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희토류 원소

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목차

1. 개요

희토류 원소는 화학적 성질이 유사하여 분리하기 어렵지만, 독특한 특성으로 인해 다양한 첨단 기술 분야에 필수적으로 사용되는 17가지 원소를 지칭한다. 경희토류와 중희토류로 분류되며, 전자제품, 배터리, 자석, 촉매, 조명 등 다양한 분야에 활용된다. 과거에는 중국이 희토류 생산을 독점하며 가격 및 공급을 통제했으나, 환경 오염 문제와 지정학적 갈등으로 인해 생산 및 재활용 기술 개발, 수입 다변화 노력이 이루어지고 있다.

2. 분류

희토류는 가벼운 희토류(경희토류)와 무거운 희토류(중희토류)로 나뉜다.[252] 경희토류는 주로 원자 번호가 낮은 란타넘족 원소들로 구성되어 전자기기, 배터리, 자석 등에 사용되며, 중희토류는 원자 번호가 높은 란타넘족 원소들로 구성되어 고급 자석, 촉매, 조명 및 기타 특수 응용 분야에 사용된다.[252]

과거에는 희토류 원소를 분리하기 위해 반복적인 침전 또는 결정화 방법을 사용했다.[22] 첫 번째 분리는 세륨족과 이트륨족의 두 주요 그룹으로 이루어졌으며, 유로퓸, 가돌리늄, 터븀은 별도 그룹(터븀족)으로 간주되거나 세륨족 또는 이트륨족에 포함되었다.[22] 이러한 구분은 희토류 이중 황산염의 나트륨 및 칼륨과의 용해도 차이에서 비롯되었다.[23] 세륨족은 용해도가 낮고, 터븀족은 약간 용해되며, 이트륨족은 매우 잘 용해된다.[23] 오늘날에는 경희토류 원소 또는 중희토류 원소로 분류된다.

희토류 원소의 분류는 저자들마다 일관성이 없다.[25] 일반적으로 원자 번호 57부터 61까지(란타넘부터 프로메튬까지)의 희토류 원소는 경희토류로 분류되고, 원자 번호 62 이상은 중희토류 원소로 분류된다.[27] 경희토류와 중희토류 사이에서 원자 번호가 증가하고, 일련의 원소에서 원자 반지름이 감소함에 따라 화학적 변화가 발생한다.[27] 유로퓸은 두 가지의 원자가 상태(Eu2+와 Eu3+)를 가지므로 이 분류에서 제외된다.[27] 이트륨은 화학적 유사성 때문에 중희토류 원소로 분류된다.[40]

스칸듐과 이트륨을 제외한 15개 원소는 란타넘족이다. 란타넘족 중에서, 가돌리늄보다 원자량이 작은 원소(La~Eu)를 경희토류 원소(LREE/light rare-earth element영어), 무거운 원소(Gd~Lu)를 중희토류 원소(HREE/heavy rare-earth element영어)라고 부른다.[194]

3. 주요 희토류 원소

희토류 금속 특성 개요
Z기호이름어원주요 응용 분야풍부도[8][9]
(ppm)
21Sc스칸듐라틴어 Scandia(스칸디나비아)에서 유래.항공 우주 부품용 경량 알루미늄-스칸듐 합금, 금속 할로겐 램프 및 수은 증기 램프의 첨가제,[10] 정유 공장의 방사성 추적제22
39Y이트륨최초의 희토류 광석이 발견된 예테르비, 스웨덴 마을을 따서 명명되었습니다.이트륨 알루미늄 가넷 (YAG) 레이저, 텔레비전 적색 형광체에서 유로퓸의 호스트인 이트륨 바나데이트(YVO), YBCO 고온 초전도체, 이산화지르코늄 (YSZ)(치아 크라운에 사용, 내화 물질로 사용 - 제트 엔진에 사용되는 금속 합금, 엔진 및 산업용 가스 터빈의 코팅, 전기 세라믹 - 뜨거운 물 용액의 산소 및 pH 측정, 즉 연료 전지, 세라믹 전해질 - 고체 산화물 연료 전지에 사용, 보석 - 경도 및 광학 특성, DIY 고온 세라믹 및 물 기반 시멘트), 이트륨 철 가넷 (YIG) 마이크로파 필터,[10] 에너지 효율적인 전구(형광 튜브, CFL 및 CCFL의 삼중 형광체 백색 형광체 코팅의 일부, 백색 LED의 황색 형광체 코팅),[11] 점화 플러그, 가스 맨틀, 강철, 알루미늄 및 마그네슘 합금의 첨가제, 암 치료, 카메라 및 굴절 망원경 렌즈(높은 굴절률 및 매우 낮은 열팽창률로 인해), 배터리 음극(LYP)33
57La란타넘그리스어 "lanthanein"에서 유래, "숨겨져 있다"는 의미.높은 굴절률과 알칼리 내성 유리, 부싯돌, 수소 저장, 배터리 전극, 카메라 및 굴절 망원경 렌즈, 유동 촉매 분해 촉매(정유 공장용)39
58Ce세륨세레스 왜행성에서 유래, 로마 농업의 여신의 이름을 따서 명명되었습니다.화학적 산화제, 연마 분말, 유리 및 세라믹의 황색, 자동 세척 오븐의 촉매, 유동 촉매 분해 촉매(정유 공장용), 철세륨 라이터 부싯돌, 터빈 블레이드용 강력한 본질적 소수성 코팅[12]66.5
59Pr프라세오디뮴그리스어 "prasios"(부추 녹색)와 "didymos"(쌍둥이)에서 유래.희토류 자석, 레이저, 탄소 아크 조명의 핵심 재료, 유리 및 유리질 에나멜의 착색제, 디디뮴 유리의 첨가제, 용접 고글에 사용,[10] 철세륨 파이어스틸(부싯돌) 제품, 단일 모드 광섬유 증폭기(불화 유리의 도펀트)9.2
60Nd네오디뮴그리스어 "neos"(새로운)와 "didymos"(쌍둥이)에서 유래.희토류 자석, 레이저, 유리 및 세라믹의 보라색, 디디뮴 유리, 세라믹 축전기, 전기 자동차의 전기 모터41.5
61Pm프로메튬인간에게 불을 가져다준 티탄 프로메테우스에서 유래.원자 전지, 야광 페인트[13]
62Sm사마륨광산 관계자 바실리 사마르스키-비호베츠에서 유래.희토류 자석, 레이저, 중성자 포획, 메이저, 제어봉(원자로의)7.05
63Eu유로퓸유럽 대륙에서 유래.적색 및 청색 형광체, 레이저, 수은 증기 램프, 형광 램프, NMR 완화제2
64Gd가돌리늄희토류 연구에 대한 그의 조사를 기리기 위해 요한 가돌린 (1760–1852)에서 유래.고굴절 유리 또는 가닛, 레이저, X선 튜브, 컴퓨터 버블 메모리, 중성자 포획, MRI 조영제, NMR 완화제, 강철 및 크롬 합금 첨가제, 자기 냉각(상당한 자열 효과 사용), 양전자 방출 단층 촬영 섬광체 검출기, 자기 광학 필름의 기판, 고성능 고온 초전도체, 고체 산화물 연료 전지에 사용되는 세라믹 전해질, 산소 검출기, 아마도 자동차 배기가스의 촉매 변환에 사용될 수 있음.6.2
65Tb터븀스웨덴의 예테르비 마을에서 유래.네오디뮴 기반 자석의 첨가제, 녹색 형광체, 레이저, 형광 램프(백색 삼중 밴드 형광체 코팅의 일부), 자왜 합금(테르페놀-D 등), 해군 소나 시스템, 연료 전지의 안정제1.2
66Dy디스프로슘그리스어 "dysprositos"에서 유래, "얻기 어렵다"는 의미.네오디뮴 기반 자석의 첨가제, 레이저, 자왜 합금(테르페놀-D 등), 하드 디스크 드라이브5.2
67Ho홀뮴발견자 중 한 명의 고향인 스톡홀름(라틴어로는 "Holmia")에서 유래.레이저, 광학 분광 광도계용 파장 보정 표준, 자석1.3
68Er어븀스웨덴의 예테르비 마을에서 유래.적외선 레이저, 바나듐강, 광섬유 기술3.5
69Tm툴륨신화적인 북쪽 땅인 툴레에서 유래.휴대용 X선 기계, 금속 할로겐 램프, 레이저0.52
70Yb이터븀스웨덴의 예테르비 마을에서 유래.적외선 레이저, 화학적 환원제, 미끼 플레어, 스테인리스강, 변형률 게이지, 핵의학, 지진 감시3.2
71Lu루테튬나중에 파리가 된 도시인 루테티아에서 유래.양전자 방출 단층 촬영 – PET 스캔 검출기, 고굴절 유리, 형광체용 루테튬 탄탈레이트 호스트, 정유 공장에 사용되는 촉매, LED 전구0.8



여섯 번째 열 원소의 이름을 기억하는 연상 기호는 "Lately college parties never produce sexy European girls that drink heavily even though you look"(최근 대학 파티에서는 아무리 봐도 섹시한 유럽 여자들이 술을 많이 마시는 경우는 없었다)이다.[14]

4. 역사

희토류 원소는 주로 광물의 구성 성분으로 발견되었다. 1787년 스웨덴 예테르비 마을의 채석장에서 칼 악셀 아레니우스 중위가 발견한 "이트르바이트"(1800년에 가돌리나이트로 개명)에서 이트륨이 발견되었으며, 아직까지 본 적이 없었기 때문에 "희귀"하다고 명명되었다.[16] 아레니우스의 "이트르바이트"는 투르쿠 왕립 아카데미 교수인 요한 가돌린에게 전달되었고, 그의 분석 결과 미지의 산화물("토양"은 당시 지질학 용어[16])이 나왔으며, 그는 이를 이트리아라고 불렀다. 안데르스 구스타브 에케베르그는 가돌리나이트에서 베릴륨을 분리했지만, 광석에서 다른 원소를 인식하지 못했다. 1794년 이 발견 이후, 스웨덴 리다르히탄 근처의 바스트네스에서 발견된 광물이 철–텅스텐 광물로 여겨졌지만, 옌스 야코브 베르셀리우스와 빌헬름 히싱거에 의해 재검토되었다. 1803년 그들은 흰색 산화물을 얻어 세리아라고 불렀다. 마르틴 하인리히 클라프로트는 독립적으로 동일한 산화물을 발견하고 이를 ''오크로이아''라고 불렀다. 연구자들이 세리아와 이트리아 두 광석에 다른 원소가 포함되어 있다는 것을 알아내는 데에는 30년이 더 걸렸다(희토류 금속의 유사한 화학적 성질 때문에 분리가 어려웠다).

1839년, 베르셀리우스의 조수였던 카를 구스타브 모산데르는 질산염을 가열하고 생성물을 질산에 용해시켜 세리아를 분리했다. 그는 가용성 염의 산화물을 ''란타나''라고 불렀다. 그는 란타나를 더 분리하여 ''디디미아''와 순수한 란타넘으로 만드는 데 3년이 더 걸렸다.

1842년 모산데르는 이트리아를 순수한 이트리아, 테르비아, 에르비아의 세 가지 산화물로 분리하기도 했다(모든 이름은 "예테르비"라는 마을 이름에서 유래). 핑크색 염을 내는 토양은 ''터븀'', 노란색 과산화물을 생성하는 것은 ''에르븀''이라고 불렀다.

1842년, 알려진 희토류 원소의 수는 6개에 달했다: 이트륨, 세륨, 란타넘, 디디뮴, 에르븀, 터븀.

닐스 요한 베를린과 마르크 들라퐁텐도 조야한 이트리아를 분리하려 했고, 모산데르가 얻은 것과 같은 물질을 발견했지만, 베를린은 핑크색 염을 내는 물질을 (1860년) ''에르븀''이라고 명명했고, 들라퐁텐은 노란색 과산화물을 가진 물질을 ''터븀''이라고 명명했다. 이러한 혼란은 여러 새로운 원소에 대한 잘못된 주장을 낳았다.[17][18] 금속 분리의 어려움 (및 분리가 완료되었는지 확인)으로 인해, 발견된 것으로 추정되는 총 수는 수십 개[17][18]에 달했으며, 어떤 이들은 총 발견 수를 100개가 넘는다고 보기도 한다.[19]

1879년, 마르크 들라퐁텐은 광학 화염 분광법을 사용하여 디디미아에서 몇 개의 새로운 스펙트럼 선을 발견했다. 또한 1879년, 폴 에밀 르콕 드 보이스바드랑은 광물 사마르스키석으로부터 새로운 원소 ''사마륨''을 분리했다. 1886년 르콕 드 보이스바드랑과 장 샤를 갈리사르 드 마리냑은 사마륨에서 가돌리늄을 분리하였다.

1886년에서 1901년 사이에 윌리엄 크룩스, 르콕 드 보이스바드랑, 그리고 외젠-아나톨 데마르세에 의한 사마리아, 이트리아, 사마르스키석에 대한 추가적인 분광 분석 결과, 1901년에 ''유로퓸''이 생성되었다.

1839년에는 희토류의 세 번째 소스가 가능해졌다. 남부 우랄 산맥의 미아스에서 채취한 ''우라노탄탈럼''(현재는 "사마르스키석"으로 불림) 광물은 구스타프 로제에 의해 문서화되었다. 러시아 화학자 R. 하르만은 이 광물에 "일메늄"이라고 불리는 새로운 원소가 존재해야 한다고 주장했지만, 이후 크리스티안 빌헬름 블롬스트란드, 갈리사르 드 마리냑, 그리고 하인리히 로제는 그 안에서 탄탈과 니오브 (콜럼븀)만을 발견했다.

존재하는 희토류 원소의 정확한 수는 매우 불분명했으며, 최대 25개로 추정되었다. 헨리 귄 제프리스 모즐리에 의한 X선 스펙트럼 (X선 결정학에 의해 얻어짐)의 사용은 원소에 원자 번호를 할당하는 것을 가능하게 했다. 모즐리는 란탄족의 정확한 수가 15개여야 하지만, 원소 61번은 아직 발견되지 않았다는 것을 발견했다.

X선 결정학에서 얻은 원자 번호에 대한 이러한 사실을 사용하여, 모즐리는 하프늄 (원소 72번)이 희토류 원소가 아닐 것임을 또한 보여주었다. 모즐리는 하프늄이 발견되기 수년 전인 1915년 제1차 세계 대전에서 사망했다. 따라서 조르주 위르뱅이 원소 72번을 발견했다고 주장한 것은 사실이 아니었다.

5. 산지

세계의 희토류 산출량 (1950~2000)


1948년까지는 인도와 브라질의 모래 광산이 희토류의 주요 생산지였다. 1950년대 들어 남아프리카 공화국이 새로운 희토류의 주요 산지로 떠올랐다. 1960년대에서 1980년대까지는 미국 캘리포니아주 남부의 마운틴패스 광산이 주 산지였다. 현재 인도와 브라질, 남아프리카 공화국에서도 희토류 원소가 산출되기는 하지만, 세계 희토류 생산지 1위는 중국이다. 중국은 세계 희토류 원소 공급의 37%를 차지하며, 거의 대부분 내몽골 지방에서 산출된다.[253]

한국에서는 충주시와 태안군

충주시 남서부의 옥천 누층군 계명산층에는 철과 희토류 원소 광상이 발달한다. 이 지역의 계명산층은 석영편암, 석영-운모편암, 석영-장석편암, 함철규암 그리고 소규모 암주 내지 암맥상으로 분포하는 알칼리 화강암으로 구성된다. 희토류 원소 광상은 계명산층 중 특히 알칼리 화강암 기원의 석영-장석편암과 밀접하게 수반되어 발달하며 대체로 북동-남서 주향으로 분포한다. 확인된 폭은 10~30 m, 연장은 1.2 km이며 희토류 광물은 석영-장석편암 내 소규모 렌즈상 또는 판상으로 유색광물과 선구조를 형성하며 수반된다. 희유원소 광석 중 갈렴석 맥상형 광물의 희토류 함량이 가장 높다.[254][255]

태안군 소원면 영전리의 철마산(213.5 m) 일대의 지질은 선캄브리아기 소근리층과 대기리층 및 이를 관입한 화강편마암, 엽리상 흑운모화강암, 엽리상 운모화강암, 염기성암맥 및 산성암맥으로 구성되며, 희토류 광화작용이 화강암질편마암과 엽리상 운모화강암에서 관찰되었다. 화강편마암의 경희토류원소 함량은 란타넘(14.2~316 ppm, 세륨 204~672 ppm, 네오디뮴 11~240 ppm 등이다. 철마산 일대의 희토류 광물인 바스트네사이트(bastnaesite)와 퍼구소나이트(fergusonite)는 화강편마암과 엽리상 운모화강암 형성 시 희토류 원소 및 토륨이 구성광물 내에 소량 함유되어 있었으며 그 후 계속된 화성 활동 및 변성 작용에 의하여 기존 광물 내에 함유되어 있던 희토류 원소가 재농집되어 형성된 것으로 추정된다. 방사능 수치는 소근리층이 420 cps 이하, 화강편마암이 최대 2,200 cps이다.[256]

''y''축은 대수 척도이며, 백만 개의 Si 원자당 지구 지각 내 원소의 풍부도


차트에서 볼 수 있듯이 희토류 원소는 많은 일반적인 전이 금속과 유사한 농도로 지구에서 발견된다. 가장 풍부한 희토류 원소는 세륨으로 실제로 지구 지각에서 25번째로 풍부한 원소이며, 68ppm(구리와 거의 동일)을 차지한다. "희토류"는 매우 희소하며, 프로메튬은 안정적인(비방사성) 동위원소를 가지지 않고 그 다음(즉, 더 높은 원자 번호)에 안정적인 원소가 있는 두 개의 원소 중 하나이다(다른 하나는 테크네튬이다).[31]

희토류 원소는 종종 함께 발견된다. 지구의 순차적인 성장 동안 밀도가 높은 희토류 원소는 행성의 더 깊은 부분에 통합되었다. 용융 물질의 초기 분화는 희토류를 맨틀 암석에 크게 포함시켰다.[32] 희토류의 강한 자기장과 큰 이온 반경으로 인해 대부분의 암석 형성 광물의 결정 격자와 양립할 수 없으므로 희토류는 용융상이 존재할 경우 강하게 분할된다.[32] 희토류는 화학적으로 매우 유사하며 분리하기 항상 어려웠지만, 란타넘족 수축이라고 불리는 경희토류(LREE)에서 중희토류(HREE)로의 이온 반경의 점진적인 감소는 경희토류와 중희토류 사이의 광범위한 분리를 생성할 수 있다. LREE의 더 큰 이온 반경은 일반적으로 HREE보다 암석 형성 광물에서 더 양립할 수 없으며 용융상으로 더 강하게 분할되는 반면, HREE는 특히 가넷과 같은 HREE 호환 광물을 포함하는 경우 결정 잔류물에 남아 있는 것을 선호할 수 있다.[32][33] 결과적으로 부분 용융으로 형성된 모든 마그마는 항상 HREE보다 LREE의 농도가 더 높으며, 개별 광물은 이온 반경의 범위가 결정 격자에 가장 잘 맞는 방법에 따라 HREE 또는 LREE가 지배할 수 있다.[32]

제노타임은 HREE를 포함하고, 모나자이트 상은 LREE를 우선적으로 포함한다. HREE의 작은 크기는 지구 맨틀을 구성하는 암석 형성 광물에서 더 큰 고체 용해도를 허용하며, 따라서 이트륨과 HREE는 운석 풍부도에 비해 세륨과 LREE보다 지구 지각에서 덜 농축된다. 이것은 경제적 결과가 있다. LREE의 대규모 광상은 전 세계적으로 알려져 있으며 개발되고 있다. HREE의 광상은 더 희귀하고, 작고, 덜 농축되어 있다. 현재 HREE 공급량의 대부분은 중국 남부의 "이온 흡착 점토" 광석에서 발생한다.[34]

|thumb|1950–2000년 세계 생산량|upright=1.5]]

1948년까지 세계 희토류의 대부분은 사광상 모래 퇴적물에서 채취되었으며, 그 지역은 인도와 브라질이었다. 1950년대에는 남아프리카 공화국이 세계 희토류 공급원이었으며, 웨스턴케이프주 스테인캠프스클랄 광산의 모나자이트가 풍부한 암초에서 생산되었다.[41] 1960년대부터 1980년대까지 캘리포니아의 마운틴 패스 희토류 광산으로 인해 미국이 선두 생산국이 되었다. 오늘날에도 인도와 남아프리카 공화국의 매장지에서 희토류 정광이 일부 생산되고 있지만, 중국 생산 규모에 비하면 미미한 수준이다. 2017년, 중국은 세계 희토류 공급량의 81%를 생산했으며, 그 대부분은 내몽골 자치구에서 이루어졌다.[7][42] 하지만 중국이 보유한 매장량은 36.7%에 불과하다. 호주는 세계 생산량의 15%를 차지하며 두 번째로 큰 생산국이다.[43] 다금속 바얀오보 매장지와 같은 중국의 희토류 공급원에서 모든 세계의 중희토류(디스프로슘 등)가 공급된다.[42][44]

희토류 원소(REE)는 새로운 혁신적인 기술에 필수적이기에 수요가 증가하고 있다. 희토류 원소가 필요한 새로운 제품으로는 스마트폰, 디지털 카메라, 컴퓨터 부품, 반도체 등 첨단 기술 장비가 있다. 또한, 이 원소들은 신재생 에너지 기술, 군사 장비, 유리 제조, 야금 산업에서 더 널리 사용된다.[46]

수요 증가로 공급에 부담이 가해지고 있으며, 세계가 곧 희토류 부족에 직면할 수 있다는 우려가 커지고 있다.[47] 2013년에는, 유럽 연합(EU)의 희토류 의존도, 희토류 원소가 다른 원소로 대체될 수 없다는 점, 낮은 재활용률로 인해 REE에 대한 수요가 증가할 것이라고 언급되었다. 또한, 수요 증가와 공급 부족으로 인해 향후 가격이 상승할 것으로 예상되며, 중국 외 다른 국가에서도 REE 광산을 개설할 가능성이 있다.[49]

미얀마의 카친 주는 세계 최대의 희토류 원산지이다.[64] 2021년, 중국은 2021년 12월에 미얀마로부터 상당의 희토류를 수입했으며, 이는 2만 톤을 넘어섰다.[65] 2010년대 후반에 중국-미얀마 국경을 따라 치프웨 타운십의 팡 워 인근에서 희토류가 발견되었다.[66] 중국은 환경에 미치는 유해한 영향으로 인해 국내 광산을 폐쇄함에 따라 희토류 채굴을 카친 주로 대폭 아웃소싱했다.[65] 중국 기업과 광부들은 정부 허가 없이 카친 주에서 불법적으로 사업을 시작했으며, 대신 타트마도 산하 국경 경비대 민병대와 협력하여 중앙 정부를 우회했다. 이 민병대는 과거 신민주군 – 카친으로 알려졌으며, 이러한 채굴 산업에서 이익을 얻었다.[65][67] 기준으로 카친 주에서 싱가포르 면적을 포함하는 300곳에서 2,700개의 광산 채취장이 발견되었으며, 이는 2016년 이후 기하급수적으로 증가한 것이다.[65] 또한, 채굴 작업을 수행하기 위해 현지 주민들로부터 토지가 몰수되었다.[65]

중국의 희토류 수출 규제 강화와 수요 증가의 결과로 일부 국가에서는 희토류 자원을 비축하고 있다.[68] 오스트레일리아, 브라질, 캐나다, 남아프리카 공화국, 탄자니아, 그린란드, 미국 등지에서 대체 자원 탐사가 진행 중이다.[69] 1990년대에 중국이 세계 시세보다 낮은 가격으로 희토류를 판매하면서 이들 국가의 광산이 폐쇄되었으며, 많은 진입 장벽으로 인해 생산을 재개하는 데 몇 년이 걸릴 것이다.[52][70]

|thumb|400px|세계 희토류 생산량 1950년 - 2000년
(미국 내무부(Department of the Interior) 지질 조사소의 데이터로 작성)]]

희토류의 지상 산지는 편재되어 있지만, 2009년 시점에서는 비용 문제로 매장량 비율이 30%인 중국(내몽골)이 세계 생산량(추정 12.4만 톤/년)의 97% 이상을 차지하며 독점적인 지위를 확보하고 있었다[201][202]。

  • 카자흐스탄: 2017년 현재 채굴 실적 없음.[203][204]
  • 인도 (도요타 통상)：2013년부터 일본으로 수출。
  • 베트남：Dong Pao (도요타 통상, 소지쓰)：2013년부터 일본으로 수출。
  • 오스트레일리아：Duddo, 2013년부터 일본으로 수출。
  • 오스트레일리아 (소지쓰)：Mount Weld, 2013년부터 일본으로 수출。
  • 오스트레일리아：Nolan's Bore, 2014년 생산 시작。
  • 오스트레일리아：올림픽 댐
  • 오스트레일리아：Eneabba
  • 남아프리카 공화국：Steenkampskraal, 2012년 생산 시작。
  • 미국：Mountain Pass, 2012년 생산 시작。
  • 캐나다 노스웨스트 준주：토어 레이크(Thor Lake), 2014년 생산 시작。
  • 캐나다 서스캐처원주：호이다스 레이크(Hoidas Lake), 2014년 생산 시작。
  • 미국：마운틴 패스
  • 그린란드：Kvanefjeld, 2014년 생산 시작。
  • 오스트레일리아：Nolan's Bore, 2014년 생산 시작。
  • 러시아 무르만스크주：로보제로 광상[205]


2013년 3월, 해양연구개발기구와 도쿄 대학의 연구팀은 오키노토리 섬 근해 수심 5800m 해저 퇴적물을 분석한 결과, 고농도의 희토류가 포함된 퇴적물(희토류 흙)을 발견[206]。일본의 망간 광상에 화강암을 상회하는 비율로 희토류 원소가 함유되어 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 화력 발전소 등의 집진기에서 회수되는 석탄 및 석유의 재에도 포함되어 있어, 향후 이용 촉진이 예측된다. 또한, 해저의 망간 단괴 및 코발트 리치 크러스트, 열수 광상 등의 해양 자원도 공급원으로 검토되고 있다. 미국에서는 캘리포니아의 광상에서 희토류 원소 채굴이 재개될 전망이 있다[201]。

2018년 4월, 와세다 대학의 타카야 유타로 강사와 도쿄 대학의 카토 야스히로 교수의 연구팀은, 일본의 최동단에 위치한 오키노토리 섬 (도쿄도) 주변 해저에 있는 희토류의 자원량이 세계 소비량의 수백 년분에 해당하는 1600만 톤 이상에 달한다는 것을 밝혀냈다[207]。

연구팀은 오키노토리 섬 남쪽에 있는 약 2500제곱킬로미터 해역에서 해저 샘플을 25곳에서 채취해 희토류 농도를 분석했다. 그 결과, 하이브리드 자동차 등의 강력한 자석에 사용되는 디스프로슘은 세계 수요의 730년분, 레이저 등에 사용되는 이트륨은 780년분에 해당했다.

연구팀은 또한 희토류를 효율적으로 회수하는 기술도 확립했다. 희토류를 높은 농도로 포함하는 생물의 이빨과 뼈를 구성하는 인산칼슘에 주목했다. 원심력을 사용하여 분리한 결과, 농도는 2.6배로 높아졌다. 이는 중국의 육상에 있는 광상의 20배에 해당하는 농도이다.

디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 중희토류는 중국 남부의 이온 흡착형 광상이라고 불리는 특수한 풍화 광상에서만 생산되고 있었다[208][209]。향후 수요가 증가할 것으로 예상되는 하이브리드 자동차 및 전기 자동차용 고출력 모터의 자석에 디스프로슘(Dy)과 터븀(Tb)을 첨가함으로써 보자력이 높아지기 때문에, 중희토류의 부족이 우려되었다. 그러나 2012년 11월에 카자흐스탄의 중희토류 정제 시설이 개소됨으로써, 최초의 중국 이외 중희토류 생산장이 되었다.

== 중국의 희토류 ==

중국의 장시성


내몽골 자치구


중국에서 희토류 산업이 발전한 지역은 장시성과 내몽골 자치구 등의 지역이 대표적이다.[257] 장시성은 중국의 주요 희토류 생산기지 중 하나이며, '''이온형 희토류''' 매장량은 중국 전체 매장량의 60% 이상을 차지한다.[258] 또한 희토류 광산업 '''밸류체인'''을 형성하여 일부 희토류 종류의 경우 전 세계 생산량의 70% 이상을 차지하고 있다.[258] 내몽골 자치구의 희토류는 바오터우 '''바이윈어보''' 광산에 집중되어 있는데, 바오터우내 확인된 희토류 매장량은 7,900만 톤으로 중국 총매장량의 85% 이상을 차지하며, 전 세계 총매장량의 40%를 차지한다.[259]

이러한 우려는 주요 공급국인 중국의 행동으로 인해 더욱 심화되었다.[51] 특히 중국은 수출 규제와 밀수 단속을 발표했다.[52] 2009년 9월 1일, 중국은 희소 자원 보존 및 환경 보호를 위해 2010~2015년 수출 쿼터를 연간 35,000톤으로 줄일 계획을 발표했다.[53] 2010년 10월 19일, 익명의 상무부 관리를 인용한 ''차이나 데일리''(China Daily)는 중국이 "귀금속의 과도한 채굴을 막기 위해 내년에 희토류 수출 쿼터를 최대 30%까지 더 줄일 것"이라고 보도했다.[54] 베이징 정부는 더 작은 규모의 독립 광산 업체들을 국영 기업으로 합병하거나 폐쇄하도록 강제하면서 통제를 더욱 강화했다. 2010년 말, 중국은 2011년 희토류 수출 쿼터의 1차 할당량이 14,446톤으로, 2010년 1차 쿼터에 비해 35% 감소했다고 발표했다.[55] 중국은 2011년 7월 14일, 연간 총 생산량이 93,800톤으로 제한된 가운데, 하반기 수출 쿼터를 30,184톤으로 추가 발표했다.[56] 2011년 9월, 중국은 전체 희토류 생산량의 거의 40%를 차지하는 8개의 주요 희토류 광산 중 3곳의 생산 중단을 발표했다.[172]

2012년 3월, 미국, 일본, 유럽 연합은 이러한 수출 및 생산 제한에 대해 세계 무역 기구(WTO)에서 중국과 대립했다. 중국은 환경 보호를 염두에 두고 제한을 시행했다고 주장했다.[57][182] 미국, 일본, 유럽 연합은 2012년 중국을 상대로 세계 무역 기구에 공동 소송을 제기했으며, 중국이 그렇게 중요한 수출을 거부해서는 안 된다고 주장했다.[182] 2012년 8월, 중국은 생산량을 20% 추가 감축할 것이라고 발표했다.[58]

2014년 8월 29일, 세계 무역 기구는 중국이 자유 무역 협정을 위반했다고 판결했으며, 세계 무역 기구는 주요 판결 요약에서 "국내외 제한의 전반적인 효과는 국내 채굴을 장려하고 중국 제조업체가 해당 자재를 우선적으로 사용하도록 보장하는 것"이라고 밝혔다. 중국은 2014년 9월 26일에 이 판결을 이행할 것이라고 선언했지만, 이행하는 데 시간이 필요할 것이라고 밝혔다. 2015년 1월 5일까지 중국은 희토류 수출에 대한 모든 쿼터를 해제했지만, 수출 허가는 여전히 필요할 것이다.[61]

디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 중희토류는 중국 남부의 이온 흡착형 광상이라고 불리는 특수한 풍화 광상에서만 생산되고 있었다.[208][209]

2019년, 중국은 17가지 희토류 분말에 대한 세계 수요의 85%에서 95%를 공급했으며, 그중 절반은 미얀마에서 조달했다.[62] 해당 국가의 2021년 군사 쿠데타 이후, 핵심 광석의 미래 공급이 제한될 가능성이 있었다. 또한 중화인민공화국이 미국과 EU 국가가 부과한 경제 제재에 대응하기 위해 희토류 수출을 다시 줄일 수 있다는 추측도 있었다. 희토류 금속은 전기 자동차 제조 및 첨단 군사 응용 분야의 중요한 재료로 사용된다.[63]

== 희토류 생산의 지정학적 문제 ==

미국 지질 조사국에서 1956년부터 2008년까지의 희토류 산화물 생산 추세에 대한 그래프
1956-2008년 희토류 산화물 생산 추세 (USGS)


중국은 희토류 생산을 독점하여, 이를 전략적 자원으로 활용하고 있다.[51][176] 1992년 덩샤오핑은 "중동에는 석유가 있지만, 중국에는 희토류가 있다"고 언급하며 희토류의 중요성을 강조했다.[210][211] 중국은 쉬광셴의 연구와 정부의 863계획을 통해 희토류 기술을 발전시켰고,[213] 2000년대 후반에는 세계 희토류 생산량의 95% 이상을 차지하게 되었다.[215][216]

중국의 희토류 생산 집중은 낮은 생산 비용에 기인한다. 중국은 희토류 채굴 과정에서 발생하는 방사성 물질인 토륨 처리에 대한 규제가 상대적으로 느슨하여, 낮은 비용으로 희토류를 생산할 수 있다.[217]

중국 정부는 2006년부터 희토류 자원 보호 정책을 강화하며 수출 쿼터를 줄여왔다.[218] 이는 선진국들이 자국의 매장량을 보존하고 중국의 희토류를 저렴하게 구매하는 상황에 대한 대응으로 해석된다.[219] 2010년 센카쿠 열도 중국 어선 충돌 사건 이후, 중국은 일본에 대한 희토류 수출을 제한하며 자원 민족주의적 경향을 보였다.[178][179][180][182]

이에 따라, 미국, 일본, 유럽 연합 등은 2012년 중국을 세계 무역 기구(WTO)에 제소했고,[182] WTO는 중국의 자유 무역 협정 위반을 판결했다.[61] 중국은 2015년 희토류 수출 쿼터를 폐지했지만, 수출 허가는 여전히 필요하다.[61]

미국 에너지부는 2010년 보고서에서 디스프로슘을 가장 중요한 희토류 원소로 꼽았다.[183] 미국은 아프가니스탄 등에서 희토류 매장지를 조사하고 있으며,[185] 와이오밍주에서는 대규모 희토류 매장지가 발견되기도 했다.[102]

미중 무역 전쟁 과정에서 미국은 중국산 희토류에 대한 의존도를 줄이기 위해 노력하고 있다.[237] 미국 국방부는 중국의 희토류 수출 규제 가능성에 대비하여 연방 정부에 자금 지원을 요청하기도 했다.[244][245]

최근에는 유럽 연합도 중국에 대한 희토류 의존도를 낮추기 위한 정책을 추진하고 있다.[37][99][100] 2023년 EU의 핵심 원자재법은 리튬 이온 배터리 생산 확대를 목표로 한다.[37] 노르웨이에서는 유럽 최대 규모의 희토류 매장지가 발견되기도 했다.[103]

대한민국도 희토류의 중국 의존도를 낮추기 위해 노력하고 있다. 센카쿠 열도 분쟁 이후, 일본은 희토류 수입 다변화를 통해 대중 의존도를 낮추는 데 성공했지만,[227] 여전히 중희토류는 중국에 의존하고 있다.[232] 대한민국도 일본과 유사한 상황에 직면해 있으며, 정부와 민간 기업은 희토류 사용 저감 기술 개발, 재활용 기술 개발, 비축 확대, 수입 다변화 등을 추진하고 있다.

5. 1. 중국의 희토류

중국에서 희토류 산업이 발전한 지역은 장시성과 내몽골 자치구 등의 지역이 대표적이다.[257] 장시성은 중국의 주요 희토류 생산기지 중 하나이며, '''이온형 희토류''' 매장량은 중국 전체 매장량의 60% 이상을 차지한다.[258] 또한 희토류 광산업 '''밸류체인'''을 형성하여 일부 희토류 종류의 경우 전 세계 생산량의 70% 이상을 차지하고 있다.[258] 내몽골 자치구의 희토류는 바오터우 '''바이윈어보''' 광산에 집중되어 있는데, 바오터우내 확인된 희토류 매장량은 7,900만 톤으로 중국 총매장량의 85% 이상을 차지하며, 전 세계 총매장량의 40%를 차지한다.[259]

이러한 우려는 주요 공급국인 중국의 행동으로 인해 더욱 심화되었다.[51] 특히 중국은 수출 규제와 밀수 단속을 발표했다.[52] 2009년 9월 1일, 중국은 희소 자원 보존 및 환경 보호를 위해 2010~2015년 수출 쿼터를 연간 35,000톤으로 줄일 계획을 발표했다.[53] 2010년 10월 19일, 익명의 상무부 관리를 인용한 ''차이나 데일리''(China Daily)는 중국이 "귀금속의 과도한 채굴을 막기 위해 내년에 희토류 수출 쿼터를 최대 30%까지 더 줄일 것"이라고 보도했다.[54] 베이징 정부는 더 작은 규모의 독립 광산 업체들을 국영 기업으로 합병하거나 폐쇄하도록 강제하면서 통제를 더욱 강화했다. 2010년 말, 중국은 2011년 희토류 수출 쿼터의 1차 할당량이 14,446톤으로, 2010년 1차 쿼터에 비해 35% 감소했다고 발표했다.[55] 중국은 2011년 7월 14일, 연간 총 생산량이 93,800톤으로 제한된 가운데, 하반기 수출 쿼터를 30,184톤으로 추가 발표했다.[56] 2011년 9월, 중국은 전체 희토류 생산량의 거의 40%를 차지하는 8개의 주요 희토류 광산 중 3곳의 생산 중단을 발표했다.[172]

2012년 3월, 미국, 일본, 유럽 연합은 이러한 수출 및 생산 제한에 대해 세계 무역 기구(WTO)에서 중국과 대립했다. 중국은 환경 보호를 염두에 두고 제한을 시행했다고 주장했다.[57][182] 미국, 일본, 유럽 연합은 2012년 중국을 상대로 세계 무역 기구에 공동 소송을 제기했으며, 중국이 그렇게 중요한 수출을 거부해서는 안 된다고 주장했다.[182] 2012년 8월, 중국은 생산량을 20% 추가 감축할 것이라고 발표했다.[58]

2014년 8월 29일, 세계 무역 기구는 중국이 자유 무역 협정을 위반했다고 판결했으며, 세계 무역 기구는 주요 판결 요약에서 "국내외 제한의 전반적인 효과는 국내 채굴을 장려하고 중국 제조업체가 해당 자재를 우선적으로 사용하도록 보장하는 것"이라고 밝혔다. 중국은 2014년 9월 26일에 이 판결을 이행할 것이라고 선언했지만, 이행하는 데 시간이 필요할 것이라고 밝혔다. 2015년 1월 5일까지 중국은 희토류 수출에 대한 모든 쿼터를 해제했지만, 수출 허가는 여전히 필요할 것이다.[61]

디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 중희토류는 중국 남부의 이온 흡착형 광상이라고 불리는 특수한 풍화 광상에서만 생산되고 있었다.[208][209]

2019년, 중국은 17가지 희토류 분말에 대한 세계 수요의 85%에서 95%를 공급했으며, 그중 절반은 미얀마에서 조달했다.[62] 해당 국가의 2021년 군사 쿠데타 이후, 핵심 광석의 미래 공급이 제한될 가능성이 있었다. 또한 중화인민공화국이 미국과 EU 국가가 부과한 경제 제재에 대응하기 위해 희토류 수출을 다시 줄일 수 있다는 추측도 있었다. 희토류 금속은 전기 자동차 제조 및 첨단 군사 응용 분야의 중요한 재료로 사용된다.[63]

5. 2. 희토류 생산의 지정학적 문제

중국은 희토류 생산을 독점하여, 이를 전략적 자원으로 활용하고 있다.[51][176] 1992년 덩샤오핑은 "중동에는 석유가 있지만, 중국에는 희토류가 있다"고 언급하며 희토류의 중요성을 강조했다.[210][211] 중국은 쉬광셴의 연구와 정부의 863계획을 통해 희토류 기술을 발전시켰고,[213] 2000년대 후반에는 세계 희토류 생산량의 95% 이상을 차지하게 되었다.[215][216]

중국의 희토류 생산 집중은 낮은 생산 비용에 기인한다. 중국은 희토류 채굴 과정에서 발생하는 방사성 물질인 토륨 처리에 대한 규제가 상대적으로 느슨하여, 낮은 비용으로 희토류를 생산할 수 있다.[217]

중국 정부는 2006년부터 희토류 자원 보호 정책을 강화하며 수출 쿼터를 줄여왔다.[218] 이는 선진국들이 자국의 매장량을 보존하고 중국의 희토류를 저렴하게 구매하는 상황에 대한 대응으로 해석된다.[219] 2010년 센카쿠 열도 중국 어선 충돌 사건 이후, 중국은 일본에 대한 희토류 수출을 제한하며 자원 민족주의적 경향을 보였다.[178][179][180][182]

이에 따라, 미국, 일본, 유럽 연합 등은 2012년 중국을 세계 무역 기구(WTO)에 제소했고,[182] WTO는 중국의 자유 무역 협정 위반을 판결했다.[61] 중국은 2015년 희토류 수출 쿼터를 폐지했지만, 수출 허가는 여전히 필요하다.[61]

미국 에너지부는 2010년 보고서에서 디스프로슘을 가장 중요한 희토류 원소로 꼽았다.[183] 미국은 아프가니스탄 등에서 희토류 매장지를 조사하고 있으며,[185] 와이오밍주에서는 대규모 희토류 매장지가 발견되기도 했다.[102]

미중 무역 전쟁 과정에서 미국은 중국산 희토류에 대한 의존도를 줄이기 위해 노력하고 있다.[237] 미국 국방부는 중국의 희토류 수출 규제 가능성에 대비하여 연방 정부에 자금 지원을 요청하기도 했다.[244][245]

최근에는 유럽 연합도 중국에 대한 희토류 의존도를 낮추기 위한 정책을 추진하고 있다.[37][99][100] 2023년 EU의 핵심 원자재법은 리튬 이온 배터리 생산 확대를 목표로 한다.[37] 노르웨이에서는 유럽 최대 규모의 희토류 매장지가 발견되기도 했다.[103]

대한민국도 희토류의 중국 의존도를 낮추기 위해 노력하고 있다. 센카쿠 열도 분쟁 이후, 일본은 희토류 수입 다변화를 통해 대중 의존도를 낮추는 데 성공했지만,[227] 여전히 중희토류는 중국에 의존하고 있다.[232] 대한민국도 일본과 유사한 상황에 직면해 있으며, 정부와 민간 기업은 희토류 사용 저감 기술 개발, 재활용 기술 개발, 비축 확대, 수입 다변화 등을 추진하고 있다.

6. 가격

다음은 54개 희소 원소의 가격이다. 대부분 2010년 6월 기준이며, 일부는 2009년 또는 1998년 기준이다. USGS와 그 외 자료를 참고하여 달러와 엔을 원으로 환산하였기 때문에, 약간의 오차가 있을 수 있다.

원소가격 (원/1g)
백금64,300
팔라듐20,200
루테늄11,900
오스뮴41,000
이리듐34,100
로듐101,000
망간3.6~3.7
코발트59~66
바나듐20
크롬12~13
니켈30~32
갈륨960
몰리브덴190~220
인듐890~960
텅스텐100~101
스칸듐20,480
이트륨50
란탄15
세륨13
프라세오디뮴50
네오디뮴50
프로메튬데이터 없음.
사마륨23
유로퓸7,370
가돌리늄450
테르븀740
디스프로슘314
홀뮴1,365
에르븀820
툴륨7,370
이테르븀1,750
루테튬8,460
리튬396
베릴륨61
붕소109,200
티탄15
게르마늄1,770~1,910
셀렌41
루비듐13,650
스트론튬76
지르코늄113
니오브109~123
안티몬13
텔루르164
세슘19,110
바륨59,000
하프늄740
탄탈1,780~2,460
레늄4,230~5,320
탈륨6,420
비스무트26~29
토륨340(산화물)
우라늄102(산화물)
넵투늄데이터 없음
플루토늄4,700,000


7. 활용

희토류가 주목받는 것은 독특한 화학적·전기적·자성적·발광적 특징과 함께 탁월한 방사선 차폐 효과를 가지고 있기 때문이다. 광섬유 제조에 사용되는 가돌리늄이나 어븀은 미량만 첨가해도 빛의 손실이 일반 광섬유의 1%까지 낮아진다. 터븀을 사용한 합금은 열을 가하면 자성을 잃고 냉각시키면 자성을 회복하는 특성을 이용해 정보를 입력·기록할 수 있는 음악용 MD나 광자기디스크를 만드는 데 이용된다. 이 밖에도 스마트폰, 하이브리드 자동차, 고화질TV, 풍력 발전, 태양광 발전, 항공우주산업 등 첨단산업에서는 희토류가 안 쓰이는 곳이 없다.[251] 또한 희토류는 의료용 산업분야의 소재 및 철강 등 구조용 합금의 필수 첨가원소로써 미래 신산업의 핵심적 재료라 볼수있다.[260]

화학 교수 안드레아 셀라에 따르면, 희토류 원소는 다른 원소와 달리 분석적으로 볼 때 거의 분리할 수 없을 정도로 화학적 성질이 거의 동일하다는 점에서 차이가 있다. 그러나 전자적 및 자기적 특성 측면에서 각 원소는 다른 어떤 것으로도 대체할 수 없는 독특한 기술적 틈새를 차지한다.[127] 예를 들어, "희토류 원소 프라세오디뮴 (Pr)과 네오디뮴 (Nd)은 모두 유리 안에 넣을 수 있으며, 유리 불기를 할 때 불꽃의 눈부심을 완전히 차단한다."[127]

희토류 원소의 용도, 적용 분야, 수요는 수년에 걸쳐 확대되어 왔다. 전 세계적으로 대부분의 희토류는 촉매와 자석에 사용된다.[128] 미국에서는 희토류의 절반 이상이 촉매에 사용되며, 세라믹, 유리, 연마도 주요 용도이다.[129]

희토류 원소의 다른 중요한 용도로는 고성능 자석, 합금, 유리, 전자 제품 생산이 있다. 세륨(Ce)과 란타넘(La)은 촉매로 중요하며 석유 정제 및 디젤 배기가스 저감제로 사용된다. 네오디뮴(Nd)은 전통적인 기술과 저탄소 기술에서 자석 생산에 중요하다. 이 범주의 희토류 원소는 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 전기 모터, 일부 풍력 터빈의 발전기, 하드 디스크 드라이브, 휴대용 전자 제품, 마이크 및 스피커에 사용된다.

세륨(Ce), 란타넘(La) 및 네오디뮴(Nd)은 합금 제조, 연료 전지 및 니켈-수소 배터리 생산에 중요하다. 세륨(Ce), 갈륨(Ga) 및 네오디뮴(Nd)은 전자 제품에 중요하며 LCD 및 플라즈마 스크린, 광섬유, 레이저,[130] 및 의료 영상에 사용된다. 희토류 원소의 추가적인 용도로는 의료 분야, 비료 및 수처리에서의 추적 물질이 있다.[40]

희토류는 농업에서 식물 성장, 생산성 및 스트레스 저항성을 증가시키기 위해 사용되어 왔으며, 인간과 동물의 섭취에 부정적인 영향은 없는 것으로 보인다. 희토류는 중국에서 널리 사용되는 관행인 희토류가 함유된 비료를 통해 농업에 사용된다.[131] 또한, 희토류는 가축의 사료 첨가제로, 더 큰 동물 생산, 더 높은 계란 및 유제품 생산과 같은 생산량 증가를 가져왔다. 그러나 이러한 관행은 가축 내 희토류 생체 축적을 초래했으며, 이러한 농업 지역의 식물 및 조류 성장에 영향을 미쳤다.[136] 또한 현재의 낮은 농도에서는 부작용이 관찰되지 않았지만, 장기적으로 그리고 시간에 따른 축적에 따른 영향은 알려지지 않아, 잠재적 영향에 대한 더 많은 연구가 필요하다는 주장이 제기되고 있다.[131][148]

희토류 원소를 포함하는 재료는 다음의 두 가지로 나눌 수 있다.


  • 4f 전자 기반의 물성을 이용하는 재료

: 발광 재료, 자성체 등

  • 이온 반지름이나 전하 등 희토류 특유의 화학적 성질을 이용하는 재료

: 촉매, 고체 전해질, 산화물 고온 초전도체, 수소 저장 합금, 발광 재료의 모결정 등

희토류는 축전지나 발광 다이오드, 자석 등 전자기기 제품의 성능 향상에 필수적인 재료이다. 희토류 원소, 특히 란타넘족은 전자 배치가 일반적인 원소와 다르기 때문에 물리적으로 특이한 성질을 나타낸다. 수소 저장 합금, 2차 전지 원료, 광학 유리, 강력한 희토류 자석, 형광체, 연마재 등의 재료가 된다. 마그네슘 합금에 미량 첨가하여 기계적 특성을 향상시킨다.

희토류 종류와 용도 예시[195]
용도21
Sc		39
Y		57
La		58
Ce		59
Pr		60
Nd		61
Pm		62
Sm		63
Eu		64
Gd		65
Tb		66
Dy		67
Ho		68
Er		69
Tm		70
Yb		비고
자석・자성체 재료◎◎○○○불쌍 전자 갖는 것
광 디스크○○○
광자기 디스크○
형광체○○○○Eu:적, Tb:녹, Y:적
레이저○○○○○○○
광섬유 증폭기○○
콘덴서○○○
수소 저장 합금○
초전도 재료○○○고온 초전도
광학 유리○○고굴절률, 저분산



=== 환경 오염 ===

희토류 원소를 채굴, 정제, 재활용하는 과정에서 섬세함이 부족하면 심각한 환경 오염이 발생할 수 있다. 특히 토륨이나 우라늄을 추출하는 과정에서 발생하는 방사능을 내뿜는 광미와[261] 정제 과정에서 사용되는 유독성 산성 물질이 주요 문제점으로 지적된다.[266] 이러한 물질의 부적절한 처리는 광범위한 환경 피해를 야기할 수 있다.[137][138]

2010년 5월, 중국은 환경 및 자원 보호를 위해 불법 희토류 채굴을 집중 단속하겠다고 발표했다.[262] 이 캠페인은 주로 남부 지역에서 이루어졌으며,[139] 소규모 농촌 지역의 불법 광산에서 유독성 폐기물을 수자원에 배출하는 경향이 있기 때문이다.[42][140] 중국 정부는 1980년대부터 환경보호법, 환경영향평가 등 10개 이상의 희토류 산업 관련 환경 관리 법규와 제도를 제정하여 희토류 개발 및 이용과 생태 환경의 조화로운 발전을 추구해왔다.[263]

바옌오보 광산의 가상 컬러 위성 사진, 2006년


일반적으로 희토류 원소 1톤을 추출하는 과정에서 약 2,000톤의 폐기물이 발생하며, 이 중 일부는 독성이 있고 방사성 폐기물 1톤을 포함한다.[134] 중국 최대 희토류 광산인 바옌오보에서는 70,000톤 이상의 방사성 폐기물이 발생하여 지하수를 오염시켰다.[134] 광산 및 산업 현장 인근에서는 희토류 원소 농도가 정상 수준보다 수 배 높게 나타날 수 있다.[135]

말레이시아에서는 1982년 부킷 메라 방사성 오염 사건 이후, 2011년에 1억 달러 규모의 정화 사업이 진행되었다.[106] 후쿠시마 원자력 사고 이후에는 라이너스 정유소에서 발생하는 방사성 폐기물을 둘러싸고 쿠안탄에서 대규모 시위가 벌어지기도 했다.[167]

환경에 유입된 희토류 원소는 토양으로 침출될 수 있으며, 침식, 풍화, pH, 강수, 지하수 등 다양한 요인에 의해 이동한다.[135] 금속과 유사하게 작용하여 토양 조건에 따라 이동하거나 토양 입자에 흡착될 수 있다.[135] 생물학적 이용 가능성에 따라 식물에 흡수된 후 인간과 동물에게 섭취될 수 있으며, 희토류 원소 채굴, 희토류 원소 강화 비료 사용, 인 비료 생산 등이 희토류 원소 오염의 원인이 된다.[135] 희토류 원소 추출 과정에서 사용되는 강산은 수역을 산성화시킬 수 있으며, 이산화 세륨과 같은 첨가물은 토양 및 수질 오염에 기여한다.[136]

희토류 원소 채굴은 생산 지역 주변의 토양과 물을 오염시켜 엽록소 생산 감소를 통해 식생에 영향을 미치고, 광합성을 저해하여 식물의 성장을 억제한다.[136] 그러나 모든 식물이 희토류 원소를 흡수하는 것은 아니며, 흡수 능력은 토양에 존재하는 희토류 원소의 종류에 따라 달라진다.[157] 농작물 중에서는 사과와 사탕무가 희토류 원소를 흡수하고 저장할 가능성이 높다.[135] 수생 환경으로 침출된 희토류 원소는 수생 식물에 흡수되어 생물 농축을 통해 인간의 먹이 사슬에 들어갈 수 있다.[157]

적절한 안전 기준을 따른다면 희토류 원소 채굴은 비교적 영향이 적을 수 있지만, 새로운 기술에 희토류 원소의 적용이 증가함에 따라 인체에 안전한 노출 수준을 이해하는 것이 중요해지고 있다.[159]

=== 재활용 기술 ===

최근 전자 폐기물 및 기타 폐기물에서 희토류 성분을 추출하는 재활용 기술이 발전하면서, 희토류 재활용의 중요성이 커지고 있다.[119][120] 일본에서는 재활용 공장이 운영되어 미사용 전자제품에서 약 30만 톤의 희토류를 회수하고 있다.[121] 프랑스에서는 로디아 그룹이 라 로셸과 생퐁에 연간 200톤의 희토류를 생산하는 공장 2곳을 설립할 예정인데, 이는 사용된 형광등, 자석 및 배터리에서 추출될 예정이다.[122][123] 석탄[124] 및 석탄 부산물(예: 재 및 슬러지)도 희토류 원소의 잠재적 공급원으로, 추정량은 5천만 톤에 달한다.[125]

일반적으로 최종 제품에서 재활용되는 희토류 원소(REE)는 약 1%에 불과하지만,[145] 최근 REE 재활용 및 재사용에 대한 관심이 높아지고 있다. 이는 REE가 대부분 작은 전자 부품에 미량으로 존재하고 화학적으로 분리하기 어렵기 때문이다.[146] REE 재활용은 환경 오염 완화 및 재활용 효율 증가에 기여할 수 있다. 2004년 연구에 따르면, 순환적인 공급망은 추출 지점에서의 오염을 완화하는 데 도움이 된다.[148] 2014년 연구에서는 폐 니켈-수소 배터리에서 REE를 95.16% 회수하는 방법이 제시되었다.[149]

현재 REE의 안전한 공급을 위해 1차 자원(REE 함유 광석, 토양층 점토 퇴적물,[154] 해저 퇴적물, 석탄 비산회[155] 등)과 2차 자원(전자, 산업 폐기물 및 도시 폐기물)이 고려된다. 특히 전자 폐기물은 상당한 농도의 REE를 포함하고 있어 REE 재활용의 주요 대상이지만, 현재 전자 폐기물의 12.5%만이 재활용되고 있다.[146]

한 연구에서는 플라이 애시와 카본 블랙을 혼합한 후, 이 혼합물에 1초 동안 전류 펄스를 가하여 3000°C까지 가열하는 방법을 개발했다. 이 공정은 기존 방식보다 적은 양의 염산을 사용하여 두 배나 많은 물질을 추출할 수 있다.[126] 다른 연구에서는 강한 유기 리간드인 구연산염과 옥살산염을 사용하여 석탄 비산회에서 REE를 회수하는 친환경 시스템을 개발했으며, 이들은 REE와 착화합물을 형성하거나 침전시킬 수 있다.[156]

7. 1. 환경 오염

희토류 원소를 채굴, 정제, 재활용하는 과정에서 섬세함이 부족하면 심각한 환경 오염이 발생할 수 있다. 특히 토륨이나 우라늄을 추출하는 과정에서 발생하는 방사능을 내뿜는 광미와[261] 정제 과정에서 사용되는 유독성 산성 물질이 주요 문제점으로 지적된다.[266] 이러한 물질의 부적절한 처리는 광범위한 환경 피해를 야기할 수 있다.[137][138]

2010년 5월, 중국은 환경 및 자원 보호를 위해 불법 희토류 채굴을 집중 단속하겠다고 발표했다.[262] 이 캠페인은 주로 남부 지역에서 이루어졌으며,[139] 소규모 농촌 지역의 불법 광산에서 유독성 폐기물을 수자원에 배출하는 경향이 있기 때문이다.[42][140] 중국 정부는 1980년대부터 환경보호법, 환경영향평가 등 10개 이상의 희토류 산업 관련 환경 관리 법규와 제도를 제정하여 희토류 개발 및 이용과 생태 환경의 조화로운 발전을 추구해왔다.[263]

일반적으로 희토류 원소 1톤을 추출하는 과정에서 약 2,000톤의 폐기물이 발생하며, 이 중 일부는 독성이 있고 방사성 폐기물 1톤을 포함한다.[134] 중국 최대 희토류 광산인 바옌오보에서는 70,000톤 이상의 방사성 폐기물이 발생하여 지하수를 오염시켰다.[134] 광산 및 산업 현장 인근에서는 희토류 원소 농도가 정상 수준보다 수 배 높게 나타날 수 있다.[135]

말레이시아에서는 1982년 부킷 메라 방사성 오염 사건 이후, 2011년에 1억 달러 규모의 정화 사업이 진행되었다.[106] 후쿠시마 원자력 사고 이후에는 라이너스 정유소에서 발생하는 방사성 폐기물을 둘러싸고 쿠안탄에서 대규모 시위가 벌어지기도 했다.[167]

환경에 유입된 희토류 원소는 토양으로 침출될 수 있으며, 침식, 풍화, pH, 강수, 지하수 등 다양한 요인에 의해 이동한다.[135] 금속과 유사하게 작용하여 토양 조건에 따라 이동하거나 토양 입자에 흡착될 수 있다.[135] 생물학적 이용 가능성에 따라 식물에 흡수된 후 인간과 동물에게 섭취될 수 있으며, 희토류 원소 채굴, 희토류 원소 강화 비료 사용, 인 비료 생산 등이 희토류 원소 오염의 원인이 된다.[135] 희토류 원소 추출 과정에서 사용되는 강산은 수역을 산성화시킬 수 있으며, 이산화 세륨과 같은 첨가물은 토양 및 수질 오염에 기여한다.[136]

희토류 원소 채굴은 생산 지역 주변의 토양과 물을 오염시켜 엽록소 생산 감소를 통해 식생에 영향을 미치고, 광합성을 저해하여 식물의 성장을 억제한다.[136] 그러나 모든 식물이 희토류 원소를 흡수하는 것은 아니며, 흡수 능력은 토양에 존재하는 희토류 원소의 종류에 따라 달라진다.[157] 농작물 중에서는 사과와 사탕무가 희토류 원소를 흡수하고 저장할 가능성이 높다.[135] 수생 환경으로 침출된 희토류 원소는 수생 식물에 흡수되어 생물 농축을 통해 인간의 먹이 사슬에 들어갈 수 있다.[157]

적절한 안전 기준을 따른다면 희토류 원소 채굴은 비교적 영향이 적을 수 있지만, 새로운 기술에 희토류 원소의 적용이 증가함에 따라 인체에 안전한 노출 수준을 이해하는 것이 중요해지고 있다.[159]

7. 2. 재활용 기술

최근 전자 폐기물 및 기타 폐기물에서 희토류 성분을 추출하는 재활용 기술이 발전하면서, 희토류 재활용의 중요성이 커지고 있다.[119][120] 일본에서는 재활용 공장이 운영되어 미사용 전자제품에서 약 30만 톤의 희토류를 회수하고 있다.[121] 프랑스에서는 로디아 그룹이 라 로셸과 생퐁에 연간 200톤의 희토류를 생산하는 공장 2곳을 설립할 예정인데, 이는 사용된 형광등, 자석 및 배터리에서 추출될 예정이다.[122][123] 석탄[124] 및 석탄 부산물(예: 재 및 슬러지)도 희토류 원소의 잠재적 공급원으로, 추정량은 5천만 톤에 달한다.[125]

일반적으로 최종 제품에서 재활용되는 희토류 원소(REE)는 약 1%에 불과하지만,[145] 최근 REE 재활용 및 재사용에 대한 관심이 높아지고 있다. 이는 REE가 대부분 작은 전자 부품에 미량으로 존재하고 화학적으로 분리하기 어렵기 때문이다.[146] REE 재활용은 환경 오염 완화 및 재활용 효율 증가에 기여할 수 있다. 2004년 연구에 따르면, 순환적인 공급망은 추출 지점에서의 오염을 완화하는 데 도움이 된다.[148] 2014년 연구에서는 폐 니켈-수소 배터리에서 REE를 95.16% 회수하는 방법이 제시되었다.[149]

현재 REE의 안전한 공급을 위해 1차 자원(REE 함유 광석, 토양층 점토 퇴적물,[154] 해저 퇴적물, 석탄 비산회[155] 등)과 2차 자원(전자, 산업 폐기물 및 도시 폐기물)이 고려된다. 특히 전자 폐기물은 상당한 농도의 REE를 포함하고 있어 REE 재활용의 주요 대상이지만, 현재 전자 폐기물의 12.5%만이 재활용되고 있다.[146]

한 연구에서는 플라이 애시와 카본 블랙을 혼합한 후, 이 혼합물에 1초 동안 전류 펄스를 가하여 3000°C까지 가열하는 방법을 개발했다. 이 공정은 기존 방식보다 적은 양의 염산을 사용하여 두 배나 많은 물질을 추출할 수 있다.[126] 다른 연구에서는 강한 유기 리간드인 구연산염과 옥살산염을 사용하여 석탄 비산회에서 REE를 회수하는 친환경 시스템을 개발했으며, 이들은 REE와 착화합물을 형성하거나 침전시킬 수 있다.[156]

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