희토류와 첨단산업 그리고 환경오염

희토류란

희귀한 토양이라는 뜻을 내포하고 있는 희토류( 稀土類, rare earth elements, REEs)는 주기율표의 란탄족 원소와 스칸듐, 이트륨을 포함하는 17가지 원소군입니다. 이들은 원자번호 57번부터 71번까지의 란탄족 원소와 스칸듐(21번), 이트륨(39번)으로 구성됩니다. 희토류는 고유의 자성, 형광성, 촉매 성질로 인해 다양한 산업에서 필수적인 재료입니다. 전기차, 스마트폰, 고성능 자석, 의료기기 등에서 중요하게 사용되며, 현대 기술과 에너지 효율에 중대한 영향을 미칩니다. 이들은 지구의 지각에서 희귀하게 발견되며, 정제 및 채굴 과정에서 환경 영향을 고려해야 하는 자원입니다.

희귀하다는 이름과 달리, 지각에는 비교적 풍부하게 존재하지만, 경제성 있게 채굴할 수 있는 형태로는 많지 않아 희소성이 높습니다.

 

희토류

희토류의 용도

희토류는 스마트폰, 컴퓨터, 전기 자동차, 풍력 터빈, 군사 장비 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 각 희토류 원소의 주요 용도는 다음과 같습니다.

1. 란탄(Lanthanum, La)

• 전기차 및 배터리: 라세늄 니켈-메탈 하이드라이드 배터리의 양극 재료로 사용됩니다.
• 광학 기기: 렌즈와 광학 장비에서 높은 투과율을 제공하는 데 사용됩니다.
• 촉매: 자동차 배기가스 정화 촉매에서 중요한 역할을 합니다.

2. 세륨(Cerium, Ce)

• 자동차 촉매: 자동차 배기가스 정화에서 중요한 역할을 합니다.
• 유리 및 세라믹: 세라믹, 유리, 주석 광택제에서 사용됩니다.
• 플라즈마 스크린 디스플레이: 형광 물질로서 플라즈마 스크린의 밝기를 높입니다.
• 세륨은 희토류 중에서 가장 많이 생산되고 소비되는 원소입니다.
• 환경 규제 강화와 함께 배기가스 정화 시스템에 대한 수요가 많아지고 있습니다.

3. 프라세오디뮴(Praseodymium, Pr)

• 자석: 높은 자속 밀도를 가진 자석, 특히 네오디뮴 자석의 합금에 사용됩니다.
• 빛깔의 필터: 프라세오디뮴 화합물은 안경 렌즈와 조명에서 색상 조절에 사용됩니다.

4. 네오디뮴(Neodymium, Nd)

• 영구 자석: 강력한 네오디뮴 자석은 전기 모터, 스피커, 하드 드라이브 등에서 사용됩니다.
• 레이저: 네오디뮴 레이저는 고출력 레이저 기기에서 사용됩니다.
• 형광체: 디스플레이 기술에서 사용됩니다.
• 가장 높은 수요를 자랑하는 희토류 중 하나입니다.
• 전기차 및 재생에너지 기술의 발전으로 인해 고강도 자석에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

5. 프로메튬(Promethium, Pm)

• 광원: 방사능 원소로서 방사형 광원과 일부 형광기에서 사용됩니다.
• 방사선 장비: 방사선 검사 장비의 일부로 사용됩니다.

6. 사마륨(Samarium, Sm)

• 자석: 사마륨-코발트 자석은 높은 온도에서 안정성을 제공하며, 내열성이 필요한 환경에서 사용됩니다.
• 형광체: 네오디뮴 형광체와 혼합하여 사용됩니다.

7. 유로퓸(Europium, Eu)

• 형광체: TV 스크린, LED 조명 및 형광등에서 주요 형광체로 사용됩니다.
• 보안: 유로퓸은 화폐 및 보안 문서의 인증 마킹에도 사용됩니다.
• 디스플레이와 조명 기술의 발전에 따라 유로퓸의 수요가 증가하고 있습니다.

8. 가돌리늄(Gadolinium, Gd)

• 의료 영상: MRI의 조영제와 같은 방사선 영상 기기에 사용됩니다.
• 자기 냉각: 자기 냉각 시스템에서 저온에서의 자화 특성을 활용합니다.
• 강화된 자석: 자기 메모리 장치에서 사용됩니다.

9. 터븀(Terbium, Tb)

• 형광체: 디스플레이 및 조명 장비에서 녹색 형광체로 사용됩니다.
• 자석: 고온에서 강한 자성을 제공하는 자석 합금에서 사용됩니다.

10. 디스프로슘(Dysprosium, Dy)

• 자석: 네오디뮴 자석의 코팅 및 자성 재료에서 중요한 역할을 합니다.
• 전기 기기: 높은 온도에서 자성을 유지하는 특성 덕분에 전기 기기와 모터에 사용됩니다.
• 디스프로슘은 네오디뮴 자석의 특성을 개선하기 위해 사용되며, 수요가 높습니다.

11. 홀뮴(Holmium, Ho)

• 레이저: 홀뮴 레이저는 의료 및 산업 응용에서 사용됩니다.
• 자기 회로: 자기 회로와 자석에서 사용됩니다.

12. 어스븀(Erbium, Er)

• 통신: 광섬유 통신에서 증폭기로 사용됩니다.
• 레이저: 의료 및 산업 분야에서 사용되는 레이저에서 중요한 역할을 합니다.

13. 튜븀(Tulium, Tm)

• 레이저: 튜븀 레이저는 의료 및 산업 응용에서 사용됩니다.
• 방사선 방어: 방사선 방어 장비에 사용됩니다.

14. 이터븀(Ytterbium, Yb)

• 레이저: 고출력 레이저 및 광섬유 통신에서 사용됩니다.
• 합금: 스틸 및 기타 금속 합금에서 강화제로 사용됩니다.

15. 루테튬(Lutetium, Lu)

• 촉매: 석유화학 공정의 촉매로 사용됩니다.
• 의료 영상: PET 스캔에서 사용되는 물질의 일부로 사용됩니다.

16. 스칸듐(Scandium, Sc)

• 합금: 알루미늄 합금에서 강도를 높이는 데 사용됩니다.
• 스포츠 장비: 스캔듐 합금으로 제조된 자전거 프레임과 같은 스포츠 장비에서 사용됩니다.

17. 이트륨(Yttrium, Y)

• 형광체: LED 및 LCD 디스플레이에서 사용됩니다.
• 합금: 고온 합금 및 세라믹에서 사용됩니다.

 

희토류 원소별 수요전망 및 희토류 용도별 수요량 (2021)

 

 

각국의 희토류 매장량 및 생산량

1. 중국

• 중국은 세계 희토류 생산의 약 60-70%를 차지합니다. 주요 생산 지역은 간쑤성, 내몽골 자치구, 지린성 등입니다.
• 중국은 세계 희토류 공급의 주된 공급국이며, 희토류 자원의 대부분을 차지합니다. 중국 정부는 희토류 자원의 수출을 조절하여 전략적 자원으로 활용하고 있습니다.

2. 미국

• 미국의 희토류 매장량은 세계 총 매장량의 약 8-10%를 차지하는 것으로 추정됩니다.
• 최근 몇 년간 미국의 생산량은 증가 추세에 있습니다. 주요 생산 지역은 캘리포니아주 마운트 패식스와 뉴멕시코 주의 마운트 패식스입니다.
• 미국은 자국 내 희토류 자원의 개발을 장려하고 있으며, 중국 의존도를 줄이기 위한 노력을 기울이고 있습니다.

3. 호주

• 호주는 세계 희토류 매장량의 약 10%를 보유하고 있으며, 특히 앨카린 프로젝트와 같은 대규모 자원을 가지고 있습니다.
• 호주는 최근 몇 년 동안 희토류 생산을 크게 확대하였으며, 2020년 기준으로 약 10%를 차지했습니다.
• 호주는 희토류 자원의 상업적 개발을 적극적으로 추진하고 있으며, 중국 이외의 주요 공급국으로 부상하고 있습니다.

4. 러시아

• 매장량: 러시아의 희토류 매장량은 세계 총 매장량의 약 10%로 추정됩니다.
• 생산량: 현재 러시아의 희토류 생산량은 상대적으로 낮지만, 자국 내 자원 개발을 계획하고 있습니다.

5. 기타 국가

• 인도, 브라질, 캐나다도 희토류의 매장량이 각각 1~3% 정도인 것으로 알려져 있으나 생산량은 미비합니다.
• 베트남은 중국에 이어 세계 두번째로 많은 매장량을 가지고 있어 미국등 동맹국들의 관심을 받고 있으나 생산량은 미미한 상황이다.

6. 한국

• 한국은 희토류 자원의 매장량이 매우 제한적입니다. 일부 지역에서 소량의 희토류 자원이 발견되었으나 상업적 규모로 개발되지는 않고 있습니다.
• 대부분의 희토류 자원은 해외에서 수입하고 있으며, 안정적인 공급망을 구축하려는 노력을 지속하고 있습니다.

 

국가별 희토류 매장량 2022

국가별 희토류 생산량 2022

 

 

희토류 채굴의 환경오염

희토류의 채굴 및 정제 과정은 환경에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 주요 환경오염 측면은 다음과 같습니다:

 

1. 방사선 방출

희토류 원소들은 종종 방사성 물질을 포함하고 있습니다. 특히 세륨, 라세늄, 유로퓸 등의 원소는 방사능을 방출할 수 있으며, 이러한 방사선은 인체와 환경에 해로울 수 있습니다. 방사성 물질이 방출되면 토양과 수원 오염이 발생하고, 장기적으로는 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

 

2. 산성 폐수

희토류 채굴과 정제 과정에서 산성 폐수가 발생할 수 있습니다. 이 폐수는 환경에 유해한 화학물질을 포함하고 있으며, 처리되지 않고 방출될 경우 지하수와 표면수의 산성화를 초래합니다. 이는 수생 생태계와 식수의 질을 저하시킬 수 있습니다.

 

3. 중금속 오염

희토류 채굴 및 정제 과정에서 중금속(예: 납, 카드뮴, 비소)이 포함된 폐기물이 발생할 수 있습니다. 이러한 중금속은 토양에 축적되어 식물과 수자원을 오염시킬 수 있으며, 식물과 동물에 해를 끼칠 수 있습니다.

 

4. 산림 및 생태계 파괴

희토류 자원을 채굴하기 위한 광산 개발은 산림을 벌채하고 자연 서식지를 파괴하는 경우가 많습니다. 이로 인해 생물 다양성이 감소하고, 생태계의 균형이 깨질 수 있습니다. 특히, 대규모 채굴 작업은 주변 생물군계에 광범위한 영향을 미칩니다.

 

5. 폐기물 처리 문제

희토류의 정제와 가공 과정에서 발생하는 폐기물은 처리하기 어려운 경우가 많습니다. 적절한 처리가 이루어지지 않으면, 이러한 폐기물이 환경에 부정적인 영향을 미치고 장기적인 오염 문제를 초래할 수 있습니다.

 

 

희토류 개발로 인한 환경오염

 

 

희토류는 현대 산업에 필수적인 자원으로, 전자기기, 재생에너지, 의료기기 등에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 현재 희토류 자원은 중국에 과도하게 의존하고 있으며, 이로 인해 공급망의 불안정성과 정치적 리스크가 발생하고 있습니다. 또한, 채굴 및 정제 과정에서 환경 문제가 심각합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 희토류 자원의 공급망을 다각화하고, 친환경적인 채굴 및 정제 기술을 개발하는 것이 필요합니다.