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반도체 다음은 ‘희토류’ 전쟁, 한국 산업의 재앙

될까[박건형의 디코드 2.0]

지난 1월 스웨덴 국영 광산업체 LKAB가 “스웨덴 북부에서 희토류(稀土類) 100만t 이상이 매장된 광산을 발견했다”고 발표했습니다. 스웨덴 정부는 이 광산에 대해 “스웨덴이 금광이 됐다”면서 “러시아와 중국으로부터 유럽연합(EU)이 독립하는 시작점이 될 것”이라고 했습니다. EU는 중요 광물 원자재 공급망 확보를 위한 ‘핵심원자재법(CRMA)’ 제정도 추진하고 있습니다. 희토류를 전량 수입에 의존하고 있는 상황을 타개해 보겠다는 겁니다.

희토류는 글로벌 공급망 위기가 심화되면서 끊임없이 언급되는 자원입니다. 2021년 2월 조 바이든 미국 행정부는 “희토류 원소 채굴은 국가 안보의 문제”라고 했습니다. 근래에 미국 백악관이 이렇게 언급한 품목이 또 있습니다. 바로 반도체이죠. 희토류가 반도체와 동등하거나 그 이상으로 중요하다는 얘기입니다. 희토류는 지구상에서 중국이 가장 많이 보유한 자원이기도 합니다. 지난해 기준 전세계 희토류의 70% 이상을 중국이 생산했습니다. 반면 미국에는 단 한 개의 광산만 있습니다. 심화되는 미·중 무역전쟁에서 중국이 반격할 수 있는 가장 강력한 수단이라는 얘기입니다. 전세계 희토류의 대부분을 생산하는 중국은 이미 수출량을 줄이면서 전략자원화 하겠다는 의도를 숨기지 않고 있습니다.

20세기 초반까지 존재조차 제대로 알려지지 않았던 희토류는 이제 우리 삶을 지속 가능하게 하는 ‘녹색 혁명’의 근간이자 현대 첨단 기술의 핵심 자원으로 꼽힙니다. 심지어 미국을 비롯한 선진국들은 달에서 희토류를 채굴하겠다는 목표까지 세우고 아르테미스 미션을 진행하고 있습니다. 희토류는 도대체 무엇이고, 어디에 쓰는 걸까요. 왜 전세계 각국과 기업들은 희토류 확보에 앞다퉈 뛰어들고 있을까요. 비영리 과학뉴스 사이트 ‘사이언스뉴스’의 희토류 특집을 중심으로 희토류를 살펴 봤습니다. 희토류 전문가인 김효임 경상대 지질과학과 교수의 자문과 감수를 받았습니다.

◇희토류는 실제로 희귀하지 않다?

희토류는 원소기호 57번부터 71번까지의 란타넘(란탄)계 원소 15개, 21번 스칸듐(Sc), 39번 이트륨(Y) 등 총 17개 원소를 총칭하는 말입니다. ‘자연계에 매우 드물게 존재하는 금속 원소’라는 뜻이고, 영어로도 ‘땅에 거의 없는 성분(rare earth elements)’이라고 합니다. 실제 원소 이름이 ‘숨어 있다(란타넘)’, ‘얻기 어렵다(디스프로슘)’일 정도입니다.

그런데 실제로 지구상에 희토류가 거의 없는 것은 아닙니다. 다른 광물 원소처럼 각기 농축된 형태로 존재하지 않을 뿐 매장량이 적다고 볼 수는 없습니다. 물리화학적 성질이 비슷해 혼합물로 존재한다는 얘기이죠. 원자번호 58번인 세륨의 경우 지각에서 25번째로 풍부한 원소이고, 희토류 가운데 매장량이 적은 편인 톨륨과 루테튬도 금보다 200배 이상 많습니다. 이 가운데 진짜 희토류라고 불릴 만한 원소는 원자번호 61번 프로메튬 정도입니다. 프로메튬은 안정된 동위원소가 없어 자연적으로 채취 자체가 어렵습니다.

2021년 전세계에서 채굴된 희토류는 28만t이었는데, 이는 1950년대 중반 채굴된 양의 32배에 이릅니다. 전문가들은 2040년이면 지금보다 최대 7배의 희토류가 필요할 것으로 내다보고 있습니다.

◇특별한 전자(電子)가 만든 희토류의 놀라운 능력

희토류의 일종인 정제 텔로륨. /AP=연합뉴스

희토류는 인공 물질이 아닌, 천연 자원입니다. 하지만 희토류는 지구상의 다른 원소들과는 다른 특별한 능력이 있습니다. 과학자들은 희토류를 ‘수천 가지의 요구를 충족시키는 물질’이라고 표현합니다. 희토류 덕분에 가능해진 일들을 열거해 보겠습니다. 스마트폰 화면에서 색을 발하게 하는 것, 유럽연합의 지폐인 유로화 위조를 방지하는 형광 물질, 해저를 가로지르는 광섬유 케이블, 전기차와 컴퓨터의 자석, 헤드폰의 음파 생성, 열 추적 미사일의 궤적 이동, 양자 컴퓨터 제작 등입니다.

희토류의 특별한 능력은 독특한 ‘전자(電子)’에서 나옵니다. 중고등학교 과학 수업 시간에 배운 것들을 떠올려 보겠습니다. 모든 원자는 가운데에 핵이 있고, 핵 주변에는 궤도를 도는 전자가 있습니다. 핵에서 가장 먼 궤도를 도는 전자는 화학 반응에 참여하고 다른 원자와 결합합니다. 희토류 원소에는 특별한 궤도를 도는 f-전자라는 전자들이 있습니다. 이 f-전자들 덕분에 희토류 금속은 특이한 성질을 갖게 됩니다.

김효임 교수의 설명을 들어 보겠습니다.

“희토류 원소들의 최외곽에는 f-전자들이 존재할 수 있는 공간(f-orbital, f-오비탈)들이 있습니다. 이 때 이 공간들이 완전히 채워져 있는 것이 아니라 일부가 비어있는 상태로 존재합니다(unoccupied state). 즉, 다른 전자들이 잠깐 존재할 수 있는 여지가 있는 것입니다. 희토류 원소에 어떠한 자극이 가해지면, f-오비탈이 아닌 다른 궤도의 전자 중 하나가 잠깐 그 비어있는 자리로 이동을 할 수 있는데, 이것은 안정적인 상태가 아니므로 원래 자리로 다시 돌아가려는 성질이 있습니다. 이 때 원래 자리와 잠깐 있던 자리 만큼의 에너지를 외부로 방출하게 됩니다.”

다시 말해 각 희토류는 자극을 받은 뒤 정상화되는 과정(바닥 상태가 되는 과정)에서 각기 다른 특정한 파장의 빛을 방출합니다. 이 특성을 이용하면 전자 장치에서 필요한 능력을 구현할 수 있습니다. 예를 들어 테르븀은 약 545nm(나노미터)의 파장에서 빛을 방출하는데 이 빛은 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 스마트폰 화면에서 녹색 빛으로 쓰입니다. 유로퓸은 두 가지 빛을 내놓는데 각기 적색과 청색입니다. ‘빛의 3원색’인 이 세가지를 조합하면 원하는 모든 색상을 만들어낼 수 있습니다.

◇전세계 자석의 95%가 희토류 합금

희토류. /조선DB

희토류가 발산하는 빛이 모두 눈에 보이는 것은 아닙니다. 예를 들어 이트륨으로는 고출력 레이저를 생성하는 합성 결정 이트륨-알루미늄-석류석(YAG)을 만들 수 있습니다. 이 YAG 결정을 다른 희토류와 조합하면 레이저의 파장을 정밀하게 조정할 수 있습니다. YAG 결정을 네오디뮴과 조합한 레이저는 강철 절단, 문신 제거, 레이저 거리 측정 같은 분야에 사용합니다. 어븀YAG 결정 같은 경우에는 사람 몸의 수분에 쉽게 흡수돼 최소한만 파고 들기 때문에 최소 침습 수술에 활용됩니다.

이 밖에 란탄은 야간 투시경의 적외선 흡수 유리를 만드는데 사용되고, 에르븀은 광섬유 케이블의 주성분으로 전세계 인터넷을 연결하는 역할을 합니다.

희토류의 수많은 역할 가운데 현재 가장 주목 받는 것은 자석입니다. 희토류의 f-전자는 같은 방향을 가리키거나 회전하는 성질이 있는데 이를 이용해 영구 자석을 만듭니다. 이 자석의 자기력은 전자제품의 소형화와 전기차에 결정적으로 기여하고 있습니다. 다만 희토류는 물성적인 한계가 있습니다. 예를 들어 자석의 핵심 재료인 네오디뮴은 쉽게 부식되거나 부서지며, 섭씨 80도가 넘으면 자력이 떨어집니다. 이를 해결하기 위해 다른 금속과 합금을 만듭니다. 현재 전세계 영구 자석의 95% 이상이 이 희토류 합금으로 만들어집니다.

가장 강력한 자석으로 꼽히는 네오디뮴-철-붕소 자석의 경우 3kg의 자석으로 300kg이 넘는 물체를 들어올릴 수 있습니다. 이 자석은 스마트폰의 진동을 발생시키고, 헤드폰의 소리를 냅니다. 하드디스크 드라이브에서 데이터 읽기와 쓰기를 가능하게 하는 것도, 자기공명영상(MRI)을 찍을 수 있는 자기장을 생성하는 것도 자석입니다. 또 이 자석에 약간의 디스프로슘을 추가하면 전기 자동차 모터의 로터로 사용됩니다. 파워 스티어링에도 자석이 쓰입니다. 테슬라는 이달초 “희토류가 없는 영구 자석을 개발하고 있다”고 발표했지만 전문가들은 아직까지 먼 미래의 일로 보고 있습니다. 당장은 희토류 함유량을 줄이는 정도의 기술일 가능성이 높다는 겁니다.

◇방사성 토륨 쏟아진 광산

문제는 희토류 원소들이 화학적으로 비슷하기 때문에 서로 달라붙는 경향이 강하다는 겁니다. 채굴한 희토류는 대부분 여러 원소가 섞여 있는 상태입니다. 여기에서 필요한 희토류 원소를 분리하려면 여러 단계에 걸쳐 강력한 용매를 사용해야 합니다. 그런데 이 과정에서 엄청난 노동력과 시간이 필요하고, 환경오염을 일으킵니다. 실제로 전세계적으로 희토류 광산이 있는 곳마다 독성 화학 물질, 산성 물질, 중금속, 방사성 물질 등으로 오염된 폐수가 지하수로 스며들어 심각한 피해를 입히고 있습니다.

미국 캘리포니아주 마운틴 패스에 있는 희토류 광산. 1980년대까지만 해도 세계 희토류 수요의 대부분을 감당했다. /조선일보DB

대표적인 것이 미국 캘리포니아 클라크 산맥입니다. 1949년 광산 개발자들이 이곳에서 방사능을 측정하는 가이거 계수기로 광맥을 찾아냈습니다. 당시 이들이 찾던 것은 우라늄이었습니다. 2차 세계대전이 끝난 직후 냉전 시대에 접어들면서 핵무기 무장이 시작되던 시기였습니다. 강한 방사능을 감지한 이들은 쾌재를 불렀지만, 실제로 발견된 것은 여러 종류의 희토류를 포함한 바스트네사이트라는 적갈색 광물이었습니다.

실망은 오래가지 않았습니다. 클라크 산맥 일대는 ‘마운틴 패스’라는 광산이 됐고 여기에서 나온 희토류는 현대 문명의 이기를 발명하는 원동력이 됐습니다. 세륨은 유리 연마 분말로, 유로퓸은 컬러TV와 형광등의 발광 물질로 활용됐습니다.

하지만 마운틴 패스 광산은 2002년 폐쇄됐습니다. 이 광산은 희토류 화학 처리 과정에서 나온 폐수를 파이프라인을 통해 23km 떨어진 마른 호수로 보내서 처리했습니다. 그런데 파이프라인은 최소 60번 파손됐고 그때마다 방사성 토륨이 함유된 2000t의 폐수가 계곡으로 쏟아져 나왔습니다. 토륨은 폐암, 췌장암 등의 직접적인 원인이 됩니다. 사실상 죽은 산이 된 거죠. 2015년 이 광산은 파산했습니다. 하지만 MP 머티리얼스라는 회사가 다시 사들여 채굴을 추진하고 있습니다. 희토류가 필요한데 중국에 전면적으로 의존해서는 탈출구가 없다고 판단했기 때문입니다.

◇세계에서 가장 오염된 내몽고

세계의 희토류 광산/사이언스뉴스

지금까지 전세계적으로 채굴을 한 적이 있거나 진행되고 있는 희토류 광산은 알려진 것만 최소 14곳입니다. 이 가운데 4곳이 중국에 있고 매장량 역시 압도적으로 많습니다. 1990년 이후 전세계 희토류의 70~90%는 중국산입니다. 특히 내몽고의 바오터우에 있는 바얀오보(Bayan Obo) 광산은 혼자 45%를 생산하고 있습니다. 가공 공장 역시 중국에 집중돼 있습니다. 미국이나 호주에서 채굴한 희토류도 대부분 중국으로 보내져 원료화 작업을 거칠 정도입니다.

바얀오보 광산은 세계에서 가장 심하게 오염된 장소입니다. 이 곳에서는 방사성 물질, 비소·불소 폐기물이 농지와 지역 상수도에 버려지는 일이 반복됐고 연기와 독성 먼지로 앞에 잘 보이지 않습니다. 주민들은 메스꺼움, 현기증, 편두통, 관절염에 시달렸고 피부 병변과 치아 변색, 골다공증 등 치명적인 중독 증상도 나타났습니다.

희토류 채굴로 인한 환경오염 등의 부작용을 막기 위해 과학자와 기업들은 다양한 방법을 찾고 있습니다. 그러나 기본적으로 희토류를 대체할 수 있는 방법은 아직 찾지 못했습니다. 그래서 등장한 것이 희토류 재활용입니다. 현재 1%에 불과한 희토류 재활용을 철이나 구리처럼 쉽게 재활용할 수 있도록 하겠다는 겁니다. 실제로 미국에서 회수된 하드디스크 드라이브에서 네오디뮴을 회수하면 10년 간 중국을 제외한 전세계 수요의 5%를 충족할 수 있다는 분석도 있습니다.

아이다호 국립연구소 연구팀은 박테리아 또는 염산을 통한 자연 분해로 희토류의 25~50%를 회수하는 방법을 연구하고 있습니다. 실험실 수준에서는 특정한 조건에서 99%까지 회수한 사례도 있었습니다. 일부 박테리아가 희토류 금속을 모으는 단백질을 생산한다는 점에 착안한 기술입니다. 란모듈린이라는 이 단백질은 희토류 자석을 구성하는 디스프로슘과 네오디뮴을 분리해 냅니다. 상용화된다면 화학 용매 없이 보다 친환경적으로 재활용이 가능해질 수 있습니다.

◇재활용 기술 속속 개발

구리 염을 활용하는 방법은 이미 상용화 단계에 접어들었습니다. 상온에서 구리 염 용액에 전자 폐기물을 담그면 희토류가 용해됩니다. 이를 굳힌 뒤 화학 물질을 섞어 가열하면 희토류 산화물이라는 분말이 만들어집니다. 이 재료로 다시 새로운 자석을 만들 수 있습니다. 100t의 자석 폐기물을 재활용할 경우 32t의 희토류 산화물이 생산되는데 그 가치는 100만달러에 이릅니다.

현재 아이오와에서 티디빕(TdVib)이라는 회사가 공장 라이선스를 취득했고 시범 공장을 건설하고 있습니다.

애플의 부품 재활용 로봇 데이지. 수거한 아이폰을 분해한다. /애플

기술 개발에 앞서 폐기된 전자 제품을 어떻게 수거할 것인지에 대한 논의도 계속되고 있습니다. 애플은 로봇을 자체적으로 개발해 수거된 중고 아이폰을 분해합니다. 재활용 기기인 타즈(Taz)는 전자 제품을 파쇄하는 과정에서 자석을 포함한 모듈만을 별도로 수집합니다. 데이브와 데이지 로봇은 아이폰 화면에서 사용자에게 촉각을 제공하는 엔진에서 자석을 뽑아 냅니다. 사이언스타임스는 “로봇이나 보조 장치를 만드는 것보다 전자 제품 설계 단계에서 재활용이 쉽도록 고민하는 것이 훨씬 효과적”이라고 했습니다.

◇희토류 없는 한국, 공급망 막히면…

희토류를 채굴하는 중국 장시성 국가계획 광산.

한국은 광물 수요의 95%를 수입에 의존하고 있습니다. 자동차와 이차전지 같은 산업이 우리의 핵심 먹거리이지만 제조 능력만 있을 뿐 원자재는 갖고 있지 않다는 뜻입니다. 영구자석에 쓰이는 네오디뮴의 86%, 반도체 연마제로 사용되는 희토류의 54%를 중국에 의존하고 있습니다.

중국은 이미 희토류를 외교 전쟁 무기로 사용한 바 있습니다. 2010년 9월 센카쿠열도(중국명 댜오위다오)에서 일본 순시선이 중국 어선을 나포하자 중국 정부는 “희토류 수출 중단” 카드를 꺼내 들었습니다. 일본은 바로 굴복했습니다.

중국은 2020년에는 희토류의 수출을 제한할 수 있는 수출통제법을 시행했습니다. 자국 내 5개 희토류 관련 기업·기관을 통합해 ‘중국희토집단’이라는 초대형 국영기업을 출범시켰죠. 정부의 의지에 따라 언제든지 전세계를 상대로 실력행사를 할 수 있게 한 겁니다.

전문가들은 희토류에 대한 지나친 중국 의존을 줄이지 않으면 우리도 언제든 심각한 상황에 처할 수 있다고 경고합니다. 외교적 해법과 기술적 해법이 있습니다. 우리나라는 지난해 미국이 주도하는 ‘핵심 광물 안보 파트너십’에 합류했습니다. 정부도 민간 기업의 해외 광물 투자를 적극 장려하는 등 새로운 광맥 찾기에 나섰습니다. 몽골과 호주가 주요 타깃으로 떠오르고 있습니다.

기술력이 한국의 희토류 공급망 강화에 기여할 수 있다는 의견도 있습니다. 중국 의존도가 높은 희토류 원료화 및 가공 기술을 개발하면 호주나 중남미 등 광산을 가진 국가와 제휴해 희토류를 선점할 수 있다는 겁니다. 실제로 호주 희토류 업체 ASM은 지난해 한국 오창에 공장을 세우고 희토류를 생산하고 있습니다.

‘산업의 비타민’으로 불리는 희토류의 중요성은 앞으로 더 커질 것이 확실합니다. 달을 비롯한 우주에서 희토류를 채굴하려는 시도는 아직까지 먼 미래의 일입니다. 한국 산업의 생존을 위해서도 지구상의 공급망 안에서 희토류를 어떻게든 확보해야 한다는 얘기죠. 우리는 반도체 산업을 통해 글로벌 공급망이 얼마나 중요한지 깨닫고 있습니다. 희토류가 진짜 무기가 되기 전에 다양한 대안을 마련해야 합니다. 정부와 기업들이 어떤 묘수를 내놓을지 지켜봐야겠습니다.