신기술을 통한 핵심 금속 공급 확대

스마트폰, 노트북, 블루투스 스피커, 전기차(EV) 등 이러한 기술은 우리 일상의 일부가 되었지만, 정작 이를 작동하게 하는 금속 원소에 대해서는 거의 생각하지 않습니다. 전자 기기의 중앙처리장치(CPU)와 그래픽처리장치(GPU)는 실리콘으로 만들어지며, 이 칩들이 연산을 담당합니다. 하지만 하드 디스크 드라이브나 플래시 메모리와 같이 그만큼 중요한 회로 부품들도 존재합니다. 이러한 부품이 없다면 웹 서핑이나 고사양 작업을 수행하는 동안 대량의 데이터를 임시 또는 장기적으로 저장할 수 없을 것입니다. 이러한 부품의 원재료가 바로 핵심 금속입니다.

핵심 금속은 현대 산업에서의 중요한 역할과 매장량의 희소성 및 지리적 편중이라는 두 가지 이유로 핵심 금속이라 불립니다. 이러한 요인들로 인해 해당 금속은 수요가 매우 높지만, 주요 매장지가 없는 국가나 지역에서는 확보하기가 더욱 어렵습니다. 최근의 보호무역주의와 무역 장벽은 이러한 수급 불균형을 더욱 심화시키고 있습니다. 이러한 불균형이 지속됨에 따라 가격 변동성 또한 계속될 것으로 예상됩니다.

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이러한 요인들은 왜 전 세계적으로 핵심 금속을 추출하기 위한 더 효율적이고 효과적인 공정이 필요한지를 보여줍니다. 현재의 추출 방식은 독성 화학 물질과 가혹한 반응 조건을 사용하는 경우가 많아 환경 친화적이지 않으며, 다량의 용매를 사용해야 하므로 효율성도 떨어집니다. 게다가 미흡한 분리 기술로 인해 정제 과정에서 상당량의 핵심 금속이 손실되고 있습니다.

다행히 이러한 문제를 해결하기 위한 과학적 연구가 활발히 진행되고 있으며, 더 나은 추출 방식이 곧 시장의 수요와 환경적 요구를 충족할 수 있을 것으로 기대됩니다.

핵심 금속이란 무엇인가?

주기율표(그림 1 참조)를 살펴보면, 핵심 금속에는 리튬과 같은 일부 알칼리 토금속, 코발트와 같은 일부 1주기 전이 금속, 텔루륨과 같은 일부 p-블록 금속이 포함됩니다. 또한 백금족 금속(PGM)인 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴을 포함하는 2주기 및 3주기 전이 금속도 이에 해당합니다. 핵심 금속에는 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀 등 희토류 금속(REM) 또는 희토류 원소(REE)로 알려진 일부 란타넘족 원소도 포함됩니다.

미국 지질조사국(USGS)은 핵심 광물이라는 더 넓은 범주를 모니터링하며 여기에는 알루미늄, 구리, 철, 니켈과 같은 원소가 포함되지만, 본 분석에서는 이들의 상대적인 풍부함과 확립된 정제 공정을 고려하여 제외하였습니다.

핵심 금속은 가치가 높고 지리적으로 편중되어 있을 뿐만 아니라, 향상된 물리적 특성 덕분에 기존의 성능이 낮은 금속들을 대체해 왔습니다. 예를 들어, 네오디뮴과 같은 일부 핵심 금속은 철보다 훨씬 강력한 영구 자석 특성을 지니고 있어 스마트폰, 컴퓨터, 클라우드 컴퓨팅 데이터 서버의 고성능 메모리 장치에 이상적이며, 따라서 디지털 시대에 없어서는 안 될 필수 부품이 되었습니다.

각 국가나 지역이 보유한 해당 원소의 매장량을 살펴보는 것은 의미가 있습니다. USGS는 정기적인 보고서와 업데이트를 통해 이러한 천연자원에 대한 전 세계적인 현황을 제공합니다. 표 1은 국가 또는 지역별 매장량(단위: 미터톤)을 나타낸 USGS 데이터의 히트맵입니다. 참고로 USGS는 백금족 금속(PGM)과 란타넘족(REE) 원소를 각각 하나의 그룹으로 묶어 보고하며, 리튬, 코발트, 텔루륨은 별도로 분류합니다. 예상대로 텔루륨의 매장량은 매우 적어 캐나다 900톤, 중국 3,100톤, 미국 3,800톤, 러시아 5,800톤으로 보고되었습니다. 반면 호주의 리튬 매장량은 5,700만 톤, 중국의 희토류(REE) 매장량은 4,400만 톤, 미국의 희토류 매장량은 180만 톤에 달합니다.

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핵심 금속의 응용 분야

핵심 금속은 수많은 기술과 기기에 사용되는데, 구체적으로 어떻게 활용될까요? 주요 응용 분야는 세 가지입니다.

• 배터리/에너지 저장 장치: 리튬과 코발트는 높은 전하 밀도와 긴 수명을 보장하는 음극 안정성 덕분에 배터리에 사용됩니다. 현재까지 이와 동일한 성능을 제공하는 다른 원소는 발견되지 않았습니다. 예를 들어, 저렴하고 널리 사용되는 납 및 아연 기반 배터리는 수년간 상용화되어 왔지만, 환경 문제와 더불어 전하 유지력 및 배터리 수명 측면에서 성능이 떨어집니다.
• ‍자석: 데이터 센터는 고온에서도 성능을 유지하기 위해 자성 재료가 필요하며, 스마트폰 카메라는 이미지 흔들림 보정을 위해 초정밀 자기 액추에이터가 필요하고, 전기차 모터는 스트레스 상황에서도 강도를 유지하는 자석을 필요로 합니다. 네오디뮴은 상업적으로 이용 가능한 세계에서 가장 강력한 영구 자석 금속 중 하나이며, 디스프로슘은 고온에서도 자기 강도를 유지합니다. 또한 테르븀은 다른 부품의 자기적 특성을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다. 프라세오디뮴과 같은 핵심 금속은 경우에 따라 네오디뮴을 대체할 수 있는 비교적 저렴한 대안 솔루션을 제공합니다. 이들이 사용되는 일반적인 메모리 부품으로는 고밀도 데이터 저장을 위한 하드 디스크 드라이브, 비휘발성 메모리를 위한 자기 RAM, 스피커 및 헤드폰용 소형 자석 등이 있습니다.
• ‍촉매 작용: 촉매 작용에 사용되는 핵심 금속 중 루테늄은 암모니아 생산에, 이리듐은 그린 수소 생산(수전해)에 필수적입니다. 자동차 배기가스에서 발생하는 다양한 유해 가스를 줄이기 위해 널리 사용되는 촉매 변환기에는 일산화탄소를 변환하는 백금, 질소 산화물을 환원하는 로듐, 미연소 탄화수소를 변환할 수 있는 팔라듐이 포함됩니다.

핵심 금속의 추출, 분리 및 정제 개선

핵심 금속을 사용하는 산업계는 이미 자원 부족으로 인해 상당한 어려움을 겪고 있습니다. 게다가 기기들이 수명을 다하면 일반적으로 매립지로 버려집니다. 최근에는 이러한 기기를 재활용하여 핵심 금속을 추출하고 새로운 기기에 재사용하려는 노력이 집중되고 있습니다. 이러한 노력이 어느 정도 성공을 거두었으며 우선순위가 되어야 하지만, 채굴, 분리, 정제와 같이 핵심 금속의 수명 주기 초기 단계에서 추출 효율을 높일 수 있는 다른 방법들도 존재합니다.

현재 다른 원소로부터 핵심 금속을 추출하는 일반적인 공정으로는 습식 제련과 건식 제련이 있으며, 각각은 특정 공정을 포괄하는 상위 개념입니다. 습식 제련에는 산 침출, 알칼리 침출, 용매 추출 및 이온 교환 공정이 포함됩니다. 건식 제련에는 고온 제련 및 배소, 휘발성 불순물을 제거하기 위한 하소, 탄소나 수소를 사용하는 환원 공정이 포함됩니다.

이러한 각 방법은 높은 에너지 소비(주로 화석 연료 연소를 통해 발생)와 유독성 화학 물질의 생성과 같은 환경적 위험을 초래합니다. 그러나 새로운 친환경 기술이 이러한 문제를 극복할 수 있을 것으로 기대됩니다.

배터리 금속: 리튬 및 코발트

리튬 및 코발트와 같은 배터리 핵심 금속의 분리 및 정제 기술에는 염수 증발 및 농축, 선택적 침전, 전기 분해 또는 산화-환원 화학이 포함되는 경향이 있습니다. 최근 연구자들은 나트륨, 마그네슘, 아연을 포함한 다양한 금속염 중에서 염화 리튬을 높은 효율로 선택적으로 결합하는 새로운 시약을 보고했습니다. 침전법은 저비용으로 확장 가능한 방법이 될 수 있으며, 탄산염을 간단히 첨가하여 코발트를 니켈로부터 분리하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 이 과정에서 생성된 코발트 착물은 침전되고 니켈은 용액 상태로 남게 됩니다.

백금족 금속(PGM)

백금족 및 희토류 원소를 위한 새로운 기술로는 분별 결정, 용매 추출 캐스케이드, 이온 크로마토그래피 및 선택적 침전이 있습니다. 예를 들어, 백금 착물은 쿠커비트[6]우릴(cucurbit[6]uril)이라는 유기 첨가제를 사용하여 팔라듐 및 로듐을 포함한 다른 백금족 금속으로부터 분리되었습니다. 이 첨가제는 백금 종에 선택적으로 결합하여 용액에서 침전시킵니다.

특수 금속: 금 및 텔루륨

금광석을 정제하는 과정은 독성이 강하며 여전히 어려운 과제입니다. 이러한 이유로 연구자들은 금 산업에서 일반적으로 사용되는 기질인 활성탄에서 비교적 저렴한 유기 배위제인 α-사이클로덱스트린을 사용하여 금 음이온을 추출하는 방법을 찾아냈습니다.

텔루륨은 두 가지 이유로 다루기 매우 까다로운 핵심 금속입니다. 첫째, 매장량이 너무 적어 직접 채굴하기보다는 니켈 채굴 폐기물에서 분리해야 하며, 둘째, 산화물 형태로 남아 있으려는 성질 때문에 침전을 위해 화학적으로 활성화하기 어려운 여러 산화 상태를 가지고 있습니다. 그러나 연구자들은 특정 카테콜 유도체를 TeO2에 첨가함으로써 산소를 제거하고 산화-환원 조건 하에서 텔루륨 착물을 형성하여 제품을 성공적으로 정제할 수 있음을 발견했습니다.

우리는 분리 및 정제 기술이 어떻게 발전하고 있는지 더 잘 이해하기 위해 인간이 큐레이팅한 최대 규모의 과학 정보 저장소인 CAS Content Collection^TM을 조사했습니다. 그 결과, 지난 25년간 이러한 공정과 관련된 저널 및 특허 출판물이 강력한 상승세를 보이고 있음을 확인했습니다(그림 3 참조).

또한 특정 핵심 금속에 대한 저널 및 특허 수를 조사했습니다(그림 4 참조). 전반적인 성장은 휴대폰 및 최근의 전기차와 같은 배터리 구동 기기의 증가 추세를 반영합니다. 리튬은 2018년부터 핵심 금속 관련 출판물 중 1위를 차지했으며, 2022년에는 코발트를 추월했습니다. 백금족 금속 중에서는 백금과 팔라듐이 특허에서 가장 많이 보고된 금속이며, 은과 금, 그 다음으로 로듐과 루테늄이 뒤를 잇습니다. 저널 논문의 경우, 세륨, 네오디뮴, 란타넘과 같은 희토류 원소가 팔라듐 다음으로 가장 많이 출판되었습니다.

이 분석을 통해 우리는 이러한 원소들을 둘러싼 활발한 연구 활동을 확인할 수 있으며, 그림 3에서 볼 수 있는 특허 출판물의 증가는 개선된 분리 및 정제 기술이 상용화 단계에 도달하고 있음을 보여줍니다.

저널과 특허를 모두 포함하여 출판 동향에 따른 지리적 차이도 존재합니다. 그림 5는 핵심 금속 및 국가별 총 문서 수를 나타내는 히트맵으로, 배터리 및 태양광, 촉매, 전자 제품과 같은 일반적인 응용 분야별로 그룹화되어 있습니다. 중국은 리튬, 코발트, 금, 은, 백금, 팔라듐, 란타넘, 세륨, 네오디뮴 등 많은 핵심 금속 분야에서 출판물 1위 국가입니다. 일본은 코발트, 백금, 팔라듐 분야에서 중국을 바짝 추격하고 있습니다. 텔루륨과 이리듐에 관한 출판물은 상대적으로 적으며 중국과 일본이 가장 많은 비중을 차지하고 있고, 오스뮴은 모든 원소와 국가/지역을 통틀어 출판물이 가장 적다는 점이 주목할 만합니다.

그림 5와 표 1을 비교하면 두 가지 사실을 알 수 있습니다. (1) 중국은 핵심 금속(CM) 자원이 가장 풍부할 뿐만 아니라 관련 문헌도 가장 많이 발표하고 있습니다. (2) 한국과 일본은 CM 자원이 없음에도 불구하고 문헌 발표 수 기준 상위 2, 3위 국가에 속합니다. 이는 자원이 부족한 상황에서도 기술 성장을 모색하는 전 세계 국가들에 시사하는 바가 큽니다.

주요 특허 보유자에 대한 상세한 이해를 위해 상위 4개 국가 및 지역을 선정하고, CM 원소별로 특허 양수인을 분석했습니다(그림 6 참조).

중남대학은 전체 특허 및 코발트 특허 분야에서 가장 많은 특허를 출원했으며, 광둥 브룬프 리사이클링 테크놀로지(Guangdong Brunp Recycling Technology Co.)는 리튬 특허를 가장 많이 보유하고 있습니다. 일본에서는 스미토모 금속광산(Sumitomo Metal Mining Co. Ltd.)이 최대 특허 보유자이며, 그 뒤를 이어 JX 니폰 마이닝 앤 메탈스(JX Nippon Mining & Metals Corp.)가 다수의 핵심 금속 분야에서 활발히 특허를 출원하고 있습니다. 한국의 경우 팔라듐 관련 특허가 가장 많으며, 특히 한국에너지기술연구원이 주도하고 있습니다. 이러한 분석은 아시아 지역에 핵심 금속 관련 연구가 집중되어 있음을 보여줍니다.

핵심 금속, 핵심적인 미래

핵심 금속 시장은 세계 경제에서 상당한 비중을 차지하며 성장하고 있으며, 금속 범주별로 시장 가치에 큰 차이를 보입니다. 리튬 시장은 올해 111억 달러에 이를 것으로 전망되며, 전기차 및 전자제품의 배터리 수요 증가에 힘입어 코발트 시장도 지속적인 성장세를 보이고 있습니다. 현재 코발트 시장 규모는 170억 달러로 평가됩니다. PGM 시장은 2024년 216억 달러로 평가되었으며 2025년에는 227억 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 희토류(REE) 시장은 출처에 따라 평가액이 다르지만, 2025년에는 약 40억 달러에서 80억 달러 이상에 이를 것으로 추정되어 시장의 복잡성과 급격한 변화를 반영하고 있습니다.

이러한 금속들은 스마트폰, 컴퓨터, 전기차, 재생 에너지 시스템을 구동하는 한 현대 경제에 없어서는 안 될 필수 요소로 남을 것입니다. 지정학적 긴장과 무역 정책은 가격 변동성과 수급 불균형을 심화시킬 수 있으므로, 기업들은 이러한 불확실한 환경을 헤쳐 나가기 위해 강력한 조달 전략과 포괄적인 공급망 매핑을 구축해야 합니다.

보다 지속 가능한 추출 및 분리 기술을 향한 흐름은 이러한 과제를 해결하는 데 도움이 될 수 있으며, 지속적인 연구 투자는 환경 영향을 줄이는 동시에 효율성을 개선하는 혁신적인 성과를 가져올 것입니다. 과학 문헌과 특허의 증가는 전통적인 처리 방식을 변화시킬 수 있는 유망한 혁신이 이루어지고 있음을 시사합니다.

환경적 지속 가능성을 높여 핵심 금속을 더 많이 추출하게 되면, 현대 생활의 기반이 되는 전자 기기를 구동하는 데 필요한 핵심 원소를 더 안정적으로 확보할 수 있게 됩니다. 다행히 새롭고 더 나은 방법론에 대한 전망은 밝으며, 이는 오늘날은 물론 미래의 기술 엔진을 위한 긍정적인 미래를 의미합니다.