희토류 영구자석의 원료 수급 동향 및 전망

이 영 주_ RIST 신금속연구본부 책임연구원

1. 희토류 산업과 영구자석
(1) 희토류 원소와 산업의 Value-Chain
산업에서는 란타나이드 족 15개 원소에 이트륨(Y), 스칸듐(Sc)를 더하여 17개의 원소를 희토류로 분류하고 있으며, 란타나이드 15개 원소는 물리화학적 성질 및 광물내 공생 특성에 따라 중희토류와 경희토류로 나뉘는데, Nd-자석에 사용되는 희토류 중 Nd는 경희토류로 Dy는 중희토류로 분류 된다. 일반적으로 중희토류가 경희토류에 비해 부존량 및 생산량이 적은 것으로 알려져 있다.

○ 란타나이드 족 (15개)
 - 경희토류 (Light rare earth elements)
란타늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디움(Pr), 네오듐(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm)
 - 중희토류 (Heavy rare earth elements)
유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘 (Dy), 홀륨(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이테븀(Yb), 류테튬(Lu)
○ 이트륨 (Y), 스칸듐 (Sc)

희토류는 지각 내 함량이 낮은 것이 아니라 농축정도가 낮고 원소간 특성이 유사하고 결합이 강해서 원소별 분리가 어려워 경제적인 추출이 어려운 특징에서 희소금속으로 분류 되며 대표적인 광물로는 베스트네사이트(bastnae-site), 이온흡착광(Ion absorption clay) 이 있다. 중국 내몽골의 광산에서 주로 생산되는 베스트네사이트는 Nd를 포함한 경희토류의 함량이 높고 중국 남방에서 주로 생산되는 이온흡착광은 Dy를 포함한 중희토류와 Y의 함량이 높다. 희토류 원광의 채광비율은 베스트네사이트가 60% 이상을 차지하며 이어서

이온흡착광, 모나자이트 순이다.
전 세계 희토류 매장량은 154백만 톤으로 중국(55백만 톤), 독립국가 연합(19백만 톤) 미국(13백만 톤) 등에 매장되어 있는 것으로 알려져 있으나 2008년 전세계 희토류 생산량 124천 톤 중 중국의 생산량은 120천 톤으로 전 세계 생산량의 97%를 점유하고 있다.(2)

희토류 산업의 value chain은 크게 『광산개발 → 희토류 화합물의 분리/정제 → 환원/정련을 통한 희토류 금속제조 → 소재화』로 크게 구분할 수 있다. 이 중에서 ‘광산’, ‘분리/정제’ 및 ‘환원/정련’ 등 희토류 원료산업은 중국, 미국, 호주, 브라질 등 희토류 광산을 보유하고 있는 국가를 중심으로 기술개발 및 산업기반이 구축되어 있으며, 소재화 기술은 일본 등 선진국이 주도하고 있다. 일본, 영국, 오스트리아는 희토류 광산이 없지만 외국에서 희토류 화합물을 수입하여 환원/정련과정을 거처 희토류 금속을 생산한다.

(2) 희토류 영구자석 : Nd-자석
희토류 자석은 1970년대에 개발된 사마륨-코발트(Sm-Co) 계열 자석과 1985년에 개발된 네오듐 자석(Nd-자석), 그리고 최근 연구되는 사마륨-질화철(Sm-Fe-N)계열 자석을 통칭하는 용어이다. 또한 넓은 의미에서는 란탄 산화물(La2O3)을 첨가하여 특성을 향상시킨 La계 페라이트 자석을 포함하기도 한다. 그러나 최근 희토류 자석이라고 하면 Nd-자석을 의미하고 있으며, 이는 Nd-자석을 제외한 나머지 자석들은 수요와 시장이 작으며, La계 페라이트 자석의 경우 기술분류상 페라이트 자석으로 구분하는 경우가 대부분이기 때문이다.
1983년 일본의 Sagawa Masato에 의해 발명된 Nd-자석은 컴퓨터 및 소형 가전기기 및 자동차용 모터 시장의 급격한 성장에 힘입어 2000년대 후반까지 연평균 25%이상의 성장세를 나타내고 있다. Nd-자석의 2010년 생산량은 90,000톤 정도로 전체 자석생산량의 10%에 불과하지만 시장규모는 5조원 이상으로 전체자석 시장의 절반 이상을 차지한다. Nd-자석은 가전용, 자동차 전장용 모터류가 주요 수요처이며 최근 전자제품 및 자동차의 고효율화 및 경량화 움직임에 따라 그 수요는 확대되는 추세이다. 또한 향후 내연기관 자동차를 대체할 것으로 보이는 하이브리드 및 전기자동차의 구동모터의 경우는 Nd-자석을 필수적으로 사용해야 하므로 향후 관련 산업의 동향에 따라 Nd-자석의 수요 또한 급격히 늘어날 수 있다.
Nd-자석의 주요 원료인 네오듐(Nd) 및 디스프로슘(Dy)의 희토류 금속은 90%이상이 중국에서 생산되며, 생산량의 대부분이 Nd-자석 제조에 사용된다. 중국은 경제성장을 위해 2005년까지 희토류 원료의 수출을 장려하고 희토류 원료를 낮은 가격으로 수출해 왔으나 2006년 이후 1차 산업 중심의 산업 구조를 탈피하고 첨단 소재 산업을 육성하기 위하여 희토류 수출을 제한하는 수출 쿼터제를 시행하는 한편 희토류 자원의 국유화 움직임을 보이고 있다. 이에 따라 Nd 금속의 수급이 점차 어려워지고 있으며, 희토류 금속가격의 급등으로 인해 희토류 소재산업의 발전 및 기반 구축이 지연되고 있는 실정이다. 희토류 금속 확보의 중요성과 시급성이 부각되면서, 일본, 미국 등의 주요 희토류 수입국들은 중국 외 희토류 광산 개발 등 자원 확보에 총력을 기울이고 있으며, 그동안 등한시 하였던 희토류의 환원/정련 관련 기술을 개발하기위해 많은 노력을 기울이고 있다.

2. 희토류 자석의 원료수급
(1) 희토류 수급동향
희토류 원료 중 사용비율이 가장 높은 원소는 Ce과 La으로, 산화물 형태의 제품이 대부분이고, Ce은 광학산업 분야의 연마재, La은 정유산업 분야의 FCC(Fluid catalytic crack-ing) 촉매재 등이 주 용도이다. 사용비율 3위이고, 금속 사용비중 1위인 Nd는 순금속이나 합금형태로 사용되며, Nd계 영구자석의 필수 합금요소이며, 그 이외에도 반도체, 세라믹, 철강 산업 등 다양한 부문에 사용되고 있다.
현재 Nd 금속의 총 생산량은 20,000 톤이며, 그중 90%이상이 영구자석용으로 이용되고 있으며 Nd 금속을 약 30% 함유하는 Nd-영구자석의 생산량은 2000년 이후 급격히 증가하여 2010년 80,000톤에 이르고 있으며, 약 4조 원의 시장규모를 형성하고 있다.(2)

Nd-자석의 기본조성은 Nd 32%, Fe 67%, B 1%로 다량의 Nd금속이 포함된 합금으로 구성된다. 이러한 기본 조성에 Dy, Tb등의 희토류 원소와 Al, Cu 등의 금속원소를 필요에 따라 첨가하는데, 특히 Dy의 경우는 Nd-자석의 보자력을 높여 사용온도를 높이는 역할을 하는 원소로 가전용 모터의 경우는 4%가 첨가 되며 180도 이상의 고온에서 사용하는 전기자동차 구동 모터용 Nd-자석의 경우 Dy가 10% 이상 첨가 된다. Nd-자석에 필수 원료인 Nd 및 Dy 금속은 분리 정제된 희토류 화합물을 환원시켜 얻게 되는데, 희토류 금속 환원은 주로 중국, 미국, 일본에서 이루어진다.
중국과 미국의 경우 자국 내 희토류 금속 생산량이 소비량을 초과하며, 일본의 경우 희토류 금속의 제조기술이 있음에도 소비량이 생산량을 초과하여 일정부분 수입에 의존하고 있다. 국내의 Nd계 영구자석 수요량은 연간 2,200여 톤이며, Nd금속으로 환산하면, 연간 600톤 이상의 Nd금속이 소모된다. 그러나 국내의 Nd 금속 제조기술 및 산업기반의 부재로 인해 전량 수입에 의존하고 있다. 또한 최근 중국의 희토류 수출 쿼터제 시행으로 인해, Nd금속의 수급이 점차 어려워지고 있으며, 희토류 금속가격의 급등으로 인해 희토류 소재산업의 발전 및 기반 구축이 지연되고 있다. 또한 희토류 금속 확보의 중요성과 시급성이 부각되면서, 희토류의 환원/정련 기술 확보의 중요성이 높아지고 있다.

(2) 희토류의 금속의 제조기술
희토류 원소는 물리/화학적 성질이 매우 유사하여 분리/정제가 매우 까다로워 그 활용도가 크지 않았으나, 1950년대 이후 분리기술이 발전함에 따라 산업에 활용되기 시작하였다. 순수한 희토류 금속을 얻기 위해서는 채굴된 광석으로부터 다단계의 분리/추출/정제과정을 거쳐 고순도의 분리 희토류 화합물을 제조해야 한다. 연마재, 촉매 및 기타 첨가물로 사용되는 희토류의 경우 이 단계의 염화물이나 산화물 분말의 형태로 활용된다. 전통적인 희토류의 분리/정제 방법으로는 분별결정법, 분별침전법 등이 있으며, 최근에는 용매추출법, 이온교환 크로마토그래피법 등 다양한 분리/정제 기술이 적용되고 있다.
한편 희토류 영구자석이나 합금원소로 사용되는 경우에는 희토류 화합물을 환원/정련 공정을 거쳐 순금속 형태로 제조하게 된다. 현재 산업적으로 사용되는 희토류 금속의 제조법에 대해 원광석으로부터 최종 금속제품까지 정리하면 아래 그림과 같이 요약될 수 있다.
희토류 화합물의 환원은 용융염전해, 금속열환원법이 대표적이며, 현재 희토류 금속제조 산업은 이 중에서 공정수가 적고 연속조업이 가능하여 대량생산에 적합한 장점이 있는 용융염전해법에 기반을 두고 있다. 실제로 Nd계 영구자석용 원료인 Nd의 경우 98% 수준의 저순도의 경우 LiCl-LiF 용융염에서 Nd염화물(NdCl3)을 전해하여 확보하며, 99.9% 이상의 고순도의 금속의 경우 불화물욕을 통해(Nd2O3-NdF3-LiF) 제조하는 것이 일반적이다.
한편 환원된 희토류 금속의 품질향상 및 고부가가치화를 위한 고순도화 공정은 희토류의 녹는점 및 증기압에 따라 서로 다른 공정을 거치게 된다. 일반적으로 La, Ce, Pr, Nd 같은 저증기압 원소의 경우, 진공용해, 지역용해 및 고상전해 등의 공정을 거치게 되며, Dy, Eu, Sm 등과 같은 고증기압 원소의 경우, 진공용해와 증류 공정을 통해 저증기압 원소를 제거함으로써 고순도 금속을 얻게 된다.

3. 국가별 희토류 정책 및 향후 전망
(1) 중국의 희토류 정책과 희토류 가격파동

-------이하 생략  (자세한 내용은 세라믹코리아 2012년 7월호 참조)

참고자료
(1) 미국 에너지성, Critical Materials Strategy (2010)
(2) Roskill, Rare Earth & Yttrium : Market Outlook to 2015 (2011)
(3) USGS, 2009 Mineral Yearbook; Roskill 2007
(4) 유진투자증권
(5) 광물자원공사, 희토류 수급동향 보고서(2012)
(6) 김동환, 희토류 자원전쟁 (2011)
(7) 월스트리트저널, 2011년 5월
(8) Byron Capital Market, The Rare Earth (2010)
(9) Showa Denko K.K, 공시자료
(10) 한국생산기술연구원 희소금속산업기술센터
(11) 한국무역협회

이 영 주
- 1992년 2월 : 공주사범대학 화학교육과 학사
- 1994년 2월 : KAIST 화학과 물리화학 석사
- 1999년 2월 : KAIST 화학과 물리화학 박사
- 1999년 3월~2004년 : 헬싱키 공과대확 수학 및 응용물리학과 포닥/연구원
- 2004년 4월~현재 : RIST 신금속연구본부 책임연구원

그림1. 희토류 광석별 생산비율(2)
그림2. 희토류 산업의 Value chain
그림3. 중국, 미국, 일본의 희토류 산업별 비중(2)
그림4. 연도별 세계 Nd-자석 생산량과 시장규모 변화(2)
그림5. 중국의 희토류 수출 쿼터량과 감소비율(4)
그림6. 희토류 금속의 공정 흐름도
그림7. 연도별 미국의 희토류 생산 현황(1)
그림8. 미국 에너지성에서 보고한 희유원소의 Criticality matrix(1)
그림9. Nd-자석용 희토류의 물질흐름(10)

표1. 주요 희토류 원광의 조성과 주 생산지 (1) 
 
표2. 국가별 희토류 매장량, 생산량 및 희토류 금속 제조 및 수출여부(2)

표3. 연도별 세계 Nd-자석 생산량과 시장규모 변화(2)

표4. 주요 국가의 희토류 금속 수출 및 수입 현황(3)

표5. Nd화합물의 환원기술

표6. 중국의 희토류 생산 총량(5)

표7. 연도별 주요 희토류 가격 추이(5)

표8. 중국 외 희토류 광산의 2015년 예상 생산량과 주요성분(1)

표9. 연도별 희토류 생산량과 수요량 추이(1)

표10. 연도별 희토류 원소의 과잉공급량 예측치(8)

표11. 국내 희토류 수급흐름 (10)