희토류 - 란타넘(란탄계)15개, 스칸듐(21-Sc), 이트륨(39-Y)

 

2010년 9월 7일, 동중국해 일부 섬들을 둘러싼 중국과 일본 간의 영유권 분쟁에서 일본이 중국 선원을 구금시키자 중국은 일본에 대한 희토류 수출금지라는 경제적 조치로 압박을 가했고 이에 일본은 체포했던 중국 선원을 곧장 석방한 바 있다. 영토분쟁을 둘러싼 2010년 9월의 외교전에서 중국의 일방적 승리를 이끈 희토류란 무엇이며, 어떤 용도로 사용되고, 어떤 가치를 지니는지 알아보도록 하자.

 

희토류 산화물 사진. 가운데 위부터 시계 방향으로 프라세오디뮴, 세륨, 란타넘(란탄), 네오디뮴, 사마륨, 가돌리늄.

 

 

외교에 영향을 주는 전략자원, 희토류 희토류(稀土類; Rare Earth Elements)는 원소기호 57번부터 71번까지의 란타넘(란탄)계 원소 15개와, 21번인 스칸듐(Sc), 그리고 39번인 이트륨(Y) 등 총 17개 원소를 총칭한다. 희토류는 물질의 지구화학적 특성상 경제성이 있을 정도로 농축된 형태로는 산출되지 않고 광물 형태로는 희귀하므로, ‘자연계에 매우 드물게 존재하는 금속 원소’라는 의미의 희토류라는 이름이 붙었다. 하지만 실제로 희토류는 그 이름에 비해서는 상대적으로 지구상에 풍부하게 매장되어 있다. 일례로, 원자번호 58번인 세륨은 지각 내 함량이 68ppm으로 지각에서 25번째로 풍부한 원소이며, 희토류 중 가장 매장량이 적다고 알려진 툴륨과 루테튬의 경우에도 금보다 200배 이상 매장량이 많다.

 

주기율표에 표시된 희토류 원소 (붉은 사각형 내의 17개 원소).

 

 

최초로 발견된 희토류, 이트륨의 발견 1787년 스웨덴의 칼 악셀 아레니우스(Karl Axel Arrhenius)는 스웨덴 스톡홀름 부근에 위치한 이테르비(Ytterby) 마을의 채석장에서 우연히 밀도가 크고 무거운 미지의 검정색 광석을 발견했다. 광석이 발견된 마을 이름에 광물을 의미하는 접미사 ‘ite'를 따서 이테르바이트(Ytterbite)로 이름붙인 아레니우스는 여러 과학자들에게 이 광석의 분석을 의뢰했다. 1789년 핀란드의 화학자이자 물리학자며 광물학자인 요한 가돌린(Johan Gadolin, 1760~1852)은 이 광석으로부터 새로운 산화물을 분리하는데 성공하고, 이 연구결과를 1794년에 발표했다. 이 새로운 산화물은 1797년 안데르스 에셰베리(Anders Gustaf Ekeberg)에 의해 이트륨(Yttria)으로 명명됐다. 이테르바이트는 1800년에 가돌리나이트(Gadolinite)로 이름이 바뀌었다.

 

요한 가돌린(Johan Gadolin, 1760~1852). 핀란드의 화학자.

이트륨, 형광체, 세라믹 기능 소재, 초전도체 등에 쓰인다. <출처: (cc) Tomihahndorf at de.wikipedia.org>

 

 

1828년 프리드리히 뵐러(Friedrich WÖhler)는 이트륨 광석으로부터 이트륨 원소를 최초로 분리했으며, 1843년 칼 구스타프 모산더(Carl Gustaf Mosander)는 이트륨 광석이 흰색의 이트륨 산화물, 노랑색의 터븀 산화물, 그리고 장밋빛의 어븀 산화물 등 3개의 산화물을 포함하고 있다는 것을 밝혀냈다. 1878년 진 찰스 칼리싸드 드 마리낙(Jean Charles Galissard de Marignac)은 4번째 산화물인 이터븀을 분리했다. 현재 이트륨은 CRT  및 형광램프 등의 형광체와 세라믹 기능 소재, 그리고 초전도체 등의 제품에 다양하게 이용되고 있다.

 

네오디뮴, 영구자석, 레이저, 콘덴서 등에 쓰인다. <출처: (cc) images-of-elements.com>

사마륨, 영구자석 등에 쓰인다. <출처: (cc) images-of-elements.com>

 

 

희토류의 성질 및 용도 희토류는 화학적으로 매우 안정하고, 건조한 공기에서도 잘 견디며, 열을 잘 전도하는 특징이 있으며, 상대적으로 탁월한 화학적·전기적·자성적·발광적 성질을 갖는다. 현대사회에서 희토류는 전기 및 하이브리드 자동차, 풍력발전, 태양열 발전 등 21세기 저탄소 녹색성장에 필수적인 영구자석 제작에 꼭 필요한 물질이다. 예를 들어, 전기자동차 한대를 움직이는 데 필요한 영구자석에는 희토류 원소가 약 1kg가량 포함되어 있다. 또한 희토류는 LCD·LED·스마트폰 등의 IT산업, 카메라·컴퓨터 등의 전자제품,  CRT·형광램프 등의 형광체 및 광섬유 등에 필수적일 뿐만 아니라 방사성 차폐효과가 뛰어나기 때문에 원자로 제어제로도 널리 사용되고 있다.

 

 

 

희토류 매장량 및 생산량 미국 USGS의 2011년 자료에 의하면 세계 최대의 희토류 매장국은 중국으로 매장량은 약 5,500만 톤에 이른다.  중국희토류협회는 중국내의 미확인 희토류 량을 1억 톤으로 추정하기도 했다. 두 번째 최대 매장국은 독립국가연합(CIS)으로 희토류 매장량이 1,900만 톤이며, 미국의 희토류 매장량이 1,300만 톤으로 그 뒤를 잇는다. 점유율은 각각 48.4%, 16.7%, 그리고 11.4%로 3국가의 총 매장량 점유율은 76.5%에 이른다. 희토류 생산량을 알아보면, 최대 생산국은 중국으로 2010년 생산량은 130,000톤으로 전 세계 생산량의 97%를 차지한다. 그 다음으로 인도의 생산량이 2,700톤, 브라질의 생산량이 550톤으로 그 뒤를 잇는다.   시대별 희토류 주요 생산지를 알아보면, 1948년까지는 인도와 브라질이 주요 생산지였다가, 1950년대에는 남아프리카공화국이, 1960년대에서 1980년대까지는 미국이, 그리고 1980년대 이후에는 중국이 희토류 주요 산지로 떠올랐다. 이 당시 중국은 희토류를 저가로 대량 공급해 미국 등 경쟁 국가를 압도했다. 그 결과 미국의 대표적인 희토류 광산인 캘리포니아의 마운틴 패스 광산은 2002년부터 채광을 중지하게 되었다.

 

시대별 희토류 생산량의 변화.

 

 

희토류는 1)채굴과정(mining), 2)분리과정(separation), 3)정련과정(refine), 그리고 4)합금화과정(alloy)을 거쳐 수요자에게 공급되는데, 희토류의 분리, 정련 및 합금화 과정에는 고도의 기술력과 장기간 축적된 노하우가 필요할 뿐만 아니라, 이 과정에서 엄청난 공해물질이 발생한다. 따라서 대부분의 선진국에서는 중국 대비 희토류 생산비용이 높고, 환경보호 등을 위해 자국 내 희토류 생산을 점차적으로 중지한 바 있다.     자원무기화 되는 희토류 2010년부터 중국은 자국 내 희토류 생산량을 제한하고, 수출량을 감축하며, 희토류에 부과하는 세금을 대폭 인상하는 등 희토류를 정부 통제 하에 자원무기화 하려는 모습을 보여주고 있다. 이에 따라 희토류 가격 또한 급등하고 있다. 일례로 하이브리드 자동차의 영구자석에 사용되는 네오디뮴의 가격은 2011년 11월 초 현재 톤 당 79,750달러로 2010년 대비 4배 이상 뛰었고, 액정패널의 연마제에 필수적인 세륨은 톤 당 가격이 2009년 8월에는 2,950달러, 2010년 9월에는 20,050달러, 2011년 11월에는 51,950달러로 폭등했다. 이에 미국과 호주 등은 다시 폐광된 광산을 재가동하거나 새로운 생산지를 개발하는 등 다양한 방법으로 대처할 예정이다. 희토류를 전량 수입에 의존하는 우리나라도 국내외 희토류 광산을 직접 개발하는 등 안정적인 희토류 수급을 위한 대책마련이 시급한 상황이다.

 

 

 

글 김동희 / 국립중앙과학관 연구사

충북대학교 과학교육학과를 졸업하고 서울대학교 지질과학과에서 이학박사 학위를 받았다. 미국 오클라호마대학 자연사박물관과 서울대학교 지구환경과학부에서 박사 후 연구원으로 일했으며 지금은 국립중앙과학관 연구사로 일하고 있다. 저·역서로는 [화석이 말을 한다면], [공룡화석은 왜 우리나라에서 많이 발견될까요], [지구], [지구시스템의 이해] 등이 있다.

협조국립중앙과학관

발행일  2011.11.18

희토류원소 [稀土類元素, rare earth elements] 

요약 주기율표 제3족인 스칸듐·이트륨 및 원자번호 57에서 71인 란타넘계열의 15원소를 합친 17원소의 총칭으로 대개 은백색 또는 회색 금속이다. 본문 란타넘계열 원소 중 란타넘을 제외한 세륨 이하의 14원소는 란타넘족으로 총칭된다. 또 란타넘에서 사마륨까지의 6원소를 세륨족 원소, 유로퓸에서 루테튬까지 와이트륨·스칸듐을 합친 11원소를 이트륨족원소라고 한다. 모두 희유원소에 속하며, 프로메튬은 방사성원소로 안정동위원소는 존재하지 않는다. 또 원자번호가 홀수인 것은 짝수인 것에 비해 존재량이 적다. 일반적으로 은백색 또는 회색 금속이다. 공기 중에서 서서히 산화하며, 산 및 뜨거운 물에는 녹지만 알칼리에는 녹지 않는다. 화학적 성질은 아주 비슷하며, 보통 모두 ＋3가의 화합물을 만드는데, 세륨·테르븀·프라세오디뮴에서는 ＋4가, 이테르븀·유로퓸·사마륨에서는 ＋2가도 있다. 알칼리금속·알칼리토금속에 이어 양성(陽性)이 현저하고, 따라서 수산화물은 염기이다. 89번 원소 악티늄부터 103번 원소 로렌슘까지는 희토류원소와 아주 비슷하다.