희토류, 왜 중요한가?

희토류는 원소주기율표상의 제3B족에 해당하는 란탄계열 15개 원소와 스칸듐, 이트륨을 포함한 총 17개의 원소를 의미한다.

희토류 원소는 토양 내 매우 드물게 산화물 상태로 산출되지만 제련과 분리가 매우 어려우며 그 산화물도 대다수가 토상으로 나타나기 때문에 희토류 원소(RRE: Rare Earth Element)라고 명명하고 있다.

희토류는 다른 물질에 소량 첨가하더라도 해당 물질을 화학적·전기적·자성적·방사성·차폐 특성을 갖게 만들기 때문에 제품의 고기능, 고성능 발현을 위해 필수적으로 사용된다. 따라서 희토류는 반도체, 초전도체, 고성능 축전지, 디스플레이, 하이브리드 자동차, 전기 모터 등이 이용되는 첨단산업에 필수적으로 사용되고 있다.

4일 KOTRA 이지현 미국 실리콘밸리무역관이 분석한내용에 따르면 미국 내 희토류 수요가 점점 높아지는 가운데 미국은 희토류 생산 전 세계 1위 국가인 중국에의 의존도를 낮추고자 국내 생산을 본격적으로 증대하려는 움직임을 보인다.

특히 희토류는 기후 위기에 대응한 탈탄소화에서 핵심적인 역할을 담당하고 있다. 풍력 터빈 및 전기차와 같은 기술을 구현하는데 필수적으로 사용되기 때문이다.

특히 희토류 영구자석은 전기차 구동모터의 핵심소재로 희토류 공급망에서 가장 많은 부가가치를 창출하고 있다. 하지만 역설적으로 희토류 채굴부터 가공에 이르는 일련의 과정은 환경에 악영향을 미칠 수 있다.

따라서 현재 미국에서는 희토류 원소 분리 효율을 개선하거나 다른 대체재료를 만드는 등 새로운 혁신도 주목받는 중이다. 이하에서 구체적인 내용을 알아본다.

희토류 및 응용 제품 생산을 가속화하고 있는 미국의 기업들

1) USA Rare Earth

USA레어어스는 두 가지 접근 방식을 구상하고 있다. 그 하나는 2024년부터 오클라호마주 스틸워터에 있는 공장에서 네오디뮴 자석을 생산하기 시작한다는 것이고 나머지 하나는 2025년 하반기 또는 2026년 상반기에 텍사스주 엘패소 인근의 라운드탑(Round Top) 광구에서 자체 희토류 금속을 채굴 및 정제한다는 것이다. 라운드탑 광구에는 중희토류와 리튬과 같은 핵심 금속이 풍부하게 매장돼 있는 것으로 알려져 있다. USA레어어스는 친환경적으로 희토류를 추출하기 위해 지속 가능한 방식의 이온 교환 기술을 사용할 계획이며 궁극적으로는 연간 최대 4800톤의 자석을 생산하는 것을 목표로 하고 있다.

 2) MP Materials Corp.

MP 머티리얼즈는 중국을 제외한 전 세계 최대 희토류 생산업체로 희토류 광산 및 가공 시설인 캘리포니아의 마운틴 패스 광산에서 희토류 채굴, 제련, 분리, 정련을 모두 수행하고 있다. 이 회사는 고순도 분리 네오디뮴-프라세오디뮴 산화물과 란타늄-세륨 산화물 및 탄산염 생산에 주력하고 있다.

2022년 미국 국방부는 국내 희토류 생산을 촉진하기 위한 노력의 일환으로 MP 머티리얼즈에 3500만 달러를 투자하기도 했는바, 이에 힘입어 처리된 희토류를 캘리포니아에서 텍사스주 포트워스에 건설 중인 새로운 시설로 배송해 제네럴모터스의 전기차용 합금과 자석을 만드는데 사용할 예정인 것으로 알려졌다.

MP 머티리얼즈의 커뮤니케이션 및 정책 수석 부사장인 Matt Sloustcher에 따르면, MP 머티리얼즈의 목표는 제네럴 모터스에 희토류 합금 공급을 시작해서 2025년까지 완성된 자석을 생산하는 것으로, 최대 용량으로 1000톤의 희토류 자석을 생산할 것으로 기대한다. 이는 약 50만 대의 전기차에 필요한 모터를 생산할 수 있는 양이다.

MP 머티리얼즈는 중국을 제외한 전 세계 최대 희토류 생산업체로 희토류 광산 및 가공 시설인 캘리포니아의 마운틴 패스 광산에서 희토류 채굴, 제련, 분리, 정련을 모두 수행하고 있다. 이 회사는 고순도 분리 네오디뮴-프라세오디뮴 산화물과 란타늄-세륨 산화물 및 탄산염 생산에 주력하고 있다.

2022년 미국 국방부는 국내 희토류 생산을 촉진하기 위한 노력의 일환으로 MP 머티리얼즈에 3500만 달러를 투자하기도 했는바, 이에 힘입어 처리된 희토류를 캘리포니아에서 텍사스주 포트워스에 건설 중인 새로운 시설로 배송해 제네럴모터스의 전기차용 합금과 자석을 만드는데 사용할 예정인 것으로 알려졌다.

MP 머티리얼즈의 커뮤니케이션 및 정책 수석 부사장인 Matt Sloustcher에 따르면, MP 머티리얼즈의 목표는 제네럴 모터스에 희토류 합금 공급을 시작해서 2025년까지 완성된 자석을 생산하는 것으로, 최대 용량으로 1000톤의 희토류 자석을 생산할 것으로 기대한다. 이는 약 50만 대의 전기차에 필요한 모터를 생산할 수 있는 양이다.

 3) Energy Fuels Inc.

에너지퓨얼스는 미국에 본사를 두고 주요 원자력 발전소에 판매되는 천연 우라늄 정광을 생산하는 기업으로, 퇴근 혼합 REE 탄산염을 포함한 고급 희토류 원소 물질의 생산을 시작해 사업을 확장하고 있다. 에너지퓨얼스는 유타주 화이트 메사 지역에 희토류 원소 분리 시설을 건설하고 있으며 2024년 상반기부터 가동을 시작할 계획이다. 이 시설은 연간 최대 1만5000톤의 희토류 산화물을 생산할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

4) Pheonix Tailings

매사추세츠주에 본사를 둔 스타트업인 피닉스테일링스는 네오디뮴을 생산하고 있으며 곧 디스프로슘, 테르븀 및 철-디스프로슘 합금으로 생산을 확장할 예정이다. 이들은 에너지 효율적인 최신 기술을 사용해 광산 현장에서 희토류 원소를 추출하는 혁신을 선보이고 있다. 피닉스테일링스의 공정 핵심은 희토류가 포함된 산화물 농축물을 얻은 다음 분리 기술을 통해 원하는 최종 제품을 추출하는 과정에 있다. 여기에서 최종 금속 및 합금 제품으로 환원하기 위해 혼합 할로겐화물 용융염 전기분해 기술을 사용하는데, 이는 기존 공정에 비해 35~45%나 적은 에너지가 필요하다. 피닉스테일링스는 2026년까지 연간 3000톤 이상의 희토류 금속 완제품을 생산하는 것을 목표로 하고 있다.

지속 가능한 희토류 생산에 관한 연구도 주목받는 중

지속 가능한 에너지 환경으로 전환하는 과정에서 희토류가 필수적으로 활용되면서 희토류에 대한 수요가 치솟는 가운데, 역설적으로 그 희토류를 채굴하려면 환경에 악영향을 준다는 문제가 있다. 따라서 미국의 연구기관이나 기업들은 희토류를 더욱 지속 가능한 방식으로 생산할 수 있는 혁신적인 방법을 연구하고 있다.

희토류 원소에 대한 수요를 해결하기 위한 중요한 전략 중 하나는 희토류 원소를 덜 사용하거나 다른 재료로 대체하는 제품을 설계하는 것이다. BMW와 르노는 이미 희토류에 의존하지 않는 전기차를 개발했으며, 테슬라는 자사 제품에 사용되는 차세대 전기 모터는 희토류 원소를 전혀 사용하지 않을 것이라고 발표했다.

테슬라는 이미 2017년 이후 모델 3 차량에서 중희토류 사용을 25% 줄이기도 했다. 한편, 노스이스턴(Northeastern)대학교에서는 희토류 자석 대체재인 테트라테아나이트(Tetrataenite)(철-니켈 합금) 개발에 착수했다. 해당 연구는 미국 에너지부로부터 210만 달러 지원을 받아 지속되고 있다.

미국의 애임스연구소(Critical Materials Institute of Ames Laboratory) 또한 에너지부로부터 자금 지원을 받고 기존의 네오디뮴과 디스프로슘 자석을 대체할 수 있는 세륨코발트 자석을 개발하고 있다.

한편, 전자 폐기물을 재활용하면 필요한 희토류 채굴량을 크게 줄일 수 있다. 2019년을 기준으로 전 세계적으로 5300만 톤 이상의 전자 폐기물이 나오고 있으며 이 폐기물에는 귀금속과 희토류 원소가 포함된 570억 달러 상당의 원자재가 포함돼 있기 때문이다.

미국의 참여 과학자 모임(Union of Concerned Scientists)의 최근 연구 결과에 따르면 네오디뮴, 프라세오디뮴, 디스프로슘과 같은 특정 희토류 원소의 경우 전자 폐기물을 재활용하면 미래 수요의 약 30%가 충족되는 것으로 밝혀졌다. 하지만 현재는 이러한 희토류 원소의 약 1%만 재활용되고 있다.

중국에 이어 전자 폐기물 생산국 2위인 미국은 2019년 기준으로 전자 폐기물의 15%만 재활용한 것으로 나타났다. 이에 미국에서는 전자 폐기물 재활용의 시장 가능성을 포착하고 산 침출, 금속 가열 및 용융, 전기를 사용한 재료 분리 등을 활용한 재활용 공정은 물론, 초음파 침출, 미생물 제련과 같은 더 지속 가능한 방법을 탐구하고 있다.

이 중에서도 최근 주목받고 있는 분야는 바이오마이닝(미생물제련)이다. 코넬 대학에서는 유기산을 생성하는 미생물을 이용한 바이오마이닝 기술을 개발하고 있다. 미생물이 생산하는 유기산은 광석이나 재활용 전자폐기물에서 희토류 원소를 침출한다. 아이다호 국립 연구소에서도 동일한 취지의 연구가 진행되고 있다.

한편 하버드 대학에서는 해조류에서 나온 박테리아를 사용해 희토류 원소를 흡수시키고, 박테리아가 함유된 필터를 통해 희토류 원소가 포함된 용액이 통과되면 이를 흡수해 다양한 pH 수준의 용액으로 세척하는 과정을 거쳐 희토류 원소를 분리하는 방법을 개발하고 있다.

한국기업 .. 희토류 대체재 분야 시장 가능성 참고 필

로이터는 최근(2023년 12월) 중국이 서방의 공급망 탈중국화에 맞서 희토류 영구자석 제조 기술에 대한 수출을 금지하면서 희토류 가치사슬을 본격적으로 강화하고 있다고 보도했다.

이에 따라 미국에서는 희토류 처리량을 서서히 늘리기 시작한 MP머리티얼즈와 자체 희토류 처리기술을 보유하고 있는 유코어레어메탈(Ucore Rare Metals)은 주가가 급등하기도 했다.

컨설턴트 A 씨는 인터뷰에서 중국의 움직임에 따라 미얀마와 같은 주요 희토류 생산국으로부터의 공급 안정성도 커지고 있는 추세이며, 보다 다양화된 공급망이 필요하다고 강조했다.

또한 미국 내에서 희토류 산업 자립에 대한 목소리가 커지고 있는 만큼, 희토류 분리 기술 및 희토류 대체재 분야의 시장 가능성을 한국의 기업들도 참고할 수 있다고 조언했다.

희토류 시장은 공급망 안정성, 기술 발전, 지정학적 역학관계, 정부 정책의 복잡한 상호작용에 의해 영향을 받는바, 앞으로도 이러한 도전과 기회를 해결하고 활용하는 것이 희토류 산업의 미래에 중요한 전환점이 될 것으로 보인다.