희토류 모든것 17개화학 원소

[큰바위든사람]

생활 상식 - 희토류금속이란 

희토류 원소[稀土類元素, rare earth elements]

또는 희토류 금속[稀土類金屬, rare earth metal]

희토류 원소는 주기율표의 17개 화학 원소의 통칭으로, 스칸듐(Sc)과 이트륨(Y),

그리고 란타넘(La)부터 루테튬(Lu)까지의 란타넘족 15개 원소를 포함해 총 17개의

원소로 이루어진 원소의 총칭. 종종 악티늄족 원소를 포함시키는 경우도 있다.

원소명	원소 기호	원자 번호
스칸듐	Sc	21
이트륨	Y	39
란탄	La	57
세륨	Ce	58
프라세오디뮴	Pr	59
네오디뮴	Nd	60
프로메튬	Pm	61
사마륨	Sm	62
유로퓸	Eu	63
가돌리늄	Gd	64
테르븀	Tb	65
디스프로슘	Dy	66
흘뮴	Ho	67
에르븀	Er	68
툴륨	Tm	69
이테르븀	Yb	70
루테튬	Lu	71

희토류 금속은 어디에 있나

희토류라는 이름이 붙기는 했으나, (불안정 원소인 프로메튬을 제외하면) 지구의 지각에 상대적으로 풍부하게 분포한다. 세륨은 68 ppm으로, 지각을 구성하는 원소 중 25번째로 풍부한 원소로 구리와 비슷한 양이고 납보다 3배 정도 더 풍부하다. 인공적으로 만들어진 프로메튬을 제외하고는 그 양이 가장 적은 툴륨도 은·금·백금보다 더 풍부하다.

게다가 여러 희토류 금속은 운석이나 달 표면, 태양 내부에서 발견된다. 수많은 다른 별들의 스펙트럼을 관찰하면 그 별들에는 태양계보다 실제로 더 많은 양의 희토류 금속이 있다고 여겨진다. 그러나 지구화학적 성질로 인해, 희토류 원소는 경제성 있는 농축된 형태로는 거의 산출되지 않는다. 광물 형태로는 희귀한 원소이므로 "희토류"라는 이름이 붙게 되었다. 모든 이들 광물들은 다양한 희토류 원소와 비금속의 혼합물로 이루어져 있다. 희토류 금속의 주된 원천이 되는 광물은 모나자이트와 배스트뇌사이트이다.

희토류 원소를 포함한 광물 중 처음 발견된 건 스웨덴의 위테르뷔에서 발견된 가돌리나이트이다. 많은 희토류 원소가 위테르비의 지명에서 기원한 이름을 가지고 있다.

          희토류 금속 분말 

희토류 금속의 물리적 성질

물리적 성질을 기준으로 보면 각 희토류 원소들이 처음에 생각된 것만큼 서로 유사하지는 않다. 예를 들어 루테튬의 녹는점(1,663℃)은 란탄의 녹는점(920℃)과 매우 다르며 1,000℃에서 이테르븀과 유로퓸의 증기압은 란탄과 세륨의 증기압의 100만 배나 크다. 그렇지만 희토류 금속들, 특히 원자번호가 58~71인 원소들은(이들을 총칭하여 란탄족 계열이라고 함) 몇 가지 공통된 특징을 가지고 있다. 세륨·프라세오디뮴·네오디뮴·유로퓸은 모두 공기 중에서 쉽게 부식된다. 또한 특징적으로 소량의 비금속 물질이 첨가되면 이러한 성질들이 더 강해진다. 예를 들어 가벼운 란탄족 계열의 금속들은 칼슘이나 마그네슘이 있을 경우 훨씬 더 빨리 부식된다. 희토류 원소는 원자구조가 일반적으로 유사하기 때문에 이들은 화학적으로도 매우 유사하다. 이들 모두가 최외각에 3개의 전자를 가지고 있기 때문에 화합물에서 이들 원소의 산화수는 3이다. 이들은 비금속 원소와 직접 결합해 매우 안정한 붕소화물·탄화물·산화물과 다른 여러 이성분 화합물을 만든다.

세계의 희토류 산출량 (1950~2000)

1948년까지는 인도와 브라질의 모래 광산이 희토류의 주요 생산지였다. 1950년대 들어 남아프리카 공화국이 새로운 희토류의 주요 산지로 떠올랐다. 1960년대에서 1980년대까지는 미국 캘리포니아 주 남부의 마운틴패스 광산이 주 산지였다. 현재 인도와 남아프리카 공화국에서도 희토류 원소가 산출되기는 하지만, 대부분은 중국에서 생산된다. 중국은 세계 희토류 원소 공급의 97%를 차지하며, 대부분 내몽골 지역에서 산출된다.

희토류는 어디에 쓰일까?
전 세계 희토류 소비의 30%는 일단 영구자석을 만드는 데 쓰인다. 80년대 일본 기술진이 희토류의 하나인 네오디뮴을 이용해 영구자석을 만들기 시작했다. 기존에 철로

만든 영구자석보다 2배 이상 강해 자기장을 만들기에 엄청 좋았고 결국 현재는 자석

시장의 80%를 차지하기에 이르렀다.

모터에 자석이 들어간다. 전기모터를 사용하는 모든 기계에 희토류로 만든 자석이

쓰이니.. 그 사용량이 어마어마 할 것이다. 특히 요즘의 핫 이슈인 전기자동차와

수소자동차는 희토류가 없으면 만들 수가 없다.

또한 희토류는 디스플레이에도 많이 쓰인다. LCD를 비롯한 디스플레이들은 내부 산화물에 발광물질 입자를 넣어 빛을 내는 것이 가장 기본적인 원리 중 하나이다.
희토류가 아닌 다른 발광물질들은 산화물에 들어가면 화학적 변형이 일어나 시간이 지나면서 빛의 선명함이 퇴색한다.

하지만, 희토류 원소들은 전자궤도가 독특해 결정 속에 들어가거나 물질에 녹을 때에도 희토류 원소의 고유한 성질을 유지한다. 즉 산화물 속에서도 원래의 스펙트럼대로 빛을 내게 되므로, 이러한 강점으로 희토류는 디스플레이 업계에서 독보적인 위치를 차지하고 있다.

희토류의 종류와 용도

  1. 배터리에는 란타늄을 비롯한 다른 희토류 10~15㎏이 필요하다.
  2. iPod에는 디스프로슘, 네오다늄 등 5가지 희토류가 쓰인다.
  3. 풍력발전기에는 큼지막한 영구자석이 들어가는데 이 중 3분의 1 정도가

      희토류이다.
  4. 도요타의 전기자동차 ‘프리우스’ 한 대를 만들려면 네오디뮴 0.9~1.8㎏이

      필요하다.
  5. 전 세계 희토류 소비량은 12만 5천 톤,

     일본 희토류 소비량은 연간 약 3만 5천 톤 이다.

희토류가 미치는 세계의 자원전쟁 원인과 현황 및 대응상황

1. 자원 전쟁의 원인

       희토류의 보유량 비교

보는 바와 같이 희토류는 중국의 보유량(원래는 보존량인데 이해가 쉽도록 보유량으로)이 약간 높기는 하지만 미국과 러시아 등 여러 나라가 희토류를 보유하고

있다. 최근 국내에서도 희토류가 매장되어 있다는 뉴스가 나왔지만 희토류는 땅을 조사하면 추가로 나올 수 있다. 물론 많지는 않겠지만 문제는 "생산량" 이다.

희토류는 캐내는 것이 굉장히 어렵고 생산 설비를 갖추는데 돈이 많이 든다.

그래서 중국이 예전부터 희토류 생산을 도맡아 할 때에는 각국이 자국의 희토류를 찾거나 생산하기 위한 투자를 진행할 필요가 없었다. (정~말 저렴한 가격에 중국이 팔았기에...)

하지만 중국이 희토류를 '자원 무기화'하기 시작하면서 각국의 고민이 시작되었다.

중국 공업신식화부는 2009년 9월 '09~15년 희토공업발전계획'과 '희토산업발전정책'을 제정했다.

▶ 2009년부터 2015년까지 희토류 수출량 연간 3만 5천 톤으로 규제

▶ 연간 생산량 13만~16만 톤으로 제한

▶ 수출에 대해 20%관세부과

▶ 외국인 희토 채굴관련 광산기업 설립 금지

(단, 외국인의 희토 가공, 신재료 개발, 희토 응용 관련 투자는 허용)

2. 자원전쟁 ing...

중국이 희토류 수출에 대한 쿼터 제한, 관세 부과 등의 방법으로 보호무역조치를

취하자 미국과 유럽연합, 일본 등 선진국들은 대응방안을 마련해야 했다.

그 방안 중 하나가 바로 WTO 제소였다. 그런데 이 제소에 대해 중국정부는 단호한 입장을 취했다.

“우리의 조치는 WTO 규정에 위배되지 않는다”

“희토류가 필요하면 공장을 중국으로 옮기면 될 것이다.”

이처럼 중국은 앞으로 희토류의 안정적 공급을 미끼로 외국 첨단기업들의 자국행을 유도하고, 자국 기업에 유리하게 희토류 수급을 조정할 가능성이 아주 높다.

게다가 이 수급량 조절은 전 세계에서 거래되는 희토류의 가격 상승을 불러온다.

실제로 변경된 가격을 한번 보면 얼마나 심한지 알 수 있다.

실제로 1년 만에 산화네오디뮴은 2.74배, 산화세륨은 1.68배, 산화디스프로슘은 2.33배로 엄청 증가했다는 것을 볼 수 있다. 이렇게 올라간 희토류를 포함한 원자재 가격의 급상승은 중국의 눈치를 봐야 하는 상황을 만들게 된다.

왜 중국이 희토류를 전략화하려고 하는지,

왜 각 나라들이 중국을 압박해서 전략화를 막으려 하는지 이해할 수 있을 것이다.

정말... 진정 눈에 보이지 않는 전쟁이 우리 주변에서 일어나고 있다.

3. 자립하려는 각국의 노력들

이쯤 되면 각 나라마다 희토류를 둘러싼 자원전쟁에 대비하기 위해 엄청난 노력을 기울일 것이라는 걸 짐작할 수 있을 것이다. 각 나라의 노력과 대책을 살펴본다.

■ 일본

일본 정부는 해외 희토류 개발권 확보 및 대체기술 개발을 중심으로 한

「희토류 종합대책」을 수립하고 1000억 엔(우리나라 돈으로 1조3600억~억~)

이상의 예산을 배정했다. 일본은 희토류 최대 소비국인 만큼 ‘탈(脫)중국 의존’이

필수적이다.

먼저 아프리카와 중앙아시아 지역을 타깃으로 자원외교를 펼치기 위해 광물자원

개발과 해외에서의 개발권리 확보에 460억 엔을 배정하였으며 대체기술이나 사용량 저감기술 개발 및 리사이클 추진 등에 580억 엔을 배정하였다.

실제로 일본이 추진하고 있고 완료한 기술개발만 해도 어마어마하다.

▷ 액정 TV 글라스 기판의 연마제로 사용되는 세륨의 대체기술과 사용량 절감

    기술 개발

▷ 희토류를 사용하지 않는 새로운 구조의 하이브리드 자동차용 페라이트

    모터 개발

▷ 희토류 사용이 필요 없는 ‘본드 자분’(내열성 뛰어난 자석원료) 개발

▷ 희토류 첨가 모터를 대체하는「페라이트 마그네트(ferrite magnet)」모터 개발

▷ 에어컨이나 냉장고에서 희토류 자석을 회수해 이를 리사이클 하는 기술 개발

    추진 중

■  미국

미국은 보유량 세계 3위(2위랑 거의 차이도 없는 3위) 이다. 즉 채굴을 시작하면 중국에 의존하지 않아도 된다. 미국은 이 가치를 조금 늦게 깨달았다.(실제로는 고가의 채굴 비용으로, 중국이 워낙 싸게 공급을 해서 수지타산이 안 맞았기 때문)
1990년대 폐광한 세계 2대 희토류 광산인 '마운틴 패스'를 2011년 하반기부터 다시 가동키로 했다.

         마운틴패스, 출처 : Wikimedia 

■  EU

EU는 2030년 희토류 자원 수요량이 지금보다 3배 이상 필요할 것으로 예상했다.
이에 따라 2008년 발표한 EU 희토류 정책은 역내 공급 활성화, 소비량 감축 및
대체물질 연구가 역시 주요 골자를 차지한다.

하지만, 유럽은 미국이나 일본과의 공조를 통한 자원 개발보다는 독자적인 공급망 구축을 선호하였다. 그래서 최근 2010년 6월에는 아프리카 동맹 위원회(The African Union Commission)와 원자재 분야에서의 협력을 합의하였으며 지속적인 공급망 구축을 계획하고 있다. 

4. 희토류 금속 전쟁

세계적으로 암묵적인 자원전쟁을 펼치고 있는 시점에 가장 선두에 올라와 있는 자원이 희토류이다. 이 희토류 생산의 90%이상을 중국이 공급하고 있다.

얼마전 중국이 일본과 어선 분쟁이 있을때... 희토류 공급을 중단하는 강경책을 내자, 일본이 꼬리를 내린 사건으로 자원 무기화 논란이 일면서 주목을 끌게 되었다.

이런 상황에서 세계각국은 희토류 확보에 열을 올리고 있고, 우리나라에서도

대책을 내놓아서 주목이 되고 있다.

희토류를 채굴하는것이 아닌 바닷물에서 얻겠다는것이다.

바닷물에는 마그네슘·나트륨 등 77종의 광물질이 녹아 있고 이 중에는 리튬과 같은 희토류도 들어 있는데, 리튬 함유량은 바닷물 1t에 0.17g 정도 포함하고 있다.

이 리튬을 선택적으로 추출해 가공하는 것이 리튬 해수광산의 원리라는 것이다.

오른쪽 표가 바닷물에서 리튬을 추출하는 방법이다. 지질자원연구원 정강섭 박사팀은 해수에 미량 녹아있는 리튬을 선택적으로 추출하는 고성능 흡착제 제조기술을 개발했고 이 흡착제를 열흘 정도 바닷물에 담가두었다가 꺼내 화학처리를 하면  고순도의 리튬을 얻을 수 있다는

것이다.

이 기술을 개발한 것은 일본에 이어 세계 두 번째이지만 일본 기술보다 효율이 30% 높다는 점이 강점이라고 한다.

이 기술을 이용해 실험실 비커에서 리튬을 추출하는 단계에서 본격적인 상업 생산으로 가는 첫 단추를 끼우는 것이 강릉 앞바다 해양플랜트 건설이다.

2014년까지는 연간 30t 규모의 리튬을 추출할 수 있는 플랜트와 리튬 생산 공정을 갖추고, 빠르면 2015년부터 본격적인 대량 생산을 할 수 있는 공장을 가동할 예정이라고 하니 이것이 완성되면중국의 희토류 무기화에 어느정도 대응 할 수 있을 것이다.