반도체, 전기차 배터리 등의 첨단 산업의 필수로 여겨지는 소재가 바로 희토류입니다. 지난 6월 23일 한국 정부는 희토류 매장량 세계 2위 국가인 베트남과 희토류 관련 MOU를 체결하고 안정적인 희토류 공급망을 확보했다고 알렸습니다. 오늘은 희토류란 무엇인지, 희토류의 종류와 기능에 대해 알아보고 더 나아가 희토류의 가치와 환경문제에 대해서도 알아보도록 하겠습니다.
희토류란?
희토류(稀土類)는 희귀한 흙, 땅속에 드물게 존재하는 원소(rare earth elements)라는 뜻으로 원소기호 57번부터 71번까지의 원소 15개와 스칸듐(Sc), 이트륨(Y) 등 총 17개의 원소를 말합니다. 이들 원소는 열전도율이 놓고, 화학적으로 안정적이며, 반응성이 매우 크고, 합금을 만들기에도 적합합니다. ‘희토류’라는 말에는 희귀하고 그 양이 매우 적다는 뜻이 포함되어 있지만, 지구상에 적당한 양이 골고루 매장되어 있는 것으로 알려져 있습니다. 다만 희토류 광석을 채광한 후 순수한 금속으로 분리할 때 그 과정이 복잡하고 비용이 많이 들며, 한곳에 집중되어 있지 않으니 다른 광물들에 비해서는 채광할 만큼의 광석이 적어 사용할 수 있는 좋은 품질과 많은 양을 확보하기가 어렵습니다. 요즘 희토류는 전자, 재생 에너지, 자동차 산업 등의 산업적 측면에서 그 중요성이 매우 큽니다. 자동차 엔진만 해도 희토류 원소를 1kg~12kg까지 사용하는 등 산업분야의 필수품이라고 할 수 있습니다. 그렇기 때문에 이 금속들을 확보하기 위해 국가 간의 경쟁이 치열합니다.
희토류 원소의 종류와 기능
처음엔 렌즈 연마용으로만 희토류 금속을 사용했었다고 합니다. 그 이후 1980년대에 접어들어 일본에서 희토류의 한 종류인 네오디뮴으로 매우 강한 영구 자석을 만들기 시작하면서부터 희토류가 경쟁력이 급상승했습니다. 네오디뮴으로 만든 영구 자석은 작고 가볍고, 다른 영구자석보다 2배 이상 강했기 때문입니다. 이제 대표적인 희토류의 종류와 기능을 몇 가지만 알아보도록 하겠습니다.
1) 네오디뮴(Nd) : 가장 많이 알려지고 사용되고 있는 영구 자석입니다. 훨씬 작고 성능은 훨씬 좋기 때문입니다. 자성이 매우 높고 전기 자동차용 모터, 컴퓨터 하드 드라이브, 풍력 발전기용 터빈, 스피커 등을 만들 때 사용됩니다.
2) 란타넘(La) : 니켈 수소 합금 전지의 주된 원료로 사용되는데 이는 전기자동차 배터리의 핵심입니다. 또한 원유 정제 촉매나 특수 유리, 강철 합금에도 사용됩니다.
3) 세륨(Ce) : 자동차 산업에서 유해한 자동차 배출물을 줄이는 용도에 필요합니다. 또한, 유리 제조나 광택제 등에도 사용됩니다.
4) 이트륨(Y) : 자기 공명 영상(MRI), 첨단 장치 등에 들어가는 초전도체 생산에 사용됩니다.
5) 가돌리늄(Gd) : 자기 공명 영상(MRI)의 조영제에 사용됩니다.
6) 디스프로슘(Dy) : 네오디뮴 자석에 첨가되는데 이렇게 만들어진 자석은 전기 자동차 모터, 풍력 터빈 및 강력한 자기장이 필요한 기타 응용 분야에서 매우 중요합니다.
이 밖에도 희토류 원소는 스마트폰 등의 IT 관련 산업, 컴퓨터 등의 전자 제품, 형광체 또는 광섬유 등에 필수적이며, 전기 자동차, 하이브리드 자동차뿐 아니라 태양열 발전, 풍력 발전 등의 재생에너지에도 꼭 필요한 물질입니다.
희토류 원소의 가치와 환경
희토류 원소는 고성능 자석이나 배터리 산업, 초전도체, 반도체 등의 생산에 사용되므로 재생에너지, 자동차 산업, 항공 우주 산업 등 첨단 산업에 필수적입니다. 또한 전기자동차의 배터리, 풍력 발전소의 터빈, 태양광 패널 등에 희토류를 사용하는 만큼 친환경 산업에도 꼭 필요하다 할 것입니다. 따라서 희토류 원소가 주는 그 경제적 가치는 매우 높을 수밖에 없습니다.
반면에 희토류 광석으로부터 순수한 희토류 원소들을 추출해 내기 위한 과정에서 많은 화학 약품을 사용하게 되고 강한 독성의 폐수가 발생하기도 합니다. 이렇게 심각한 환경오염을 발생시켜 채굴과 추출을 하게 되면 그 정화과정에 막대한 비용이 발생하게 될 것입니다. 희토류 채굴을 위한 무분별한 개발과 삼림 파괴나 수자원 오염 등의 피해가 발생하는 것도 중요한 부분입니다.
희토류 원소가 지금 우리에게 꼭 필요한 소재임은 분명합니다. 다만, 친환경을 위한 산업에 필요한 희토류 채굴과 가공을 위해 우리가 환경을 심하게 파괴하고 있다는 사실에 대해 걱정하고 적절한 해결책을 끊임없이 찾아야 할 것으로 보입니다.