수세기 동안 이어져 온 "산업용 비타민"에 대한 오해의 진실

(댄 트리) - 희토류라는 이름이 수 세기 동안 오해를 불러일으켰다는 사실을 아는 사람은 거의 없습니다.

희토류 원소(REE)라고도 불리는 희토류 원소는 란타넘족 원소 15개와 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y)을 포함한 17개의 화학 원소로 구성된 그룹입니다.

일반적으로 희토류라는 명칭은 금처럼 극히 희소하고 귀중한 자원을 떠올리게 합니다. 그러나 지질학자와 재료 과학자들은 완전히 다른 결론에 도달했습니다.

이 원소들은 실제로 지구 지각 전체에 존재합니다. 어떤 원소들은 구리(Cu)나 아연(Zn)보다 풍부합니다. 희토류 원소를 특별하게 만드는 것은 희소성이 아니라, 복잡한 형성, 분포, 채굴, 정련 과정입니다.

희토류 원소 그룹에는 스칸듐과 이트륨과 함께 란탄족의 17개 화학 원소가 포함됩니다(사진: 게티).

이 이름은 역사적 오해에서 유래되었습니다.

희토류 원소라는 명칭은 18세기 후반 유럽 과학자들이 좁고 접근하기 어려운 지질학적 지역에 종종 나타나는 이상하게 생긴 광물에서 특수한 금속 산화물을 처음 분리한 역사적 상황에서 유래되었습니다.

당시에는 알려지지 않은 금속 산화물을 종종 '토류(earth)'라고 불렀습니다. 이러한 산화물을 함유한 광물은 흔하지 않았기 때문에 당시 과학계에서는 이를 희토류(rare earth)라고 불렀습니다.

이 명칭은 오늘날에도 여전히 사용되고 있지만 오해의 소지가 있습니다. 희토류 원소는 매장량 자체가 희귀한 것이 아니라 경제적으로 채굴할 수 있는 풍부한 광석 형태로 존재하는 경우가 드뭅니다. 이 원소들은 널리 분포되어 있지만 농도가 낮습니다. 철이나 보크사이트처럼 큰 매장지에 축적되는 경우는 드뭅니다.

독일 지질연구소 GFZ의 분석에 따르면, 희토류 원소는 종종 다양한 광물에 섞여 존재하며 높은 농도로 나타나는 경우는 드뭅니다.

희토류 원소는 농도가 낮게 분산되어 있어 탐사와 채굴 비용이 많이 들지만, 전 세계 매장량은 풍부한 것으로 평가됩니다(사진: 게티).

이로 인해 희토류 매장지를 조사하고 위치를 찾는 과정이 비용과 시간이 많이 소요되는 작업이 되었습니다.

매장량이 발견되더라도 실제 회수율은 몇 퍼센트 이하에 불과합니다. 이러한 분산으로 인해 희토류 원소는 전 세계적으로 매장량이 풍부함에도 불구하고 접근이 어려운 자원이 됩니다.

채굴에서 정제까지 일련의 장애물

희토류 원소의 가장 큰 난제는 분리 및 정제 과정에 있습니다. 희토류 원소는 전자 구조가 유사하기 때문에 분리가 어렵습니다. 네오디뮴과 프라세오디뮴을 분리하거나 중희토류 원소와 경희토류 원소를 분리하려면 수백 번의 반복적인 추출 단계가 필요합니다.

매사추세츠 공과대학교(MIT)의 연구에 따르면 희토류 정련은 현대 야금학에서 가장 복잡한 공정 중 하나입니다. 이 공정은 강산과 유기물을 많이 소모하고, 다량의 고형 폐기물과 독성 용액을 생성합니다.

많은 광산에서 희토류 광석은 자연적으로 방사성을 띠는 토륨과 우라늄과 혼합되어 있습니다. 이러한 폐기물을 제대로 처리하지 않으면 토양과 수질을 장기적으로 오염시킬 위험이 있습니다.

환경 문제로 인해 많은 국가들이 막대한 매장량에도 불구하고 희토류 채굴을 제한하고 있습니다. 소수의 국가만이 관련 기술과 가공 비용을 감당할 수 있는 능력을 보유하고 있습니다. 이로 인해 희토류 공급망이 소수 국가에 집중되어 지정학적 및 국제 무역 리스크가 발생하고 있습니다.

펜실베이니아 주립대와 로렌스 리버모어 국립연구소의 연구팀은 박테리아 단백질을 이용해 산업 폐기물과 전자 기기에서 희토류 원소를 추출하고 분리하는 생물학적 방법을 개발했습니다(그림 사진).

국제 에너지 기구(IEA)의 2023년 보고서에서는 희토류 원소를 리튬, 코발트, 니켈과 함께 청정 에너지에 중요한 광물로 분류했습니다.

보고서는 공급 의존성 위험이 천연자원 위험보다 훨씬 크다고 강조합니다. 이는 희토류가 초강대국 간 기술 경쟁에서 전략적 카드로 여겨지는 이유이기도 합니다.

현대 기술의 전략적 가치

희토류 원소는 여러 첨단 기술 분야에서 중요한 역할을 합니다. 특히 네오디뮴, 프라세오디뮴, 디스프로슘을 기반으로 하는 영구 자석이 대표적입니다.

이 자석들은 밀도는 낮지만 매우 강력한 자력을 생성합니다. 전기 자동차 모터, 풍력 터빈, 산업용 로봇, 드론, 하드 드라이브의 필수 부품입니다. 다른 부품들도 중요한 용도로 사용됩니다.

희토류 원소는 첨단 기술 분야에서 중요한 역할을 하기 때문에 초강대국의 "전략 카드"입니다(사진: 게티).

세륨은 배기가스 처리용 촉매 변환기와 광학 유리 연마에 사용됩니다. 란탄은 카메라 렌즈와 한때 하이브리드 자동차에 널리 사용되었던 니켈 수소 전지에 사용됩니다. 유로퓸과 테르븀은 초기 컬러 디스플레이와 여러 LED의 주요 발광 재료였습니다.

생의학 분야에서 가돌리늄은 자기공명영상(MRI)에 중요한 조영제입니다. 희토류 원소를 함유한 화합물은 특유의 에너지를 방출하는 능력 덕분에 암 치료 연구에도 사용됩니다.

Nature Reviews Materials 저널에 게재된 과학적 리뷰에 따르면, 희토류 물질이 양자 기술과 나노 전자공학에 새로운 방향을 열어주고 있다고 합니다.

녹색 에너지와 디지털 산업의 높은 수요로 인해 희토류는 필수적인 자원이 되었습니다. 전기 자동차는 대량의 영구 자석을 필요로 하며, 해상 풍력 터빈은 안정적인 성능을 유지하기 위해 영구 자석에 크게 의존합니다. 인공지능 기술, 스마트 기기, 그리고 현대 방위 시스템 모두 여러 주요 분야에서 희토류 소재를 사용합니다.

희토류 원소는 많은 현대 기술과 에너지 산업에서 중요한 역할을 합니다(그림: 게티).

희토류 원소라는 명칭과 희토류 원소의 풍부함 사이의 불일치는 두 가지 요인으로 설명됩니다. 첫째, 지질학적 분포가 희토류 원소를 경제적으로 채굴하기 어렵게 만듭니다. 둘째, 복잡하고 값비싼 정제 공정이 세계 공급을 제한하는 주요 장벽을 형성합니다.

천연 매장량만으로 판단한다면 희토류는 희귀 자원이 아닙니다. 희소 자원은 청정 채굴 능력, 정교한 제련 기술, 그리고 공급망 관리 능력입니다. 세계가 청정 에너지와 첨단 기술로 전환함에 따라, 희토류 원소는 점점 더 전략적으로 활용되고 있습니다.

많은 국가들이 희토류 자급률 향상 계획을 발표했습니다. 미국, 유럽, 일본, 한국은 오래된 자석 재활용과 차세대 분리 기술 개발에 막대한 투자를 하고 있습니다. 케임브리지 대학교와 도쿄공업대학의 연구에 따르면, 오래된 배터리와 폐기된 전자 기기에서 희토류를 회수하는 기술은 1차 채굴 의존도를 줄이는 길을 열어주고 있습니다.

이러한 모든 노력은 희토류 원소가 자연적으로 희귀한 것이 아니라, 접근성 측면에서 희귀하다는 것을 보여줍니다. 따라서 희토류 원소는 세계 기술의 미래를 형성하는 전략적 자원으로 간주됩니다.

출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/su-that-phia-sau-hieu-nham-hang-the-ky-ve-vitamin-cua-nganh-cong-nghiep-20251127122516385.htm