희토류 원소 분리 신기술

 

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희토류 원소 분리 신기술
희토류 원소들이 현대 기술에 매우 유용하게 사용되기는 하지만 다른 금속 원소와 비교하면
여전히 그 값이 비싸다. 그 이유는 희토류 원소를 분리하기가 수월하지 않기 때문이다. 통상
적으로 사용하는 기술은 용매 추출과 이온교환을 활용하는 것으로서 여러 단계를 거칠 뿐
아니라 기술의 개선이 이루지지 않고 있다 말할 수 있다. 최근 일본 Tohoku 대학의
Tetsuya Uda 박사 연구팀이 관련 기술의 대변혁을 성취하였다[Science, vol. 289, 2326
(2000)]. 연구팀의 연구결과에 따르면 희토류 원소는 산화정도를 제어하고 dihalide와
trihalide의 휘발도 차이를 이용하여 분리될 수 있다. 이 발견은 단지 학문적으로 흥미로울
뿐 아니라, 희토류 원소와 이 원소를 사용하는 재료나 소자의 생산비용을 대폭적으로 절감
할 수 있다는 점에서 매우 중요하다.
희토류 원소란 용어는 이 원소가 희귀한 광물자원에서 분리되기에 붙여졌다. 그러나 지질학
적 연구를 통해 지층에 이 원소들의 양이 매우 많다는 것이 알려졌다. 즉, 세륨(cerium)은
코발트보다 많으며 이트륨(yttrium)은 납보다 많고, 또한 루테튬(lutetium)과 툴륨(thulium)은
안티몬, 수은, 그리고 은만큼 발견된다. 그러나 희토류 원소들은 물리화학적 성질이 유사하
여 지층에 함께 존재하며 상호 분리가 매우 어렵다. 이러한 이유로 이 원소들을 분리하여
규명하는 작업에만 1839년부터 1907년까지 약 70년의 세월이 경과되었다.

 

그림 1. 희토류 원소 분리를 위한 다단계 공정도.
희토류 산화물은 그 부존량과 추출법에 따라 매우 비싸서 kg당 $20에서 $7,000 정도 한다.
희토류 금속의 경우 그 산화물보다 kg당 약 $80 정도 더 비싸다. Uda 박사 연구팀은 추출
공정 단계를 대폭 축소시켜 생산단가를 매우 낮출 수 있는 기술을 개발하는 데에 성공하였
다. 통상적인 공정에서는 우선 여러 희토류 원소들을 함유한 광물을 강염이나 산에 녹인다.
그 후 분리를 수행하는데 이 일은 무기화학에서 매우 어려운 일 중 하나이다. 상업적으로 2
가지 방법이 사용되고 있다. 그 하나는 고-액계에서 결정화 또는 침전법을 통해 분리하는
것이고, 다른 하나는 액-액계에서 이온교환 또는 용매 추출을 활용하여 분리하는 방법이다.
1960년대이래 액-액 추출법이 선호되어 왔는데, 산성용액속의 희토류 원소가 선택적으로 유
기용매상으로 분리추출된다. 현대에는 추출제의 점성을 낮추어 두 상간의 접촉을 원활히 해
주기 위하여 혼합된 유기용매를 사용한다. 그럼에도 불구하고 분리 정도가 매우 낮아서 여
러 번의 추출과정을 반복해야 한다. Molycorp 공정에 의하면 분리도가 각 단계마다 2에서
10 정도이고 전체 공정이 매우 복잡하다. 반면에, 연구팀이 개발한 공정에 의하면 분리도가
500에서 600 정도로 증가하였으며 분리 단계가 대폭 줄었다. 연구팀은 halide의 형성에 관한
열역학적 지식과 각 halide들의 휘발도 차이를 매우 잘 조합하여 훌륭한 성과를 성취할 수
있었다.
그림 2. 선택적 환원 및 진공 증류 조합공정 장치의 모식도.
희토류 원소들은 금속, 연료전지, 유리와 세라믹의 착색, 그리고 자석의 생산등 광범위하게
활용된다. 금속의 경우에는 용융철이나 비철금속에 가미되어 기계적 강도를 높이는 데에 사
용된다. 마그네슘과 같은 비철금속은 철을 대체하여 보다 가벼운 승용차를 제작하는 데에
사용될 수 있다. 저온 연료전지에서는 수소를 저장할 필요가 있는데 이는 란탄늄-니켈 합금
을 사용하면 가능하다. 고온 연료전지의 경우 희토류 산화물과 섞여 안정화된 지르코니아
를 전해질 뿐 아니라 전극으로 사용하기도 한다. 이러한 종류의 전해질은 산소 센서로 사용
되어 내연기관을 제어하는 데에 활용되기도 하고 용융철과 구리의 산소함유량을 측정하는
데에도 사용된다. 가돌리늄(gadolinium) 합금의 자기열(magnetocalorific) 효과를 활용하면
자기장을 걸어 시스템을 가열하거나 냉각하는 데에도 응용될 수 있다.
오늘날 희토류 산화물의 최대 사용처는 유리와 세라믹을 착색하는 것이다. 니오디뮴
(neodynium)은 유리를 푸른색에서 적색으로 변화시키며, 프라시오디뮴(praseodynium)은 녹
색으로, 에르븀(erbium)은 분홍색으로, 그리고 홀륨(holium)은 청색으로 변화시킨다. 희토류
원소와 다른 원소들을 결합하면 다른 색깔을 낼 수 있는데, 예로 티타늄과 세륨을 섞으면
노란색이 된다.
희토류 원소를 사용하는 분야중 가장 급격히 성장하는 것은 자석으로의 응용이다. 사마륨
(samarium)-코발트 합금과 철-니오디뮴-붕소 합금은 매우 안정된 자석 성질을 보여주므로
자기 디스크 드라이브, 전기 모터, 소형 헤드폰 등에 사용된다.
희토류 원소들의 활용이 매우 광범위해 질 것으로 전망되고 있다. 문제는 높은 생산비용이
었는데 본 연구결과로 인하여 희토류 원소들의 응용성이 매우 높아졌다 판단된다. [원문:
Science, vol. 289, 2295 (2000)]

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