희토류

희토류는 원자번호 57번 란타넘부터 71번 루테튬까지의 15개 란타넄계 원소와, 화학적 성질이 유사한 21번 스칸듐과 39번 이트륨을 포함한 17개 원소의 총칭이다. 이들을 원자번호와 물리적·화학적 특성에 따라 경희토류와 중희토류로 구분한다.

구분의 기준은 원자번호와 이온 반지름, 그리고 지구화학적 행동 차이에 있다. 일반적으로 원자번호가 작은 란타넘(La)부터 유로퓸(Eu)까지 7개 원소를 경희토류(LREE, Light Rare Earth Elements)로, 원자번호가 큰 가돌리늄(Gd)부터 루테튬(Lu)까지 8개 원소와 이트륨(Y)을 중희토류(HREE, Heavy Rare Earth Elements)로 분류한다. 이트륨은 원자번호는 작지만 이온 반지름이 중희토류 원소들과 유사하여 중희토류 그룹에 포함된다[2].

이 두 그룹은 지각 내 존재 비율과 경제적·전략적 중요성에서 뚜렷한 차이를 보인다. 경희토류는 지각에 상대적으로 풍부하게 존재하며, 주요 생산국인 중국의 바이나오보 광산이나 미국의 마운틴 패스 광산에서 주로 채굴되는 바스트네사이트 광물에 농집되어 있다. 반면, 중희토류는 지각 내 존재량이 적고, 중국 남부의 이온 흡착형 광상이나 호주의 마운트 웰드 광산의 제노타임 등 특정 광물에 주로 함유되어 있다. 공급의 희소성과 첨단 기술 분야에서의 필수성으로 인해 중희토류는 경희토류보다 일반적으로 더 높은 전략적 가치를 지닌다.

희토류 원소들은 주기율표에서 란타넘을 시작으로 스칸듐과 이트륨을 포함한 17개의 원소를 지칭한다. 이들은 전통적으로 주기율표 하단에 별도의 행으로 배치되며, 이는 란타노이드 계열(원자번호 57번 란타넘부터 71번 루테튬까지)과 3족에 속하는 스칼듐(21번), 이트륨(39번)으로 구성되기 때문이다.

구체적인 위치는 다음과 같다.

이러한 배치는 모든 희토류 원소가 최외각 전자 배치에서 유사한 특성을 보이기 때문이다. 란타노이드 계열 원소들은 내부 4f 오비탈이 전자로 채워지면서 원자 번호가 증가해도 화학적 성질이 매우 유사하다. 이로 인해 이들은 자연계에서 공존하며, 분리와 정제가 매우 어려운 특징을 가진다.

주기율표상에서 3족에 속한다는 점은 이들이 일반적으로 산화수 +3의 화합물을 형성하는 주요 원인이다. 스칸듐과 이트륨이 화학적으로 란타노이드와 유사한 성질을 보여 희토류에 포함되는 이유도 이와 같은 전자 배치와 산화 상태의 유사성 때문이다.

중국은 세계 최대의 희토류 매장국이자 생산국이다. 2020년 기준으로 전 세계 확인 매장량의 약 36%를 보유하고 있으며, 생산량은 전 세계의 60% 이상을 차지한다[3]. 주요 산지는 내몽골 자치구의 바이윈어보 광산과 쓰촨성, 장시성 등이다.

베트남, 브라질, 러시아는 각각 세계 매장량의 약 18%, 17%, 10%를 차지하는 주요 보유국이다. 그러나 이들 국가의 상업적 생산량은 제한적이거나 미미한 수준이다. 미국은 캘리포니아주의 마운틴 패스 광산을 중심으로 매장량의 약 1%를 보유하며, 생산을 재개하였다. 호주는 웨스턴오스트레일리아주의 마운트 웰드 광산 등에서 활발히 채굴하며 생산량에서 두 번째 위치를 차지한다.

생산 측면에서는 중국의 독점적 비중이 매우 높아, 공급망의 취약성을 초래한다. 이에 따라 미국, 호주, 일본, 유럽 연합 등은 자원 안보 강화와 공급망 다각화를 위해 자국 내 생산 확대 및 다른 국가와의 협력 프로젝트를 추진하고 있다.

주요 희토류 광물은 크게 탄산염 광물, 인산염 광물, 규산염 광물로 구분된다. 이들 광물은 희토류 원소를 함유하는 주요 광석으로, 경제적 채굴 가치와 원소 조성에 따라 다양하게 활용된다.

가장 중요한 희토류 광물은 바스트나사이트((Ce,La,Y)CO3F)와 모나자이트((Ce,La,Nd,Th)PO4)이다. 바스트나사이트는 주로 세륨 계열의 경희토류를 풍부하게 함유하며, 중국의 주요 산지에서 대량 채굴된다. 모나자이트는 토륨을 함께 함유하는 경우가 많아 방사성 처리가 필요하지만, 남미와 호주 등지에서 발견되며 네오디뮴과 프라세오디뮴 같은 중희토류도 상대적으로 높은 비율로 포함한다.

다른 상업적 희토류 광물로는 제노타임(YPO4), 이오노스산염 광물 등이 있다. 제노타임은 이트륨을 주성분으로 하는 중희토류 광물이다. 이오노스산염 광물은 복잡한 규산염 구조를 가지며, 종종 스칸듐과 같은 희귀 원소를 함유하기도 한다. 이들 광물의 경제적 가치는 함유된 특정 희토류 원소의 시장 수요와 분리 정제의 기술적 난이도에 좌우된다.

희토류 원소를 함유한 광석의 채굴은 주로 노천 채굴 방식으로 이루어진다. 대표적인 희토류 광물인 바스트네사이트와 모나자이트는 지표면 근처에 부존하는 경우가 많기 때문이다. 채굴된 원광석은 먼저 물리적 선광 과정을 거쳐 유용한 광물의 농도를 높인다. 이 과정에는 파쇄, 분쇄, 부유 선광 등이 포함되며, 목표는 희토류 산화물의 함량을 높이는 것이다.

선광된 정광은 일반적으로 산 침출 공정으로 처리된다. 농축된 황산이나 염산을 사용하여 광물에서 희토류 원소를 용액 상태로 추출한다. 특히 바스트네사이트 광석은 황산과 가열 반응을 일으켜 희토류를 황산염 형태로 전환시킨다. 이 단계에서 토륨이나 우라늄 같은 방사성 원소를 포함한 많은 불순물도 함께 용출된다.

산 침출 후 생성된 침출액은 다양한 화학적 공정을 통해 정제된다. 먼저 중화 반응을 통해 과잉 산을 제거하고, 용액 추출이나 이온 교환 수지 기술을 사용하여 희토류 원소를 다른 불순물로부터 분리해낸다. 이 과정은 이후의 개별 희토류 원소 분리 정제 공정을 위한 전처리 단계의 성격을 가진다.

처리 과정에서 발생하는 주요 부산물과 폐기물을 관리하는 것이 중요한 과제이다. 아래 표는 채굴 및 광석 처리의 주요 단계와 그 특징을 요약한 것이다.

이 모든 공정은 대규모의 폐석과 광산 배수(산성 광산 배수), 방사성 슬러지 등의 폐기물을 생성하며, 이로 인한 환경 관리가 필수적으로 요구된다[4].

희토류 원소들은 서로 매우 유사한 화학적 성질을 지녀 분리와 정제가 매우 어렵다. 이 과정은 일반적으로 채굴된 광석을 희토류 농축물로 만드는 광석 처리 단계 이후에 이루어지며, 주로 용매 추출법과 이온 교환 크로마토그래피가 상업적으로 활용된다. 용매 추출법은 산성 수용액 상태의 희토류 혼합물을 유기 용매와 반복적으로 접촉시켜 각 원소의 용매 분배 계수 차이를 이용해 순차적으로 분리해내는 방법이다. 수백 단계의 추출과 역추출 과정을 거쳐 99.9% 이상의 고순도 희토류 산화물을 생산한다.

이온 교환 크로마토그래피는 보다 소규모 생산이나 고순도 특수품 제조에 사용된다. 이 방법은 수지 충진층에 희토류 이온을 흡착시킨 후, 적절한 착화제를 사용해 이온의 친화력 차이로 분리한다. 분리 효율은 높지만 처리 속도가 느리고 대량 생산에는 부적합한 단점이 있다. 분리 기술의 발전으로 추출 크로마토그래피와 같은 하이브리드 공정도 연구되고 있다.

분리된 희토류 화합물은 최종 응용 제품에 따라 다양한 형태로 정제된다. 주요 최종 단계는 다음과 같다.

예를 들어, 네오디뮴 금속은 네오디뮴 산화물을 플루오린화한 후, 플루오린화 네오디뮴을 칼슘 금속으로 환원하는 금속 열환원법을 통해 제조된다. 이렇게 생산된 금속은 네오디뮴-철-붕소 자석의 핵심 원료가 된다. 전체 분리 및 정제 공정은 에너지 소비가 크고 복잡한 화학 공정을 수반하며, 이 과정에서 발생하는 폐기물 관리가 중요한 과제로 남아 있다.

스마트폰과 태블릿 컴퓨터의 터치스크린은 투명한 전도성 산화물인 인듐 주석 산화물(ITO) 층을 포함하지만, 일부 디스플레이 기술과 정밀한 색상 표현에는 희토류 원소가 사용된다. 예를 들어, 유로퓸은 LED와 플라즈마 디스플레이에서 적색 형광체로, 터븀은 녹색 형광체로 활용되어 선명한 색 재현을 가능하게 한다. 또한 스피커와 마이크로폰의 초소형 진동판(다이어프램)을 구동하는 네오디뮴 기반의 강력한 초소형 자석은 장치의 소형화와 고성능화에 기여한다.

반도체 제조 공정에서 희토류는 CVD 챔버 내부의 부식 방지 코팅이나 연마 슬러리의 성분으로 사용된다. 특히 세륨 산화물은 실리콘 웨이퍼의 평탄화 과정인 CMP 공정에서 핵심적인 연마제 역할을 한다. 이는 미세 회로 패턴을 정밀하게 형성하는 데 필수적이다.

데이터 저장 매체의 발전에도 희토류는 중요하다. HDD의 고밀도 데이터 기록을 위해서는 읽기/쓰기 헤드에 사용되는 초정밀 네오디뮴-철-보론 자석과 기록 매체에 포함된 가돌리늄 등의 원소가 필요하다. 광학 디스크인 DVD와 블루레이 디스크의 기록층에도 희토류 합금이 사용된다.

풍력 터빈의 고성능 영구 자석은 네오디뮴과 디스프로슘을 함유한 희토류 자석을 사용하여 효율과 출력을 높인다. 특히 직경이 크고 경량화된 해상 풍력 발전에 필수적인 구성 요소이다.

태양광 패널의 제조 과정에서는 세륨과 란타넘이 투명 전도막과 광변환 효율 향상에 기여한다. 연료전지의 전해질막과 촉매에도 희토류 원소가 사용되어 성능과 내구성을 개선한다.

하이브리드 자동차와 전기 자동차의 구동 모터는 고성능 희토류 자석에 크게 의존한다. 이 자석은 높은 출력과 소형화를 동시에 실현하여 주행 거리 확대와 에너지 효율 향상을 가능하게 한다. 또한 수소 저장 합금 개발에도 희토류가 활용되어 청정 에너지 저장 및 운반 기술 발전에 기여한다.

희토류는 고성능 영구 자석의 핵심 구성 요소로, 특히 네오디뮴-철-보론(NdFeB) 자석과 사마륨-코발트(SmCo) 자석의 제조에 필수적이다. 이러한 희토류 자석은 동일한 크기의 다른 자석에 비해 훨씬 강력한 자기 에너지를 가지며, 고온에서도 그 성능을 유지하는 특징이 있다. 이로 인해 소형화와 고효율화가 요구되는 다양한 모터와 발전기의 핵심 부품으로 광범위하게 사용된다.

주요 응용 분야는 다음과 같다.

특히, 전기 자동차의 구동 모터는 고출력과 소형 경량화를 실현하기 위해 희토류 자석을 대량으로 사용한다. 풍력 발전 분야에서는 기어박스가 없는 직구동식 영구 자석 동기 발전기(PMG)의 채택이 증가하면서 희토류 수요를 크게 늘리는 요인으로 작용했다. 이러한 모터와 발전기는 고효율을 통해 에너지 소비를 줄이고 성능을 향상시킨다.

그러나 네오디뮴 자석의 단점은 고온에서 자기력이 감소하는 것이다. 이를 보완하기 위해 내열성을 높이는 원소인 디스프로슘이나 테르븀을 첨가해야 하며, 이는 원재료 비용 상승과 공급 리스크를 초래한다. 이에 따라 디스프로슘 사용량을 줄이거나 무희토류 자석 기술을 개발하는 연구가 지속적으로 진행되고 있다[6].

희토류는 스텔스 기술, 정밀 유도 무기, 레이더 시스템, 소나 등 현대 방위 산업의 핵심 장비에 필수적인 소재로 사용된다. 특히 네오디뮴과 사마륨을 기반으로 한 고성능 영구자석은 전동기, 발전기, 음향 시스템의 소형화와 고효율화를 가능하게 한다. 이러한 자석은 전자기포나 함정 추진 시스템과 같은 신개념 무기체계의 핵심 구성 요소이다.

정밀 타격 무기와 항법 장비에도 희토류가 광범위하게 적용된다. 이터븀과 가돌리늄은 레이저 거리측정기와 목표물 표시기에 사용되는 레이저 결정의 도핑 물질로 작용한다. 유로퓸은 형광체 원료로, 야간 투시경과 항공기 계기판의 발광 다이얼 제작에 활용된다. 또한, 스칸듐-알루미늄 합금은 경량이면서도 높은 강도를 요구하는 전투기 프레임이나 미사일 동체에 사용된다.

이러한 전략적 의존도 때문에 주요 국가들은 희토류의 안정적 공급을 국가 안보의 중요한 과제로 간주한다. 군사 장비의 성능과 생산이 특정 국가의 수출 통제에 취약해지는 것을 방지하기 위해 자국 내 비축 정책을 추진하거나, 공급망 다각화 및 대체 소재 연구에 지속적으로 투자하고 있다.

희토류 공급망은 채굴, 분리, 정제, 합금 제조, 최종 제품 생산에 이르는 긴 과정으로 구성되며, 지리적으로 매우 집중되어 있다. 이로 인해 공급망은 취약하며, 정책 변화나 자연 재해 등 외부 충격에 민감하게 반응한다. 특히 중국은 전 세계 희토류 생산의 대부분을 차지하며, 가공 및 정제 시설 역시 압도적인 비중을 보유하고 있어 사실상의 공급 독점국 지위를 유지해왔다. 이로 인해 중국의 수출 규제나 내수 정책 변화는 전 세계 공급망과 가격에 즉각적인 영향을 미친다.

가격 변동성은 매우 높은 편이다. 주요 가격 변동 요인은 다음과 같다.

역사적으로 2010년 중국이 일본과의 외교 마찰을 계기로 희토류 수출을 급격히 제한했을 때, 일부 희토류 원소의 가격은 수백 퍼센트 급등했다[8]] 가격은 전년 대비 약 750% 상승]. 이 사건은 전 세계적으로 희토류 공급망의 취약성을 각인시키는 계기가 되었다.

이후 중국 외 지역에서의 광산 개발(예: 마운틴 패스 광산(미국), 마운트 웰드 광산(호주))과 공급망 다각화 노력이 본격화되었으나, 채굴된 광석의 정제 및 분리 능력은 여전히 중국에 크게 의존하고 있다. 따라서 단기적인 가격 안정성은 여전히 낮은 상태이며, 장기적으로는 재활용 기술의 발전과 공급망의 지역적 재편이 가격 변동성을 완화할 주요 요인으로 꼽힌다.

희토류의 글로벌 무역은 공급의 지리적 집중과 수요의 광범위한 분포라는 구조적 특징을 보인다. 역사적으로 중국은 세계 최대의 생산국이자 수출국으로서 무역 흐름을 주도해왔다. 2010년대 초 중국의 수출 제한 조치는 글로벌 공급 차질과 가격 급등을 초래하며 전 세계적으로 공급망 다변화의 필요성을 촉발시켰다. 이후 미국, 오스트레일리아, 미얀마, 베트남 등에서의 생산 증가로 무역 경로가 다소 분산되는 추세를 보이고 있다.

주요 수입국은 첨단 산업이 발달한 국가들이다. 일본과 대한민국은 고성능 자석, 전자제품, 배터리 생산을 위해, 미국과 유럽 연합 국가들은 국방, 항공우주, 청정 에너지 분야를 위해 대량의 희토류를 수입한다. 무역 흐름은 단순한 원재료 수출입을 넘어, 세륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 등 개별 원소에 대한 고순도 화합물 및 합금 제품의 거래가 중요한 비중을 차지한다.

무역 환경은 경제적 요인뿐 아니라 지리정치적 고려사항에 크게 영향을 받는다. 많은 국가들이 희토류를 전략물자로 지정하고 자국 내 공급망 구축 또는 우호국 간 협력 강화를 모색하고 있다. 예를 들어, 미국과 오스트레일리아는 공급망 협력을 강화하고 있으며, 유럽 연합도 자체 정제 능력 확대를 위한 프로젝트를 지원하고 있다. 이러한 움직임은 전통적인 수출 중심의 무역 패턴을 점차 지역 블록화된 공급 네트워크로 변화시키는 요인으로 작용하고 있다.

희토류 채굴 및 정련 과정은 상당한 환경적 부담을 초래한다. 채굴 단계에서는 대규모 지표면 개방과 산림 훼손이 발생하며, 특히 풍화잔류광상 채굴 시 광산 폐기물과 광미가 대량으로 생성되어 주변 토양과 수계를 오염시킨다. 광석에서 희토류를 분리하기 위한 침출 공정에서는 강산이나 강알칼리 용액이 사용되는데, 이 과정에서 생성된 독성 폐수와 방사성 폐기물이 적절히 관리되지 않으면 지하수와 생태계에 장기적인 위험을 초래한다[9].

정련 공정 또한 많은 에너지를 소비하고 유해 화학물질을 배출한다. 희토류 원소들은 서로 화학적 성질이 매우 유사하여 분리와 정제가 극히 어려운데, 이를 위해 다단계의 용매 추출과 이온 교환 공정이 반복적으로 수행된다. 이 과정에서 황산, 질산, 플루오린화수소 등 부식성과 독성이 강한 화학약품이 대량으로 사용되며, 처리되지 않은 폐기물은 토양 산성화와 중금속 오염을 유발할 수 있다.

주요 환경 문제를 정리하면 다음과 같다.

이러한 환경적 영향은 희토류 생산 시설 인근 지역 사회의 건강과 농업에 직접적인 위협이 되며, 복원에 막대한 비용과 시간이 소요된다. 이로 인해 많은 국가에서 환경 규제가 강화되고 있으며, 보다 청정한 생산 기술 개발의 필요성이 제기되고 있다.

폐기된 제품에서 희토류 원소를 회수하는 재활용 기술은 자원 안보 강화와 환경 부담 감소를 위해 중요한 연구 분야로 부상했다. 주요 재활용 대상은 네오디뮴과 디스프로슘이 사용된 영구자석, 니켈-수소 배터리, 형광체 등이다.

재활용 공정은 크게 전처리, 희토류 추출, 정제 단계로 나눌 수 있다. 전처리 단계에서는 폐자석이나 폐배터리를 물리적으로 파쇄하고 선별한다. 이후 수산화물 침전, 용매추출, 이온교환, 전기분해 등의 야금 공정을 통해 목표 원소를 분리해낸다. 특히 용매추출법은 상업적 규모에서 가장 널리 사용되는 기술이다.

기술적 과제는 회수율과 경제성에 있다. 제품 내 희토류 함량이 낮고, 다양한 물질이 복합되어 있어 분리가 어렵다. 또한 채굴된 원석에서 정제하는 것보다 비용이 더 많이 들 수 있어 시장 가격 변동에 취약하다. 이를 극복하기 위해 바이오리칭(미생물 침출)이나 초임계 유체 추출 같은 혁신적 기술 연구가 진행 중이다. 일본과 유럽연합은 법적 프레임워크를 마련하고 연구 개발을 지원하며 선도적인 역할을 하고 있다.

많은 국가에서 희토류의 전략적 중요성을 인식하고 자원 안보를 강화하기 위한 정책을 수립하고 추진한다. 이러한 정책은 공급망 다각화, 국내 생산 역량 강화, 전략적 비축, 그리고 국제 협력 등을 포괄한다.

주요 국가별 정책은 다음과 같은 특징을 보인다.

이러한 정책들은 글로벌 희토류 공급망의 지형을 변화시키고 있다. 특히 미국과 EU의 정책은 중국에 대한 의존도를 낮추고 회복력 있는 공급망을 구축하는 데 초점을 맞춘다. 일본은 공급 다변화와 함께 근본적인 기술 대체를 통해 취약성을 해소하려는 전략을 취한다. 한편, 최대 생산국인 중국은 희토류를 중요한 지렛대로 활용하여 산업 정책과 연계하고 국제적 영향력을 유지하려 한다.

국제 협력도 중요한 정책 도구로 부상한다. 예를 들어, 미일澳(미국-일본-호주) 또는 EU와 자원 부국 간의 파트너십은 탐사, 기술 개발, 지속 가능한 채굴 표준 수립 등 다양한 분야에서 진행된다. 이러한 국가별 정책과 국제적 움직임은 희토류가 단순한 상품이 아닌 국가 안보와 첨단 산업 경쟁력의 핵심 요소로 인식되고 있음을 반영한다.

희토류의 공급 불안정성과 높은 가격, 환경적 우려로 인해 사용량을 줄이거나 대체할 수 있는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 주요 접근 방식은 크게 희토류 원소를 사용하지 않는 대체 소재 개발, 희토류 사용량을 최소화하는 소재 설계 기술, 그리고 재활용 기술로 나뉜다.

첨단 자석 분야에서는 네오디뮴을 대체하기 위한 연구가 집중된다. 예를 들어, 네오디뮴-철-붕소 자석의 네오디뮴 일부를 세륨이나 란타넘 같은 값싼 경희토류로 대체하거나, 사마륨-코발트 자석의 성능을 개선하는 연구가 있다. 근본적인 대체재로는 망간-비스무스 자석이나 철-니켈 기반 자석과 같은 희토류 무함유 자석의 개발이 추진되지만, 현재 상용화된 네오디뮴 자석의 성능을 완전히 대체하기에는 아직 한계가 있다. 촉매 분야에서는 자동차 배기 가스 정화 촉매에 사용되는 세륨과 란타넘을 부분적으로 망간이나 구리 기반 촉매로 대체하는 기술이 개발되고 있다.

희토류 사용량 감량 기술은 소재의 미세 구조 제어와 공정 최적화를 통해 동일한 성능을 유지하면서 희토류 함량을 낮추는 데 초점을 맞춘다. 자석의 경우, 자석 분말의 입자 크기와 배향을 정밀하게 제어하여 고성능을 구현하면서도 네오디뮴 사용량을 줄이는 고효율 소결 기술이 대표적이다. 또한, 첨가제를 활용해 자석의 내구성과 내열성을 높여 소재 사용량 자체를 줄이는 연구도 진행 중이다. 발광 소재(인광체) 분야에서는 형광체 입자의 형태와 크기를 균일하게 제조하여 광 변환 효율을 극대화함으로써 이트륨이나 유로퓸 같은 희토류의 필요량을 절감하는 기술이 중요하다.

이러한 기술 개발은 단일 국가나 기업에 의존하는 공급망 리스크를 줄이고, 환경 부담을 완화하며, 궁극적으로 희토류 의존형 산업의 지속 가능성을 높이는 데 기여한다.