이 더 싸게 먹히기 때문이다.
방사성원소인 프로메튬과 우라늄 정제로 미량만 나오는 스칸듐을 제외하면, '''희'''귀한 '''토'''양이라는 이름과 달리 지표에 비교적 풍부하다. 허나 원석이 많아도 '''추출이 어려워''' 펑펑 생산되지 않는다. 또한, 강제로 추출하려다보니 강한 화학약품을 많이 쓰게 되는데, 이 때문에 추출과정에서 대량의 독성 폐수가 발생한다. 또 희토류 원소들이 방사성 원소(주로 토륨과 유로퓸)와 함께 몰려 있는 특성이 있어서 희토류를 찾을 때도 방사능을 측정해서 찾는다. 희토류 추출과정에서 방사능 오염수도 다량 발생한다.
즉 채굴과 추출과정에서 심각한 환경오염이 발생하기 때문에 그 재처리 및 정화과정에 비용이 많이 든다. 세계 최대 희토류 광산이 있는 바오터우 지역은 그야말로 심각할 지경이고 중희토류가 매장되어 있다는 중국 남부지역은 무분별한 개발[4] 때문에 삼림 파괴, 산 붕괴, 식수원 오염 등의 피해가 발생하고 있다.
현재 말레이시아에 호주 광산업체가 희토류 제련공장을 짓고 있는데, 이것은 워낙 환경오염을 유발하기 때문에 호주에서 광석을 채굴해 4천 킬로미터나 떨어진 말레이시아까지 운반해 그곳에서 제련하기 위해서이다. 문제는 이미 예전에 말레이시아에서는 일본회사의 희토류 제련공장으로 심각한 환경오염 및 주민피해를 야기한 바 있기에 말레이시아 환경단체들과 주민들이 극렬반발하고 있다고.
사실 우리가 쓰는 스마트폰, 컴퓨터, 그 밖의 여러 첨단 기기들의 가격이 이 정도까지 내려갈 수 있는 것도 개도국들에서 저렇게 환경오염을 무릅쓰고 희토류를 캐내기 때문이다.
3. 현황
'''중동의 석유, 러시아의 천연가스, 중국의 희토류.''' 중국은 오일쇼크 때 자원무기화의 위력을 직감하고 개혁개방 이래 희토류 개발을 적극 장려하였다. 그리하여 현재 중국이 현재 세계 최대의 희토류 생산국 반열에 떠오르게 되었다. 2010년 10월 중국 정부가 센카쿠 열도 분쟁을 이유로 일본에 희토류 원소 수출을 중단한다고 선언하자 국제적으로 난리가 났다. 이유야 어쨌든 비싸기 때문에. 미국 정부는 십 년 전 채굴이 중단된 폐광산까지 국가가 직접 재개발에 나서며 자국내 희토류 원소 공급망을 만들 계획을 내놓을 정도. 그러나 정작 지난 15년 동안 희토류 관련 연구 인력들을 푸대접한 결과 미국은 희토류 생산 인프라를 재건해야 한다고 한다. 네오디뮴 자석을 최초로 개발한 과학자도 미국인이고 그 과학자의 소속 기업도 미국 기업이었는데 경영 문제로 중국에 팔았고 중국은 구입할 때 약속했던 5년의 기한[5]이 지나자마자 관련 인력들을 해고하고 생산 시설 및 기술을 중국으로 가져갔다고 한다. 그래서 그 과학자는 졸지에 직장을 잃고 태국 방콕에 있는 기업(다만 직위는 CEO라고)에 근무한다고.'''중동에 석유가 있다면, 중국에는 희토류가 있다.''' (덩샤오핑)
그런데 2011년 초여름 중국이 수출량을 1/3로 또 조여버렸다. 이 때문에 희토류 가격이 다시 폭등했다. 그 결과 2년간 희토류 가격이 평균 10배 이상 폭등했다. 이 난리 덕에 희토류 매장량과 정제술 연구가 많이 진행되었는데, 연구에 따르면 지금 같은 추세로 희토류를 소비해도 적어도 고갈될 때까지 100년 이상 걸릴 것이라는 결과가 나왔다. 또 기업들은 대체 소재 연구에 들어갔고 가시적인 성과가 보이고 있다. 예를 들어 전기차 한 대를 생산하는데 1.5kg의 희토류가 소요되는데, 토요타는 베트남 등 희토류 대체 생산지 확보에 나서는 한편 희토류를 쓰지 않는 신형 배터리를 개발했다. 세계에서 희토류를 가장 많이 수입하는 나라가 일본인데, 중국이 최근 희토류 수출량을 그전의 1/3로 확 줄었다고 한다. 왜 일본이 중국인 선장을 바로 석방했는지 알 수 있다.
이런저런 결과로 앞으로는 계속 희토류 가격이 하락세일 것으로 전망되고 있다. 공급 통제로 가격 폭등을 노린 점도 있는 중국 입장에서는 뜻대로 되지 않은 결과. 실제로 2010년 11월을 정점으로 가격은 안정세에 들어간 편이다. 즉 경제학으로 보면 오일 의존도 하락만 유발한 오일쇼크의 재판이다.
국내에서는 충청북도 충주시와 강원도 홍천군 일대에서 약 2400만톤 규모의 희토류가 섞인 광맥이 발견되었다.# 자세한 것은 더 조사해 봐야 알겠지만 광맥에서 총 14만 7,500t을 추출할 수 있을 것으로 보여서, 대략 '''50여 년간 자급자족이 가능한 양'''이라고 한다. 우리나라는 추출 기술을 아직 연구 중이다. 하지만, 위에 나온 것처럼 희토류를 채굴하면서 생기는 환경오염이 워낙 심각하다 보니 양날의 검이라 할 수 있다. 캐나다나 미국, 중국만 해도 국토가 넓지만, 우리나라는 그렇지 않다는 게 문제. 채굴 때문에 충주·홍천 개발을 하면 이 지역이 심각하게 파괴되기 때문이다. KBS 스페셜의 희토류 관련 프로에서 희토류를 탐사하던 연구원은 "당장 생산되지 않아도 우리 땅에 묻혀 있는 것만으로 전략 자원으로서의 가치가 있다."고 강조했다.
태평양 해저에 희토류 진흙층이 발견되었다.# 극히 일부 지역을 제외하면 공해(公海)라서 특정 국가가 독점할 수 없다. 수심 3,000~6,000미터의 심해. 또한 희토류를 쓰지 않고 제품을 만들 수 있도록 연구가 이루어지고 있다고 한다. 물론 현재 한국에 매장된 희토류도 충분히 전략자원으로 활용할 가능성은 있겠지만 사실상 저 지역을 개발하는 일은 없다고 봐야 할 듯. 해저자원을 캐내는 것은 유체(가스, 액체)가 아니면 아직 경제성이 없기 때문에 태평양 희토류를 캐내는 것은 현재 불가능하다.
한편 일본에게 경제 보복을 하겠다며 희토류 수출을 금지했던 중국은 초반에는 중국 선장의 석방도 받고 일본 정부로부터 사죄와 배상금을 뜯어냈다. 열받은 일본이 중국의 견제를 목적으로 미국으로부터 희토류 원소 기술을 전수받고 독자 기술로 희토류 원소 생산에 성공하자 일부 희토류의 중국 점유율은 50%대로 떨어졌다.#
상기한 중국의 희토류 줄여라 시전 시 모 핵연료 제조 회사의 경영진이 "회사 내 희토류 사용 현황에 대해 조사하여 보고하라"라는 지시를 내려 직원들의 빈축을 샀다.[6]
2018년 4월 10일 일본 도쿄 남동쪽 약 1,900 km 거리에 위치한 미나미토리 섬 남쪽 250 km인 미국 괌 근처 해저 5,600미터 심해 25곳에서 1,600만 톤 규모의 희토류가 매장되어있다는 것이 확인되었다. 하이브리드 자동차에 들어가는 전지 원료인 디스프로슘이 세계 수요의 730년분, 레이저 등에 사용되는 이트륨은 780년 분, 모터 등에 사용되는 터븀은 세계 수요 420년분, 액정 디스플레이의 발광체로 이용되는 유로퓸은 620년분으로 각각 추정됐으나 3배 이상의 희토류를 육상자원으로 보유한 중국에 비해 채산성의 문제가 크다. 본문기사 연관기사 해당지역은 한국과 미국 등 일본이외의 국가도 개발이 가능한 지역이다.
그러나 이와 같은 대중 의존도를 줄이기 위한 노력에도 전자제품 생산 등의 수요 증가와 여전히 중국 대체 공급처가 중국만큼 경쟁력이 있지 않기에, 중국은 미국을 상대로도 희토류 수출제한을 시전하는 중이다. 결국 채산성이 문제다.
원래 미국은 80년대까지 세계 최대의 희토류 생산국이었으나 오염문제 때문에 수입에 의존하고 있던 만큼, 희토류 자원의 무기화에 맞서 다시 자국의 희토류를 채굴하며 대항하려 하고 있다.# 하지만 상술했듯 희토류 채굴은 인건비가 저렴해야하고 극심한 환경파괴를 동반한다. 미국으로선 무언가 획기적인 신기술이 개발되지 않는 한 불가능에 가깝다.
실제로 미 지질조사국(USGS)은 지난해(2018년) 희토류 글로벌 생산량(17만t)의 '''70.6%(12만t)가 중국산'''이라고 집계했으며, 심지어 직전 4년(2014~2017)간 미국이 수입한 희토류의 '''80%'''가 중국산이었다고 밝혔다. 中 희토류 수출규제 외친 날, 美 "한국과 공조" 동맹 압박
이와 관련해 미국 항공우주국(NASA)에서 특이한 소식 하나가 들려왔다. 짐 브리덴스타인 NASA 국장에 따르면 “금세기 안에 달 표면에서 희토류 채굴이 가능할 것”이라고 말한 것이다.#
4. 희토류와 스텔스기
2018년 촉발된 미중무역전쟁에서 중국이 만지작거린 카드가 바로 대미 희토류 수출 중단 카드. F-22/F-35 등의 스텔스기를 생산하는데 대당 400kg 이상의 희토류가 필요하다는 것이 미(美) 국방부에 의해 밝혀졌다.
[1] 이 점을 적나라하게 드러내는 이름을 가진 원소가 디스프로슘으로, 워낙 홑원소로 분리하는 데 개고생을 하게 만든 원소라 '''도달하기 어렵다'''라는 의미의 이름이 붙었다.[2] 지구 지각 전체에 대략 500~600 '''그램''' 밖에 없으며 그 중에 약 560g은 우라늄의 핵분열 과정에서 극악한 확률로 생성된 것이다. 프로메튬은 가장 안정한 동위원소의 반감기도 꼴랑 17.7년밖에 안되어 실시간으로 존재하는 양을 확률적으로만 구할 수 있다.[3] 지하의 공기층을 포함시킨 비율이긴 하나, 아르곤은 극저온에서만 화학결합을 이루므로 엄밀히는 0에 가깝다.[4] 이곳은 희토류가 토양에 섞여 있기 때문에 멀쩡한 산에 수도 파이프라인 같은 걸 두르고 일정 간격마다 작은 구멍을 뚫은 후 약산성수를 흘려보내어 채굴한다고 한다.[5] 미국 내 관련 시설과 인력을 최소 5년 동안 유지한다는 계약 조항이 있었다고 한다.[6] 사무실의 컴퓨터나 전화기 등과 현장의 기계/계기 등에도 희토류가 많이 들어가지만, 이 회사의 경우 '''생산 제품 중에 가연성 독봉이라는 희토류 가공품이 있다'''. 이에 직원들은 경영진이 자기 회사에서 뭐 만드는지도 모른다며 비웃었다. 물론 이건 회사 특성상 경영진 5명중 3명이 낙하산인데다 지시 자체도 경영진보다 더 윗선에서 나온 것이긴 하다. 참고로 가연성 독봉이란 중성자 제어를 위해 중성자 흡수재인 가돌리늄을 넣어 만든 연료봉을 말한다.