산업폐자원(도시광산) 희소(희토류)소재 회수연구개발 및 산업동향

 김택수 한국생산기술연구원 희소금속산업기술센터 센터장

Ⅰ. 도시광산의 정의
광산은 묻혀있는 석탄·석유·광석 등의 유용광물을 채굴하는 장소를 말하며, 이러한 광산은 지하광산, 해양광산, 대기광산, 우주광산으로 구분되어 지는 것이 일반적인 정의이다. 하지만 1988년 일본 도호쿠 대학교 선광제련연구소의 미치오 난죠 교수가 새로운 차원의 광산인 도시광산의 개념을 제시하였다. 금속 자원의 수요는 매년 증가하고 있으나 지구에 매장된 양이 매우 적고 몇 몇 국가에 치우쳐 매장돼 있어 독점 생산을 하는 등 확보가 어려우므로 이를 기존 폐가전 등에서 추출하여 재사용 하자는 아이디어였다. 도시광산의 개념을 살펴보면 지하의 천연자원은 채굴량이 증가하면서 고갈되지만 실제로 자원은 사라지는 것이 아니라 지상으로 이동할 뿐이라는 것이다. 즉, 지구상 자원의 총량은 일정하게 유지되면서 지하자원이 줄어들고, 지상자원이 늘어나고 있다는 말이다.
지하의 금속 자원은 채굴되어서 원료로 사용되어 전기·전자제품, 자동차 등 각종 제품 속에서 그 형태를 탈바꿈 한다. 소비 루트로 이동된 제품 속의 금속자원들은 소비자가 제품을 버리면 폐기상태의 제품 속에서 질량이 보존된 채 그대로 존재한다. 몰론 산화되고, 마모된다고 하더라도 그 질량과 양에 있어서는 큰 차이는 없다. 이와 같이 지하에서 지상으로 이동된(인류가 사용 또는 폐기한 제품에 포함된)자원을 “도시광산”으로 정의한다.1)
실제로 천연광석을 채굴할 수 있는 날은 길지가 않다. 네오븀의 경우 60여년, 베이스메털인 철 90여년, 구리는 30여년 그리고 텅스텐은 33년, 니켈은 40년 이내로 가채연한을 전망하고 있다.
특히 희소금속의 매장은 지역적 편재성으로 인해 보유국의 독점화 가능성이 높다. 이에 한국은 산업 활동의 기반이 되는 자원의 안정적 공급을 위해 해외자원개발에 많은 재원을 투입하고 있지만 자원 보유국의 자국자원 보호전략 추세로 인해 해외자원 개발의 기회가 제한되어지고 있으며, 막대한 투자비용 및 낮은 자본 회수율로 투자 리스크가 높아지고 있다. 더불어 도시광산은 자원채굴에 수반되는 환경부하가 저감된다는 점에서 주목을 받고 있다. 천연 광석을 채굴하기 위해서 산을 파헤치지 않아도 되고, 그에 따르는 광미로 인한 오염이나 지하수 오염 등의 원인을 차단할 수 있는 것이다.
도시광산은 1차 자원에 비해 높은 자원 함유량을 자랑한다. 백금류는 천연 광석 1통당 평균 약 3g밖에 포함돼 있지 않지만 자동차의 머플러에 사용되는 촉매 1개(lkg)당 1g정도가 사용되고 있어 1톤의 촉매를 모으면 광석 대비 300배 이상인 백금 1kg을 채취할 수 있다. 금의 경우 천연광석 1톤을 정련하면 순금 약 4g을 채취할 수 있으나 휴대폰 1톤에 포함된 금은 280g로 광석의 제련에 비해 70배 이상의 금을 획득할 수 있다. 2)
다음의 표는 각 폐전자제품 중 유가금속의 함량을 보여주고 이를 보유량과 비하여 국내의 도시 광산업 잠재량을 유추하고 있다.

Ⅱ. 도시광산의 국내외 동향
도시광물을 잘 활용하고 체계적으로 관리하고 있는 대표적인 나라는 단연 일본을 꼽을 수 있다. 일본 내에서도 가장 먼저 착수한 도시광산 전문 기업은 요코하마 금속으로 1960년대부터 폐기물을 처리해 오다가 1990년대 중반부터 폐기되는 PC에서 귀금속을 추출하는 사업을 시작하였다. 이 후 일본에서 처음으로 휴대폰에서 금을 추출하는 사업이 본격적으로 시작되었으며, 약 4%에 불과한 금속 채취 비율을 수작업과 습식제련방식을 통하여 약 98%이상으로 끌어 올렸다. 또한 DOWA광업, Nikko금속, Sumitomo 금속, Mitsubishi Materials와 같은 일본의 금속 생산 업체들은 자국은 물론 해외로부터 스크랩과 폐전기전자제품을 회수하거나 수입하여 2차 비철금속과 희소금속을 추출하고 있으며, 특히 DOWA 광업은 금, 은과 같은 귀금속은 물론, 동, 연, 아연, 주석, 니켈, 카드뮴, 갈륨, 인듐, 백금, 비스무트, 안티몬, 로듐, 팔라듐등 비철금속과 희소금속에 이르기 까지 거의 전 금속 자원을 재활용해 2007년 한 해 약 2300억엔(약 2조 7000억원)의 매출 실적을 기록했다. 또한 세계적인 수준의 금속 회수, 정련 과정의 고순도화 기술을 보유하고 있는 것으로 알려져 있다.3)
현재 우리나라 도시광산 기술은 선진국의 50% 수준이며 희소금속의 경우 이를 추출하여 사용화 하거나 재가공 하는 기술은 20%수준으로 희소금속 재활용을 위한 기술이 걸음마 단계라고 보는 것이 맞다. 이러한 상황에서 국내 기술로 추출이 어려운 희소금속은 일본등에 추출을 의뢰하여 재수입하고 있는 실정이다. 현재 기술적으로 낙후된 시스템에서 국내 도시광산 업체들의 상당수가 공장 가동이 원활치 못하고 영세함을 벗어나지 못하여 고도의 재처리 기술력을 확보하는데 엄두를 내지 못한다. 실제로 환경부 조사 결과를 보면 국내 재활용업체는 4128곳인데 이 가운데 3700여곳은 폐제품을 수집하는 ‘고물상’수준의 사업을 하는 업체들이다. 전문 재활용업체는 363곳에 불과하고 이 가운데 60%가량은 절단·파쇄 등 단순 업무만 하고 있다. 이 때문에 학계와 연구기관을 중심으로 다년간 기술력 확보를 위한 연구가 진행되어 왔고 현재는 정부 차원의 도시광산 순환자원화 기술 개발 사업들이 시행되고 있다. 사실 국내를 비롯 전 세계적으로 희토류 재활용은 거의 전무한 상황이나, 광종의 중요성을 감안하여 대체물질 개발 및 재활용 기술 확보에 총력을 기울이고 있는 실정이다.

현재 진행되어지는 사업들을 보면 지식경제부 차원의 청정생산기술센터에서 주관하는 에너지 자원순환 기술개발사업과 에너지관리공단에서 진행 중인 에너지 자원 기술개발사업, 교육과학기술부와 환경부가 연계해서 추진하는 자원 재활용 기술개발 프론티어사업등이 그 것이다. 또한 한국지질자원연구원도 기관 고유사업으로 “도시광석 유용광물 순환자원화 연구”를 수행 중에 있고, 한국생산기술연구원에서는 희소금속 산업기술센터를 2010년 발촉하여 전략사업을 추진하고 있어 향 후 국내 도시광산업계의 성장에 귀추가 주목된다. 특히, 전기차·신재생에너지 등 신산업육성으로 수요 급증이 예상되는 Nd(네오디움), Dy(디스프로슘)등의 희토 원료의 재자원화를 위한 기술 개발이 활발히 진행중이다. Nd-Fe-B계 소결 자석의 리사이클 기술을 자세히 살펴보면 폐자석을 수소 취화 후 분쇄시켜 스크랩을 만든 후 액체 마그네슘을 추출제로 스크랩 중의 Nd를 선택적으로 추출하여 직접 순수한 메탈로 추출하는 기술이다. 이 기술은 희토류 금속을 산화시키지 않고 선택적 추출을 함으로써 앞으로 증대가 예상되는 전기자동차등으로부터 폐기되는 자석합금에서 직접 Nd-Dy등을 회수할 수가 있다.

Ⅲ. 도시광산산업 성장을 위한 진단 및 제언
도시광산의 발전을 위해서는 장애가 되는 요소들을 파악하고 해결해나가는데 심혈을 기울여야 한다. 장애요소의 첫번째는 폐자원의 회수문제이다. 앞에서 추정된 도시광산 규모가 실제 자원화로 이어지려면, 산재된 폐기물을 한 곳에 모아야 한다. 하지만 회수 시스템 및 소비자 인식의 차원에서 수거에 한계를 가지고 있다. 예를들어 우리나라에서는 매년 약 1천 300만대의 휴대폰이 발생하지만 이중 약 40%만이 회수와 지역자치단체의 산발적인 회수 캠페인을 통해서 수거되고, 나머지 약 800만대 정도는 가정에 방치된다. 독자들의 경우에도 집의 서랍장에 과거에 사용했던 휴대폰을 1~2대 정도 보유하고 있거나 혹은 휴대폰을 새 제품으로 교환한 후 폐휴대폰을 일반 쓰레기와 같이 쓰레기 봉투에 버린 경험이 있을 것이다. 이렇게 가정에 방치된 휴대폰과 일반 쓰레기와 같이 버려서 소각 또는 매립되어지는 휴대폰의 누적량은 2006년 기준 이전 10년간 약 22,400천대(가정보관비율 20%가정)~45,000천대(가정보관비율 40%가정)의 범위로 추정된다.4) 이를 방지하기 위하여 폐가전제품의 친환경적 관리를 위한 적절한 수거 활성화 방안, 유통경로 및 관리에 대한 정밀한 분석이 요구되고 있는 실정이다. 따라서 가정에 보관중인 폐가전제품의 배출을 유도하기 위해 적극적 수거 방안을 모색해야 한다. 우선 부적절 폐기 및 처리 시 가져오는 환경적 악 영향을 지속적으로 홍보하고 대중이용 시설 등에서 수거 행사 및 캠페인을 통하여 소비자로 하여금 적극적인 참여를 유도해야 한다. 또한 소비자로부터 다양한 회수방법 도입 시 합리적이고 타당한 경제적 보상등의 인센티브 방법을 모색해야 한다. 외국의 사례를 보면 경제적 유인책의 방법으로 폐가전제품을 자선단체에 기부시 이에 대한 경제적 가치를 국가가 소득세금 반환 형식으로 다시 소비자에게 돌려주고 있다. 아울러 공병보증금제도와 같이 소비자가 폐가전제품 구매 시 폐기 비용을 일정부분 분담하도록 하여 사용 후 반납 시 그 비용을 환불해 주는 방안도 효율적인

수거 방안이 될 수 있을 것이다. 또 하나의 장애물은 현재 국내의 중소기업 개개별로 회수/해체 후 추출하는 폐기물 처리 시스템은 도시광산 사업의 확산에 적합하지 않다는 것이다. 철이나 알루미늄과 같은 기초 금속의 경우는 제품당 함유량이 많아 추출 후 처리 과정에서 부가적으로 처리해야 하는 폐기물의 양이 적지만 희소금속은 제품당 함유량이 매우 적어 리사이클링 과정에서 따로 처리해야 할 폐기물 양이 상대적으로 많게 된다. 예로 120g인 1대의 휴대폰에 6.8mg의 금이 들어있다고 가정하면 1kg의 금을 회수하는데 17톤의 휴대폰 폐기물을 처리해야 하는 것이다. 일본의 도와와 같이 폐기물 밸류 체인을 완성한 대기업에게는 큰 문제가 되지 않지만, 국내의 중소형 기업들에게는 배보다 배꼽이 더 큰 경우인 것이다. 산업의 활성화를 위해서는 회수/ 해체 후 분리/선별 단계에서 도시광산 추출 사업에 용이한 폐기물을 따로 모으고, 추출 단계에서 전문 기술을 보유한 기업에 인계되어 효율적인 추출을 유도할 수 있는 통체적인 시스템을 구축하여 부가 가치를 더욱 키워야 할 것이다. 다음 그림7은 일본 Kitakyushu Eco-Town의 예를 보여준다. 이곳은 산·학·연 협력체계를 구축하고 폐자동차 분해 공장, 폐가전 제품 분해공장, PET 재활용 공장, 폐사무기기 처리 시설 및 폐화학약품 처리 공장 등의 복합 단지가 조성되어 재활용 시스템의 효율성을 극대화 시킨 예이다.
마지막으로 희소금속 순환기술의 부재이다. 국내·외 희소금속 광산 및 도시광산 개발 노력도 희소금속 소재 기술 개발 없이는 그 효과가 반감된다. 현재 일부 회수된 희소금속들도 해외에 싼 값에 수출되어 중간소재 또는 완제품 형태로 역수입 되거나 소각·매립되어지는 실정이다. 이처럼 국내 도시광산 자원이 해외로 유출되거나 손실되어지는 것을 방지하기 위해서는 제품에 소량 다종 사용되는 희소금속을 효율적으로 회수하는 기술 개발이 필요하다. 이를 위해 분리·해체 기술, 농축 기술, 고순도 추출·정련 기술 개발이 확보되어 고품위 확보를 통한 제품의 고부가가치화가 현실화 되어야 할 것이다. 따라서 희소금속 회수 기술 개발을 위한 로드맵을 수립하고 이에 따라 기술개발을 지속적으로 추진해야 한다.
미래 신성장 동력 산업의 수요, 무역역조, 국내 수요공급, 경제성등에 의거 광물 확보 뿐만 아니라 도시광산을 통한 희소금속(희토류 포함)의 지속적 공급 시스템을 구축하는데 박차를 가해야 한다. 이를 위해서는 현재 중국 및 일본에 의존하고 있는 자원 공급 산업 시스템 개선 및 산업 기술의 확보를 위한 산·학·연·관의 종합적 노력이 동시다발적으로 진행되지 않으면 안된다.

(각주)
1) 국가청정생산지원센터 『도시광산산업 동향 및 발전과제』   2) The Environment, monthly 2009_4   3) The Environment, monthly 2009_4   4) 경기개발연구원 『도시 광산업의 현황과 과제』

김택수
충북대학교 금속공학과 학사
충북대학교 금속공학과 석사
충남대학교 금속공학과 공학박사
일본 동북대학교 공학박사
영국 옥스퍼드대학교 교환연구원
벤쳐기업 ㈜보텍스세마이컨덕터 대표이사
공주대학교 신소재공학부 교수
현재 한국생산기술연구원 희소금속산업기술센터 센터장

<캡션>
그림 1. 지상자원과 지하자원의 양적 변화
그림 2. 희소금속의 세계 매장량
그림 3. 가전제품에 사용되는 희소금속
그림 4. DOWA 공업 주식회사
그림 5. 희소금속산업기술센터 발대식
그림 6. Kitakyushu Eco-Town
표 1. 자원의 유한성

표 2. 폐전자제품 유가금속 함량 현황

표 3. 전국 폐가전제품 보유량
표 4. 도시광산업 잠재량(유가금속 함량×전국 폐가전제품 보유량)

표 5. 국내 폐금속 재활용업 현황
표 6. 국내 대표적 폐금속 재활용 사업자 현황

표 7. 국내·외 희소금속 리사이클 가능성
표 8. 정부재활용 대책 세부 추진 과제(2009)

 과제번호                    과제명           주관(협조)부서
 1. 폐금속자원 재활용 체계 강화
 1-1 생활계 폐금속 자원 재활용 범위 확대 환경부(지경부,국토부)
 1-2 사업장계 폐금속자원 재활용 번위 확대 환경부(지경부)
 1-3 특정 폐금속자원 재활용 활성화
 1-3-1 특정 폐금속자원(압수물)재활용 활성화 방안 환경부(검찰청,경찰청)
 1-3-2 특정 폐금속자원(폐무기류) 재활용 대책 국방부(환경부)
 2. 폐금속자원 수거 체계 효율화
 2-1 폐금속자원 상시 수거체계 확립 환경부
 2-2 범국민 폐금속자원 수거운동 실시 환경부
 2-3 폐금속자원 운반체계 선진화 환경부(국토부)
 3. 폐금속자원 재활용 기술개발 및 산업 경쟁력 제고
 3-1 전략 재활용 대상 금속 선정 환경부·지경부
 3-2 재활용 기술개발 수행 교과부·국토부·지경부·환경부
 3-3 폐금속자원 재활용업 육성 인프라 구축
 3-3-1 재활용 금속의 안정적 공급·수요기반 확립 조달청·지경부
 3-3-2 수집·보관 선별장 확충·관리 환경부
 3-4 폐금속자원 재활용업 지원 환경부(재정부)
 3-5 자원순환특화단지 조성 확대 및 네트워크화
 3-5-1 자원순환특화단지 조성 확대 환경부
 3-5-2 생태산업단지 확대 지경부
 3-5-3 자원순화체계 구축 환경부·지경부·국토부
 4. 폐금속자원 재활용 제도 개선 및 기반 구축
 4-1 폐금속자원 재활용 관련 제도 정비 환경부·지경부·국토부·재정부
 4-2 정보화 및 통계기반 구축 환경부(지경부)
 4-3 교육 및 홍보 전략 마련 환경부·교과부(지경부)

공동기획 : 세라믹소재정보은행 . 세라믹코리아

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2011년 4월호를 참조바랍니다.>