최근 전략적 희토류 금속의 가격이 수요 증가와 공급량의 한계 때문에 급격히 상승하고 있어 국제적으로 희토류 자원 확보 전쟁이 진행되고 있다.
희토류 금속 중 일부는 매장량의 한계로 수요를 감당하기 어려워 전략적 광물로 분류되고 있다. 특히, 미국 에너지성은 공급 부족 위험도를 기준으로 이러한 원소 중 5개 성분을 중대전략물질(Critical Strategic Material)로 분류하고 확보 방안에 대한 다양한 연구를 수행하고 있다.
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미국 에너지성(DOE)은 Yttrium(Y), Europium(Eu), Neodymium(Nd), Terbium(Tb), Dysprosium(Dy)을 가장 중요한 단기 및 중기 Critical 물질로 분류하고 있다. 이러한 물질들은 중장기적으로 수요에 대한 공급 방안 확보가 어려운 물질로, 전 세계적으로 새로운 공급원 확보를 위한 노력이 필요한 상황이다.
DOE 분석에 따르면 전략광물 16개 중 8개가 희토류 금속이며, 전략적 광물로 선정된 희토류 금속은 자성, 광학특성 및 촉매특성 등을 가지고 있는 매우 가치가 큰 물질이다. 전기자동차, LED 조명 및 풍력발전 등 청정에너지산업 분야의 핵심적인 재료로 활용되고 있다.
한편 중대전략물질 중 석탄회는 국제 거래 가격이 톤당 1억원을 호가하는 Yttrium 및 Neodymium이 약180∼260ppm(mg/kg 정도로 상대적으로 높게 농축돼 있는 것으로 알려져 있어, 이를 적절히 회수할 수 있는 관련 기술을 확보할 경우 높은 경제적 가치를 창출할 수 있고, 전략자원 확보 대안 마련 측면에서도 유용할 것으로 예상된다.
그림 1. Short-Term(Present-2015) & Medium-Term(2015-2025) Criticality Matrix
특히 전 세계 희토류 금속 공급량의 약 50%를 차지하고 있는 중국이 2010년부터 수출쿼터제를 적용해 자원 무기화를 시작함에 따라, 2025년경에는 Yttrium 및 Neodymium의 공급량이 절대적으로 부족할 것으로 예상된다.
국내의 경우 현재까지 약 5천7백만 톤 이상의 석탄회가 발전소 매립장에 매립돼 있는 상황이기 때문에 매립 석탄회를 전략적 희토류 금속의 추출광상으로 개발할 필요가 있다. 또한 향후 백열전구 사용 금지 및 효율이 우수한 LED 전구 사용 정책에 따라 LED 및 영구자석 등의 핵심 원료인 Yttrium 및 Neodymium의 사용량이 급증할 것으로 예상돼 관련 기술의 개발이 더욱 필요한 상황이다.
일본과 미국 등 선진국의 경우 희토류 금속의 광상 발굴을 위해 노력하고 있는 상황으로, 일본 동경대학교 해양연구소에서 희토류 금속 개발을 위해 북서태평양 해저의 심해수를 채취해 분석한 결과, Yttrium(Y)의 함량이 약 5.689∼28.183ppb(μg/kg) 농도임을 확인하고 관련 회수 기술을 개발 중이다. 또한 미국 워싱턴 대학에서도 적도 부근에 희토류 금속 농도가 비교적 높은 것을 감안해 파푸아뉴기니 주변의 강물, 강 침전물 및 해수에 대한 희토류 금속 함량을 분석한 결과, Neodymium(Nd) 함량이 각각 25.675∼36.061ppb(μg/kg), 3.606∼5.481ppb 및 0.470∼0.702ppb인 것을 확인했다. 그러나 대부분의 강에는 1.0pmol/kg 이하로 분포돼 있어 경제성이 전혀 없는 것으로 알려지고 있다.
이러한 미량의 희토류 금속 함량에 비교하면 석탄회에는 Yttrium(Y)이 6770배, Neodymium(Nd)이 5000배 이상 농축돼 있는 것으로 확인되고 있다. 따라서 국내 석탄화력발전소의 석탄회에 함유돼 있는 희토류 금속 농도를 분석해 분포지도를 구축하고 이를 국가 전략광물 자원개발 로드맵으로 활용할 필요가 있다.
표 1. 세계 전략광물 수요 및 공급 전망
※ Source : Critical materials strategy, U.S. Department of Energy, Washington, DC, U.S. Department of Energy, 2011
표 2. 세계 Y/Nd 매장 광상 발굴 현황 (단위 : μg/kg)
그림 2. 이트륨
그림 3. 네오디움
한편, 석탄회로부터 희토류 금속 등의 전략적 자원을 추출하는 것은 석탄회 내 희유금속 함량에 대한 상세한 사전 모니터링이 필요하다. 하지만 현재 이러한 자료의 축적이 부족한 상태로, 석탄의 탄종 및 산지에 따른 희토류 금속의 함량, 석탄회로의 농축 및 추출 특성, 석탄회 종류인 비회, 바닥회, 매립회 및 매립 침출수 등에 대한 희토류 금속 분석 및 이러한 자료의 DB 구축이 필요할 것으로 보인다.
국내의 경우 석탄회로부터 희토류 금속의 추출기술 개발 사례는 거의 전무한 상태로, 전략적 자원에 대한 국가적 확보 방안 마련을 위해 관련 핵심기술 개발이 필요한 상황이다.
이현동 책임연구원 _ 전력연구원 발전연구소
