'희소 금속'을 대체하는 기술 외에도, 실제로는 '희소 금속'을 안정적으로 공급하기 위한 여러 방법이 시도되고 있다. 그 방법으로는 주로 '미지의 광상 찾기', '심해에서 잠자는 희토류 원소 찾기', '비축하기', '회수해서 재활용하기', '사용량 줄이기' 5가지를 들 수 있다.
0. 목차
- 미지의 광상 찾기
- 심해에서 잠자는 희토류 원소 찾기
- 비축하기
- 회수해서 재활용 하기
- 사용량 줄이기
1. 미지의 광상 찾기
현재 해저와 지상의 미개발 지역에서 새로운 희소 금속의 탐색이 계속되고 있다. 하지만 이미 지표에 얼굴을 내놓은 광상은 모두 발견되었다고 생각된다. 그렇다면, 목표는 지하나 해저에 잠자고 있는 미발견 광상이 되어야 한다.
탐색을 할 때는 먼저 '지질도' 등을 바탕으로, 목적하는 '희소 금속'이 있을만한 곳을 추정한다. '지질도'란 지각을 구성하는 각 지층을 그 종류·연대·암상 등에 따라 구분하여, 그 분포상태와 정합·부정합 등의 상호 관계, 습곡 단층 등의 지질구조 등을 표시한 '지질 현상도'를 말한다. 그리고 인공위성이나 전자기파, 방사선을 이용한 조사로 대상 지역을 압축한다. 그리고 가능한 대로 대상 지역을 압축한 뒤에는, 실제로 현지에서 암석을 채취하여 목적하는 희소 금속 또는 그와 비슷한 화학적인 움직임을 보이는 원소가 있는지 조사한다. 하지만 탐색을 시작하고 나서 광석의 생산까지는 아무리 짧아도 10년 이상이 걸린다고 한다. 특히 '몽골'이나 '아프리카 대륙' 등에서 위성을 사용한 '희소 금속' 등의 광물 자원 탐사가 이루어지고 있다.
1-1. 일본 기고시마 만에서 희토류 원소 광상을 발견하였다.
2007년 같은 해역의 해저에서는 '열수 분출공(Hydrothermalvent)'이 발견되었다. '열수 분출공'이란 지열로 뜨거워진 물이 분출하는 장소를 말한다. 연구 그룹은 먼저 열수 분출공의 곁에 있는 '침니(열수로부터 침전된 것으로 이루어진 굴뚝 모양의 구조물)'에서 '안티모니'가 들어 있는 암석을 채취했다. 그 후 연구 그룹은 같은 해역을 조사한 뒤, 해저의 퇴적층 안에서 '안티모니(Sb)'의 황화물인 '휘안석(Sb2S3)'을 주체로 하는 광상이 퍼져 있음을 알아냈다.
그리고 2011년 4월, 일본 오카야마 대학과 규수 대학 등의 연구 그룹은 '가고시마 만' 안쪽의 해저에서 희소 금속인 '안티모니(Sb, 원자번호 51번)'가 들어 있는 유망한 광상을 확인했다고 발표했다. '안티모니(Sb)'는 '난연제(불에 잘 타지 않는 커튼 등의 재료)'와 '반도체' 등 여러 분야에서 사용되고 있는 '희소 금속'이다. 광상은 수심 약 200m에 있는 열수 분출공'을 중심으로 지름 약 1.5km의 범위에서 두께 약 5m로 분포하는 것으로 보인다. 연구 그룹의 계산에 의하면 '휘안석'이 들어 있는 광체의 매장량은 약 1500만 톤, '안티모니(Sb)'는 약 90만 톤으로 추정된다. 또 이 휘안석에는 약 25톤 정도의 '금(Au)'가 포함되어 있다는 계산이 나왔다. 희소 금속이 들어 있는 해저 광상은 '기고시마 만' 외 다른 지역에도 존재할 것으로 생각된다.
2. 심해에 잠자는 희토류 원소 찾기
2-1. 태평양의 해저에서 '희토류 원소 광상'을 발견하였다.
2011년 7월, 일본 도쿄 대학의 '가토 야스히로' 부교수 등의 연구그룹은, 태평양의 해저에서 '희토류 원소 광상'을 발견했다고 발표하였다. 연구팀은 과거에 채취된 태평양 전역의 해저 퇴적물 시료를 분석해서, 해저에 퇴적된 진흙에 고농도의 희토류 원소가 있음을 알아냈다. 이것은 종래의 '희토류 원소 광상'과는 전혀 다른 종류였다.
연구팀의 분석 결과, 중앙 태평양의 '하와이 부근의 약 880만 km2 범위'와 , 남동 태평양의 '프랑스령 타히티 부근의 약 240만 km2 범위'에 특히 '희토류 원소(Earth Element)'가 많이 존재하고 있음을 알아냈다. 계산에 의하면, 이들 두 해역에서만 희토류 원소의 매장량이 900억 톤이나 된다고 한다. 이것은 육상 매장량의 약 800배에 이르는 양이다. 그야말로 꿈같은 광상인 것이다. 이 희토류 원소가 들어 있는 진흙에는 '디스프로슘(Dy)'과 '터븀(Tb)' 등의 '중희토류(Heavy Rare Earth)' 원소가 많이 들어 있다고 한다. 게다가 채굴할 때 장애가 되는 방사성 물질이 거의 들어있지 않으며, 묽은 산으로 희토류를 쉽게 추출할 수 있다. 자세한 분석 결과, 이들 '희토류 원소'는 바닷물에 들어 있는 희토류가 '산화철'과 '제올라이트(zeolite)' 등의 광물에 흡착해 침전한 것임이 알려졌다. 그리고 '바나듐(V)', '코발트(Co)', '니켈(Ni)', '몰리브데넘(Mn)' 등의 희소 금속이 들어 있다.
2-2. 굳이 '심해의 희토류 원소 채굴'을 해야 할 필요가 있는가?
'희토류 원소 광상'은 중국뿐만 아니라, 미국이나 베트남 등에도 존재하며, 채굴 가능한 매장량도 상당히 있다. 그러면 이런 자원이 있는데도 굳이 '심해의 희토류 원소 채굴'을 해야 할 필요가 있을까?
일단 중국 이외의 나라에 있는 '육상의 희토류 원소 광상'에서 채굴 가능한 것은 주로 '경희토류(Light Rare Earth)'이다. '터븀(Tb)'이나 '디스프로슘(Dy)' 등의 '중희토류(Heavy Rare Earth)'가 풍부하게 들어 있는 광상은 현재 중국에 있는 '이온 흡착형 광상'뿐이다. 그리고 이마저도 2030년대 안에 고갈될 것이라고 중국 정부가 발표했다. '심해의 희토류 원소 광상'의 매력은 '중희토류'가 풍부하게 들어 있다는 점이다.
하지만 '희토류 원소 광상'이 발견된 '중앙 태평양'과 '남동 태평양'의 해역은 주로 '공해상(어느 나라의 주권에도 속하지 않으며, 모든 나라가 공통으로 사용할 수 있는 바다의 위)'에 위치한다. 그래서 이것을 채굴하려면, 먼저 '국제해저기구(ISBA: International Seabed Authority)'에 인정받아야 한다. 그리고 광상으로 인정받으면, 개발을 희망하는 나라에 광구가 할당되어 채굴이 가능하다. 하지만 문제는 '희토류 원소'가 들어 있는 해저의 진흙은 채취하기 위한 '기술'과 '채굴 비용'이다. 해저 자원의 채굴은 육상에서의 채굴과 비교해 기술적으로 어렵고, 비용도 많이 든다.
2-3. 심해의 희토류 원소 채굴은 기술적으로 가능하다.
태평양에서 발견된 '희토류 원소 광상'은 대략 3500~6000m의 심해에 존재한다. 그러면 심해의 희토류 원소 채굴'은 기술적으로 가능할까? '가토 야스히로' 부교수 등의 연구 그룹은 일본 국내의 해양 개발 관련 기업과 공동으로 기술적인 검토와 경제적인 계산을 해서, 심해의 희토류 원소 채굴'이 가능하다고 보고 있다.
우선 기술면에서 가장 문제가 되는 것은, 심해의 진흙을 어떻게 채취할 것인가라는 점이다. 배에서 관을 내려 진흙을 빨아올려야 하는데, 그것은 기술적으로 가능할 것으로 생각된다. 기존의 기술 수준으로도 심해 2000m 정도는 이미 채굴이 가능하다. 하지만 희토류 원소가 있는 것은 3500m 이상의 심해이다. 그래서 연구 그룹은 관련 기업과 함께 수심에 적당한 기술 개발을 진행하고 있다.
우선 희토류 원소 채굴선에서 관을 뻗어, 희토류 원소가 들어 있는 해저의 진흙을 빨아들인다. 현재는 4000~5000m에서 적합한 시스템의 개발이 이루어지고 있다. 채굴선 위에서, 진흙으로부터 희토류 원소를 추출해, 희토류 원소 용액을 운반선으로 육상의 공장까지 운반한다. 희토류 원소를 회수한 뒤에 나오는 나머지 진흙은, 바다를 오염시키지 않도록 심해에 버리거나 육상으로 수송해 매립 등에 사용한다. 희토류 원소의 추출에 사용한 '묽은 염산(HCl)'은 '수산화나트륨(NaOH)'으로 중화해, '소금(NaCl)'의 형태로 나머지 진흙과 함께 바다로 돌려보낸다.
2-4. 심해 채굴은 희토류 원소의 가격에 의해 좌우된다.
'심해의 희토류 원소 채굴'이 기술적으로 가능하다고 해도, 비용이 너무 많이 들면 '채산성(수입과 지출이 맞아서 이익이 있는 성질)'이 없다. 가토 부교수 등은 '심해의 희토류 원소 채굴'이 경제성이 있는지를 계산해 보았고, 높이 올라간 희토류 원소의 가격이 가정이 된다면 충분히 사업성이 있다고 보았다. 하지만 이것은 높이 올라간 희토류 원소의 가격을 바탕으로 한 것이기 때문에, 희토류 가격이 크게 내려갈 경우네는 사업이 적자가 될 가능성이 있다. 그래서 심해의 희토류 원소 광상의 개발이 사업성을 갖기 위해서는, 그러한 위험성을 국가에서 보전하는 등의 정책이 필요할 수도 있다.
2-5. 채굴에 의해 바다가 오염될 우려
또 하나의 문제는 채굴에 의해 바다가 오염될 우려가 있다는 점이다. 이에 대해서는 신중히 검토할 필요가 있을 것이다. 하지만 '희토류 원소의 추출'에 사용되는 것은 '묽은 염산(HCl)' 뿐이므로 '수산화나트륨(NaOH)'으로 중화하면 '소금(NaCl)'의 형태로 바다로 돌려보낼 수 있다. 그리고 채굴로 발생하는 나머지 진흙에 관해서는, 육상으로 수송해 매립에 사용하거나, 표층이 아닌 심해에 버리는 등 바다를 오염시키지 않는 방안이 강구되고 있다.
3. 비축하기
희소 금속의 단기적인 공급 불안에 대비하는 또 하나의 방법 중에는 '희소 금속'을 비축하는 방법이 있다. 어떤 사정에 의해 산업에 중요한 희소 금속의 공급에 문제가 생겼을 경우, 비축분을 방출함으로써 가격을 안정시키는 것이다.
한국에서도 '크롬(Cr)', '몰리브데넘(Mo)' 등 핵심 희소 금속 및 수입 의존도가 높은 광물을 중심으로 비축량을 늘리기 위해 노력하고 있다. 한국 정부는 2025년까지 희소금속 100대 핵심 기업을 발굴하는 등 '희소금속 안심 국가' 실현을 위해 금융·세제·규제 특례 등 패키지 지원에 나서기로 했다. 또 한국 정부는 2025년까지 희소금속 100대 핵심기업을 발굴, 육성하기로 했다. 현재 35종의 희소 금속을 가공·처리·재활용하는 국내 기업은 125곳이다. 한국의 기업들은 원료·기초 소재는 대부분 수입에 의존하고 있지만, 화합물·금속·부품 등 중간소재와 최종재에서 경쟁력 우위를 보이고 있다.
문승욱 산업부 장관은 '희소 금속은 첨단·신에너지 산업에 꼭 필요하다는 점에서 '산업의 비타민'과 같은 존재'라며, '강건한 산업 생태계를 위해 안정적인 희소금속 공급망을 구축해 희소금속 안심 국가를 실현하겠다'고 강조했다.
4. 회수해서 재활용하기
희소 금속을 안정적으로 공급하기 위한 방법 중에는 '희소금속을 회수해 재활용'하는 방법도 있다. 제품 속 '희소 금속'의 농도는 광석 속의 농도보다 높은 경우가 있다. 그래서 이들 희소 금속을 회소하는 기술이 요구되고 있다. 현재도 '백금(Pt)'나 '인듐(In)'은 이미 재활용이 이루어지고 있다. 하지만 '네오디뮴(Nd)'이나 '디스프로슘(Dy)'은 제품에서 재활용이 이루어지지 않고 있다. 회수해서 재활용하는 비용이 높아서, 새로 구입하는 편이 낫기 때문이다.
4-1. 네오디뮴 자석에서 희토류 원소 끄집어내기
그런 가운데 일본 도쿄 생산기술연구소의 '오카베 도루' 교수의 연구실에서는 네오디뮴 자석에서 효율적으로 희토류 원소를 끄집어내는 기술을 개발하였다. 그 방법은 다음과 같다. 먼저 네오디뮴 자석을 고온의 '염화마그네슘(MgCl2)' 액체에 한나절 담가둔다. 그러면 액체 속에 '네오디뮴(Nd)'이나 '디스프로슘(Dy)'이 염화물로 녹아 나온다. 그리고 진공 유리관에 이 액체를 넣고 6시간 가열하면, 네오디뮴이나 디스프로슘이 분리된다. 이 방법을 쓰면 유해한 폐액 등이 나오지 않는다. 환경에도 악영향을 끼치지 않는 '희토류 원소 회수' 기술인 것이다.
4-2. 희소 금속을 재활용하기 어려운 이유
'백금(Pt)'이나 '인듐(In)'은 이미 재활용이 진행되고 있다. 하지만 재활용이 전혀 이루어지고 있지 않은 희소 금속들도 많다. 예컨대 2009년 일본의 경우, 리튬·탄탈럼·망가니즈·크로뮴 등의 재활용률은 모두 0%이다.
희소 금속이나 희토류 원소의 재활용률이 낮은 이유 가운데 하나는, 소형 가전 등에서 1대당 사용되는 '희소 금속'이나 '희토류 원소'의 양이 매우 적다는 점이 있다. 이른바 '도시 광산(Urban Mining)'이라고 일컬어지는 소형 가전 등에 함유된 '희소 금속'이나 '희토류 원소'는 광범위하고 희박하게 분포되어 있어 회수가 힘든 것이다.
또 희소 금속의 시장이 작다는 것도 이유 중 하나이다. 예컨대 회수해서 다시 자원으로 만들어도 현재로서는 채산이 맞지 않는다. 그래서 희소 금속을 재활용하기 위해서는 효율적인 회수 기술, 그리고 채산이 맞는 재활용의 메커니즘의 정비가 반드시 필요하다.
4-3. 희소 금속을 회수하려는 기술의 연구 및 개발
한편, '희소 금속'이나 '희토류 원소'를 회수하려는 연구와 개발도 활발하게 이루어지고 있다. 예컨대, 일본 시바우라 공업대학의 '야마시타 마쓰오' 교수와 오사카 대학의 '이케 미치히코' 교수 등은 미생물을 이용해 희소 금속을 효율적으로 회수하는 기술을 개발했다. 광산의 폐액에 포함된 '셀레늄(Se)'을 'NT-I'이라는 호기성 세균으로부터 90% 분리·회수하는 데 성공했다. 이 밖에도 여러 가지 희소 금속 재활용 기술'이 개발·연구되고 있어서, 앞으로 희소 금속의 재활용이 더욱 진전되리라 기대된다.
5. 사용량 줄이기
'희소 금속'을 안정적으로 공급하기 위한 또 하나의 방법은 '샤용량 자체를 줄이는 것'이다. 현재보다 적은 양으로 같은 기능을 발휘하거나, 현재와 같은 양으로 그 이상의 기능을 발휘하는 기술을 개발하는 것이다. 새로운 기술 개발에 의해 희소 금속의 사용량이 크게 줄어들지도 모른다.
5-1. 배출 가스 정화 장치
여기에서 그 예를 하나 소개한다. 자동차의 '배출 가스 정화 장치'에는 백금이 촉매로 사용된다. 휘발유 자동차에는 '일산화탄소(CO)'나 '질소산화물(NOx)' 등 유해한 물질이 생성된다. 이들을 '물(H2O)' 등의 무해한 물질로 바꾸는 것이 '배출 가스 정화 장치'이다. 현재 자동차의 '배출 가스 정화 장치'에는 '백금(Pt)'이 촉매로 사용되고 있다. '백금'은 산출량이 적고 비싼데, 장래에 '연료 전지 자동차'가 보급되면 수요가 더 많아질 것이다. 그래서 백금을 대신할 기술이나 사용량을 줄이는 기술이 요구된다. 종래의 촉매는 가열되면 시간과 더불어 촉매끼리 밀착해 표면적이 줄어들어 성능이 떨어지는 결점이 있었다. 그리고 그것을 보충하기 위해 많은 양의 '백금(Pt)'이 사용되었다.
그런 가운데 일본의 물질·재료연구기구의 '아베 히데키(阿部英樹)' 박사와 '아리가 가쓰히코(有賀克彦)' 박사는 지름 0.001mm의 구멍을 가지며, 백금으로 이루어진 속이 빈 구체 '메탈릭 셀(Metallic Cell)'을 만들어 냈다. 배출 가스가 이 '구체(sphere)'의 구멍으로부터 구체의 내부로 들어가면, 내부에서 촉매 반응을 받아 깨끗한 공기로 나온다. 이 구체는 밀착해도 내부에서는 촉매 반응이 계속되기 때문에, 성능을 유지할 수 있는 장점을 가졌다. '메탈릭 셀(Metallic Cell)'로 백금의 사용량을 종래의 10분의 1로 줄일 가질 가능성이 있다.