그림 1 희소금속의 주요 산지와 시장점유율. 특정 국가가 생산량의 절반 이상을 차지하는 경우가 대부분이다. 그만큼 불균형이 심한 자원이라는 뜻이다.

기원전 2,600년경, 이집트 제3왕조 파라오 세켐케트의 군대가 시나이반도로 진군하기 시작했다. 그의 아버지인 선대 파라오, 죠세르는 고대 이집트 최고의 재상, 임호텝의 도움으로 제국의 영토를 대폭 넓히는 위업을 달성했다. 세켐케트는 ‘몸이 강하다’라는 뜻을 지닌 그 이름답게 이집트군의 앞길을 감히 막아설 것은 없어 보였다. 군대의 위용부터 야망까지 그는 선대 파라오를 쏙 닮아 있었다. 그러나 그의 목적은 죠세르처럼 영토를 확장하는 것이 아니었다. 그는 오로지 시나이반도의 구리에만 관심이 있었을 뿐이다. 세켐케트의 원정은 인류 역사상 최초의 자원전쟁이었던 것이다.

세켐케트 이래, 인류는 희소한 자원을 두고 끊임없이 다툼을 반복해 왔다. 흔치 않은데다 땅에 붙박인 광물자원은 특히나 분쟁의 대상이 되는 경우가 많았다. 자원을 둘러싼 국제적 분쟁과 갈등은 최근까지도 끊임없이 이어진다. 때로는 지하자원이 강력한 무기가 되기도 한다. 지난해 9월, 중국과 일본은 양국 간 영토분쟁지역인 센가쿠 열도를 두고 한바탕 신경전을 벌였다. 이 싸움에서 중국의 카드는 ‘희토류 대일 수출 금지’였고 이 카드는 그대로 먹혀들어서 일본은 중국을 자극하지 않으려 소극적인 태도로 일관했다. 이는 희토류라는 금속의 중요성을 극명하게 보여주는 일화였다.

산업의 비타민, 희토류

희토류(稀土類)는 말 그대로 드물게 존재하는 광물이라는 뜻이다. 란탄족 15개 원소와 스칸듐, 이트륨으로 구성되는데, 넓게 보면 희소금속(Rare Metal)에 속한다. 희소금속이란 지각 내에 존재량이 적거나 추출이 어려운 금속자원 중 산업적 수요가 있고 앞으로 수요 신장이 예상되는 금속원소를 뜻한다. 나라마다 산업구조가 달라서 희소금속의 종류는 국가별로 조금씩 차이가 있다. 국내에서는 총 35종(56 원소)을 희소금속으로 지정해 관리하고 있다.

희토류 원소들은 독특한 물리, 화학적 성질 때문에 산업적 가치가 높다. 이들은 대부분 쉽게 산화되며 비금속과 화합물을 매우 잘 이룬다. 또한, 전자 배치가 특이하여 희토류 대부분은 강한 자기적 성질을 갖기 때문에 영구자석, 기억소자, 열 펌프 등과 같은 자기소재 산업에 주로 활용된다.

희토류가 주목받는 이유는 녹색성장에 반드시 필요한 금속이기 때문이다. 풍력이나 조력 등 친환경 발전방법은 단번에 큰 에너지를 얻기 어렵다. 따라서 이러한 발전방법을 상용화하려면 고효율 발전기 개발이 필수적이며, 이에 빠져서는 안 되는 부품이 바로 강력한 자석이다. 이러한 자석은 희토류 없이는 제작할 수 없다. 이뿐 아니라 태양전지, 기억소자, 하이브리드 자동차, 전투기 등 첨단기술 제품에는 필수라 할 정도로 희토류가 널리 이용된다.

그림 2 희토류 금속은 반도체, 전기모터, 조명기구 등의 성능을 높이는 데 널리 쓰인다. 위는 농진청 국립농업과학원이 개발한 휴대용 식중독 검사장비. 형광 검사장비에는 유로퓸, 이트륨, 바륨, 마그네슘 등 희토류 금속을 이용한다. 아래는 르노삼성자동차의 전기자동차, ‘Zoe Z.E’. 전기모터에는 네오디뮴, 충전식 배터리에는 리튬, 니켈 등이 들어간다.

첨단산업에 주로 이용되는 까닭에 희토류의 소비량은 최근 급증했다. 최근 예측에 따르면 희토류 전 세계 소비량은 연간 9%씩 증가하여 EU의 경우만 해도 2030년이 되면 희토류 수요가 지금의 3배에 이를 것이라고 한다. 문제는 희토류 생산량이 제한된 데다 이 원소들의 원자구조가 복잡하여 대체할 수 있는 신소재 개발이 쉽지 않다는 점이다. 희토류가 드문 원소는 아니지만, 채산성 문제로 인건비가 높은 곳에서는 채굴이 어렵다.

현재 세계 희토류 생산의 99%를 중국이 담당하고 있다. 센가쿠 열도 분쟁에서 보듯이 중국은 희토류 자원의 무기화 움직임을 보이고 있기도 하지만 이런 행보에는 정치·외교적인 이유만 있는 것은 아니다. 사실 경제적인 이유가 가장 큰데, 중국의 산업구조가 첨단화되면서 희토류의 자국 소비가 지속적으로 증가하고 있기 때문이다. 새로운 대규모 희토류 광산이 개발되지 않는다면 2013년경부터 중국이 생산하는 희토류는 거의 중국이 소모해야 할 처지에 이른다. 이렇게 되면 중국은 자원 무기화는 고사하고 자국 산업에 희토류를 공급하기 위해 오히려 희토류를 수입해야 하는 상황이 될 수도 있다.

우리나라로서도 희토류 수급 문제는 발등의 불이다. 우선 과도하게 중국과 일본에 의존하는 희토류 공급원을 다양화할 필요가 있다. 그 방법의 하나가 금속자원을 땅이 아닌 해저에서 확보하는 것. 해저광산을 통한 희토류확보는 육지에 광산을 개발하여 운영하는 것보다 정치적, 경제적 부담이 적은 편이라 최근 주목받고 있다. 해저자원 중 망간단괴와 망간각 등에 함유된 희토류가 자원으로서 잠재성이 있는지에 대한 연구도 최근 활발히 진행 중이다. 일본은 센가쿠 열도 분쟁을 계기로 희토류를 포함한 다양한 금속자원을 자국 배타적 경제 수역(EEZ) 내에서 개발하는 방안을 다시 연구하기 시작했다.

바다에서 찾아낸 가능성

해저 자원 중 가장 먼저 연구가 시작된 망간단괴는 지금까지 주로 니켈, 코발트, 망간 등을 얻을 목적으로 연구했으나, 최근 희토류의 중요성이 커지며 망간단괴에 함유된 희토류에 대한 관심이 높아지고 있다. 망간단괴에 함유된 희토류는 육상의 광산에 비하면 품위(品位)는 낮지만, 광체(鑛體)가 3억 6천만 톤에 이를 정도로 많아 경제성은 충분할 것으로 기대된다. 또한, 망간단괴는 백금 등 다양한 자원들도 함유하고 있어 단일 광체로부터 얻어낼 수 있는 금속자원의 종류가 많다는 것도 매력이다.

망간단괴의 이러한 자원적 특성은 망간각에도 그대로 적용된다. 망간각은 니켈, 코발트 및 소량의 희토류 외에도 텔루륨, 백금 등이 지각에 비해 짙은 농도가 함유되어 있다. 희유금속에는 포함되지 않지만, 귀금속으로 채광 가치가 매우 높은 금과 은도 평균 광체 1톤당 각각 6g, 192g씩 포함되어 있다. 망간단괴 및 망간각의 금속 품위는 동일 광구 내에서 위치별로 큰 차이가 없이 비교적 일정하여 육지의 광산보다 탐사 및 개발에 유리하다. 특히 망간각의 경우 망간단괴보다 얕은 수심 800~2,500m 범위에 분포되어 있어 채광비용이 저렴한 장점이 있다.

그림 3 해저 면에 분포하는 망간단괴. 덩어리 하나하나에 귀중한 광물자원들이 고루 들어 있다.

우리나라가 개발권을 확보한 북동태평양 공해에서 망간단괴를 캐기 시작하면 연간 300만 톤 정도의 망간단괴를 얻을 수 있고 약 2,000톤 정도의 산화희토류를 50년 이상 공급할 수 있을 것이다. 이는 2008년 현재 우리나라 희토류 수입량의 50%에 해당한다. 또한, 한국해양연구원이 남서태평양 공해지역에서 탐사한 망간각으로부터는 연간 100만 톤씩 망간각을 회수하여 연간 약 900톤 정도의 희토류를 확보할 수 있을 것이다.

이처럼 우리나라는 그동안 꾸준히 심해저 광물자원개발사업을 펼쳐온 까닭에 선진국 수준의 해양광물자원 개발기술을 갖췄지만, 바다에서 희토류를 확보하기 위해서는 아직 보완해야 할 과제가 많다. 망간단괴나 망간각에 함유된 희토류는 그 부존 형태가 아직 불분명하여 경제성을 평가하기가 어렵다. 따라서 이에 대한 연구가 필수적으로 수행되어 정련 및 제련 기술을 확보해야 한다. 또한, 바다 밑바닥에서 끌어올리는 자원인 만큼, 해저 넓은 지역을 효율적으로 탐사할 수 있는 해저 탐사체와 탐사기술 개발이 필수적이다.

그림 4 한국해양연구원의 채광로봇. 2009년 6월 30일, 경북 울진군 후포항 앞바다에서 시행한 실험에서 해저 100m의 인조 망간단괴를 성공적으로 캐냈다. 이 로봇을 개량하여 2015년에는 태평양 심해 5,000m에서 망간단괴 채굴에 도전할 계획이다.

1992년 덩샤오핑이 남순강화(南巡講話)에서 언급했던 “중동에 석유가 있다면 중국에는 희토류가 있다”라고 말한 바 있다. 20여 년이 지난 오늘날 희토류가 석유만큼이나 중요한 자원으로 부상한 지금, 덩샤오핑의 선견지명이 놀랍게 느껴질 정도다. 첨단산업 성장이 희토류를 비롯한 희소금속 확보에 달린 만큼 희소금속 ‘자원전쟁’은 지금까지보다 훨씬 치열하게 펼쳐질 것이다. 땅이 좁고 육상자원이 적은 우리로서는 바다에 적극적으로 눈을 돌려야 한다. 해양광물자원을 연구하고 개발하는 데 힘을 쏟는다면 20년 후 “중동에 석유가 있고 중국에 희토류가 있다면 우리에게는 바다가 있다”라는 말을 자신 있게 할 수도 있을 것이다.

[참고문헌]

·임우선, “광물公, 해외 희토류 광산 직접 개발”, 『동아일보』 2011년 12월 05일

·임소형, “\\\\\'첨단산업의 감초\\\\\' 희토류… 바다 속에서 캔다?”, 『한국일보』 2011년 2월 20일

·김동환, 『희토류 자원 전쟁 』 (미래의 창, 2011)

[교육팁]

*우리 주변에서 희토류를 사용하는 곳을 조사해본다.

- 자신이 사용하는 전자제품에 어떤 희토류가 사용되는지 조사해본다.

- 버려진 전자제품에 포함된 희귀 금속들은 어떻게 재활용되는지 그 과정을 조사해본다.

[교육과정]

- 중학교 3학년, 물질의 특성, 물질 변화에서의 규칙성

- 고등학교 1학년, 정보 통신과 신소재

글 / 조민행 고려대학교 화학과 교수

이한주, 하정현 한국기초과학지원연구원 서울센터 연구