news

희토류의 미래: 기술 혁신과 정책 과제

aiagentx 2025. 6. 13. 07:34
728x90
SMALL

희토류 재활용 기술 동향

희토류 재활용은 신규 채굴 의존도를 낮추고, 공급망 위험을 줄이며, 효율성을 높이고, 환경 영향을 완화하는 중요한 전략이다. 재활용된 에너지 전환 광물은 신규 채굴 원료에 비해 온실가스 배출량이 평균 80% 적으며 , 향후 10년 내 자석 수요의 최대 25%를 재활용으로 충당할 수 있다는 전망도 있다.  

 
  • 주요 재활용 기술:
    • 습식제련 (Hydrometallurgical Processing): 수용액 기반 화학 용액을 사용하여 희토류를 분리한다. 구리염을 사용한 침출 공정은 특정 희토류에 대해 높은 회수율을 보인다.  
    •  
    • 건식제련 (Pyrometallurgical Processing): 고온을 이용한 제련 방식이다.  
    •  
    • 선택적 추출-증발-전기분해 (Selective Extraction-Evaporation-Electrolysis, SEEE): 교토 대학에서 개발한 기술로, 폐자석에서 Nd, Dy 등을 높은 회수율과 순도로 분리한다.  
    •  
    • 연속 크로마토그래피 (Continuous Chromatography): 미국 ReElement사가 혼합 희토류 용액에서 각 원소를 분리하는 데 적용했다.  
    •  
    • 플래시 줄 가열 (Flash Joule Heating): 라이스 대학에서 개발한 방식으로, 고전류를 이용해 희토류를 분리한다.  
    •  
    • 생물학적 침출/바이오마이닝 (Bioleaching/Biomining): 미생물(예: 남조류)을 사용하여 폐전자제품, 광석, 폐수 등에서 희토류를 추출한다. 아이다호 국립연구소(INL)가 이 분야 전문성을 보유하고 있다.  
    •  
    • 자석 대 자석 재활용 (Magnet-to-Magnet Recycling): 폐자석을 개별 금속 산화물로 환원하지 않고 직접 새로운 자석으로 가공하여 효율성을 높이고 탄소 발자국을 줄인다.  
    •  
  • 주요 기업 및 이니셔티브: 솔베이, 히타치 금속, 유미코아, 오스람 리히트, 에너지 퓨얼스, 글로벌 텅스텐 & 파우더스, REEcycle Inc. 등이 있다. EU의 EIT RawMaterials도 관련 활동을 지원한다. 캐나다 지오메가는 재활용 시범 공장을 운영 중이다. 미국 에너지부의 ReElement 프로그램은 2025년까지 전기차 배터리에서 희토류 회수율 90% 달성을 목표로 한다.  
  •  
  • 경제성 및 과제:
    • 수익성이 있을 수 있으나, 원자재 가격 변동에 민감하다.  
    •  
    • 폐기물 수거 및 분류의 어려움, 제품의 복잡성, 규모의 경제 달성 등의 과제가 남아있다.  
    •  
    • 유상 재활용(toll-based recycling), 수익 공유 등 혁신적인 사업 모델이 경제성 확보에 도움이 될 수 있다.  
    •  
    • 구리염을 사용한 자석 100톤 재활용 시, 32톤의 REO와 100만 달러 이상의 수익이 발생할 수 있다는 분석도 있다.  
    •  

대체재 및 신자석 기술 연구

희토류, 특히 디스프로슘이나 터븀과 같은 중희토류에 대한 의존도를 줄이기 위한 대체재 연구가 활발히 진행 중이다.  

 
  • 질화철 (Iron Nitride, Fe₁₆N₂):
    • 미국 나이론 마그네틱스(Niron Magnetics)의 "클린 어스 마그넷®(Clean Earth Magnet®)"은 질화철 기반으로 핵심 광물을 사용하지 않는다.  
    •  
    • 높은 자기 성능, 우수한 온도 안정성을 가지며, 풍부한 원료(철, 질소)를 사용한다.  
    •  
    • 나이론 마그네틱스는 상업용 파일럿 플랜트를 운영 중이며 본격적인 양산 공장 건설을 계획하고 있다. 생산 공정에서 메탄올과 같은 유해 용매를 에탄올 등 안전한 물질로 대체하는 연구도 진행 중이다.  
    •  
  • 망간-알루미늄-탄소화물 (MnAlC) 및 MnAlGa:
    • 풍부한 원소로 구성되어 재조명받고 있다.  
    •  
    • 셰필드 대학은 자기 성능이 향상된 MnAlGa를 연구 중이다.  
    •  
  • 기타 연구 동향: 미국 에너지부는 유사하거나 향상된 특성을 가진 대체재 발견을 위한 기초 연구에 자금을 지원하고 있다. 아이다호 국립연구소(INL)와 MITRE/몬태나 주립대학 등도 대체재 연구에 참여하고 있다.  
  •  

환경 및 ESG (환경·사회·지배구조) 고려사항

  • 전통적 채굴의 환경 영향: 노천 채굴은 막대한 에너지를 소비하며, 산성 물질 및 중금속을 포함한 수질 오염, 방사성 폐기물(예: 토륨) 발생, 생태계 파괴, 유해 가스 배출 등의 환경 문제를 야기한다. 중국 바얀오보 광산은 심각한 오염 사례로 자주 언급된다.  
  •  
  • 다변화 노력과 ESG 기준: 핵심광물안보파트너십(MSP)은 국제적으로 인정받는 높은 ESG 기준을 충족하는 프로젝트만을 지원할 것을 약속하고 있다.  
  •  
  • 지속 가능한 대안: 재활용 및 신소재 개발은 환경 발자국 감소를 목표로 한다.  
  •  
  • 중국의 입장 변화: 중국 역시 과거의 환경 문제로 인해 자국 내 산업을 통합하고 규제하려는 움직임을 보이고 있으며, 이는 부분적으로 불법 채굴을 근절하려는 목적도 있다. 그러나 역사적으로 느슨했던 환경법규가 중국의 가격 경쟁력 우위에 기여한 측면도 있다.  
  •  

희토류 재활용 및 대체재 연구는 유망하지만, 중국의 기존 생산 방식과 경쟁할 수 있는 수준의 비용 효율성을 달성하고 산업 수요를 충족할 만큼 기술을 확장하는 데에는 상당한 어려움이 따른다. 재활용 기술은 실험실이나 파일럿 규모에서는 높은 회수율을 보이지만 , 경제성은 중국이 시장 가격에 영향을 미칠 수 있는 희토류 가격 변동과 폐기물 수거·분류 비용에 민감하다. 질화철 자석과 같은 대체재는 상용화 초기 단계에 있으며 , 기존 NdFeB 자석 시장을 대체하기까지는 시간이 더 필요하다. 중국이 수십 년간 투자하여 구축한 규모의 경제와 비용 우위는 단기간에 따라잡기 어렵다. 따라서 기술적 돌파구 마련과 더불어, 이러한 신기술의 경제적 격차를 해소하고 민간 투자를 유치하기 위해서는 보조금, 가격 하한제, ESG 기반 조달 등 지속적인 정책 지원이 필수적이다. 결국 희토류 문제 해결을 위해서는 다각적인 전략이 요구된다. 대체재 및 재활용 기술 R&D를 적극 추진하는 동시에, 중국의 시장 지위에 따른 경제적·지정학적 현실을 고려하여 중기적으로는 안정적인 주요 희토류 공급원을 확보하는 노력이 병행되어야 한다.  

 

표 4: 희토류 대체 기술 및 재활용 기술 비교 분석

기술/접근법 주요 대상/회수 물질 현 개발 단계 보고된 효율/성능 주요 장점 주요 과제/한계 주요 관련 기업/기관 주요 데이터 출처
습식제련 재활용 Nd, Pr, Dy, Tb 등 혼합 REO 상용화/개선 중 구리염 사용 시 특정 REE 98% 회수 가능 기존 인프라 활용 가능, 다양한 공급원 처리 가능 화학 약품 사용, 폐수 처리, 복잡한 분리 공정 Solvay, Umicore, Hitachi Metals, Energy Fuels  
 
 
 
 
건식제련 재활용 혼합 REO 연구/일부 상용화   대량 처리 가능성, 특정 불순물 제거 용이 고에너지 소비, 특정 원소 손실 가능성, 배출 가스 관리    
 
선택적 추출-증발-전기분해 (SEEE) Nd, Dy (자석) 연구/파일럿 Nd 96%, Dy 91% 회수, 순도 >90% 높은 회수율 및 순도, 환경 친화적 공정 가능성 상용화 규모 확장, 비용 효율성 검증 교토 대학  
 
 
연속 크로마토그래피 혼합 REE 초기 상용화   기존 산업 기술 응용, 효율적 분리 가능성 수지 수명, 처리량, 특정 REE 분리 선택도 ReElement (미국)  
 
플래시 줄 가열 혼합 REE 연구   신속한 분리, 유해 화학물질 포집 설계 고온 공정 에너지 효율, 대규모 적용 가능성 라이스 대학  
 
생물학적 침출 (Bioleaching) 다양한 REE (폐기물, 저품위 광석) 연구/시범   저비용 원료 사용 가능, 친환경적 느린 반응 속도, 낮은 농도, 미생물 배양 및 관리 INL, 일부 연구기관  
 
 
 
 
질화철 (Fe₁₆N₂) 자석 REE 대체 자석 초기 상용화 고성능 (BHmax, 온도 안정성), 저렴한 원료 REE 불필요, 공급망 안정성 대규모 양산 기술, NdFeB 자석 대비 성능/비용 경쟁력 확보 Niron Magnetics  
 
 
 
 
망간-알루미늄-탄소화물 (MnAlC) 자석 REE 대체 자석 연구/재조명 일부 REE 자석과 유사 성능 가능성 풍부한 원료 사용 자기 특성 최적화, 상용화 기술 개발 셰필드 대학 등 연구기관  
728x90