일본의 희소금속 산업동향과 육성정책

홍 현 선_ 고등기술연구원 수석연구원

1. 개요

일본은 희토류 금속을 포함하는 희소금속 자원의 대 소비국이나, 광물자원이 부족하여 그 공급의 대부분을 해외에 의존하고 있다. 따라서 일본에서 광물자원이나 금속소재의 안정 공급의 확보는 중요한 정책과제이다. 특히 희토류 금속은 일본의 주력산업인 디스플레이, 자동차, IT 산업에 필수로 사용되는 소재이나, 국제 수요가 증가하여 가격의 변화가 심하고, 중국과의 자원무기화 경쟁을 경험하는 등 일본의 희소금속의 공급 확보를 둘러싼 환경은 크게 변화하고 있어 안정공급 대책마련이 시급한 실정이다.

일본에서 희소금속은 스테인레스 스틸을 시작으로 하는 구조재, 자동차 촉매, 전자기기 등의 하이테크 제품에 대부분이 사용되고 있으며 일본 산업에 빼놓을 수 없는 산업 필수금속이다. 일본에서 희소금속에 대한 정의에는 여러 가지가 있으며 다음과 같이 정리될 수 있다.

ⅰ)금, 은, 백금 등 지각 안의 존재 양 그 자체가 적은 것.
ⅱ)티타늄, 망간 등 존재 양은 많은 저품위의 광석 밖에 없는 혹은 순수한 금속으로서 추출이 어려운 것.
ⅲ)규소, 세륨, 지르코늄 등 존재 양은 많지만 화학, 물리적으로 순수한 금속으로서 추출하는 것이 지극히 곤란한 것.
ⅳ)희토류 원소 등 추출 된 금속을 이용할 만한 용도가 적고, 특성도 분명하지 않기 때문에 미개발인 것 그러나, 이후의 과학기술의 발전에 수반해 사용가능한 것.
ⅴ)망간, 바나듐, 몰리브덴, 크롬 등 과학기술을 지지 특이한 기능을 가지는 것.
상술한 금속을 비롯한 각 원소는 그림 1-1의 주기율표에 나타내었다. 그림에서 노란색으로 표시된 원소가 현재 일본 희소금속 대책부회에서 지정되어 있는 희소금속이다. 그 중에서도 굵은 선으로 둘러싸여 있는 ①바나듐, ②크롬, ③망간, ④코발트, ⑤니켈, ⑥몰리브덴, ⑦텅스텐으로부터 되는 일곱 물질이 현재 일본에서 비축 대상되고 있는 것이다.

일본 경제산업성은 희소금속 수급에 있어서 위기감을 갖고, 2006년 5월 자원·에너지 분야의 중기 지침「신·국가 에너지 전략」을 발표하였다. 이 보고서에서는 희소금속광물 자원의 탐광 개발이나 재활용의 촉진, 대체 재료 개발의 강화를 내세웠었다. 그리고 2006년 10월에는, 종합 자원 에너지 조사회(경제 산업성의 자문기관)의 희유금속 대책부서모임을 재개하고, 재활용이나 대체 재료 개발의 가능성을 찾았다. 최근에는 희소금속 확보전략으로 해외자원 확보, 리사이클, 대체재료 개발, 비축을 지원하고 있다. 또한 공통적인 기반 정비로서 자원 인재의 육성, 기술력 강화, 유저를 포함한 서플라이 체인(supply-chain)을 구성하는 산업의 일체적 대처를 강화하고 있다.

일본의 소재부품 산업이 발달한 구조적 특성 때문에 일찍부터 희토류를 포함한 희소금속의 중요성을 깨닫고 정책적, 산업적으로 안정공급의 위해 많은 노력을 기울여 왔다. 이러한 중요한 역할을 하는 희소금속의 현황파악은 일본의 산업구조와 유사한 우리나라의 산업특징을 감안할 때 국내 희소금속 정책과 산업육성에 도움이 될 것이다. 따라서 본 고에서는 일본의 희토류, 희소금속의 산업현황, 관련기업, 생산과 소비, 그리고 희소금속과 관련된 일본의 정책 등에 대하여 분석하고자 한다.

2. 일본 희토류 산업

2.1 일본의 희소금속 산업 개요

일본에서 희소 금속으로 인정되는 것은 31광종으로 30개의 원소와 1개의 그룹으로 이루어져 있다. 이중 희토류(RE)는 단일 원소가 아닌 그룹으로 포함되어 있다. 희소 금속 중에 V, Cr, Mn, Co, Ni, Mo, W는 국가 비축 대상 원소인 비축 7광종이며, Re, Ga, Sr, Nb, In, Ta, Pt는 주지 대상 7광종이다. 이들 비축 7금속 및 주지 7광종을 사용하는 일본 제품 및 산업이 다양하기 때문에 산업에서 빠트릴 수 없는 금속 원소로 인식되고 있다.
일본은 20세기 중반 강관의 첨가제로 희토류를 사용하기 시작하였으며, 1985년 사가오 마사토 박사팀이 희토류계 자석인 Nd-Fe-B계 영구자석을 개발하면서 희토류가 본격적으로 주목받기 시작하였다. 이후 각종 첨단 산업 분야에 희토류의 사용이 증가하기 시작하였고, 현재 희토류는 각종 첨단산업 분야에서 약 90%이 사용되고 있다. 일본은 2010년을 기준으로 약 2만 8천여 톤의 희토류를 수입하여 산업에 사용하고 있으며, 사용양의 약 80%를 중국으로부터 수입하고 있다. 한때 희토류의 대부분을 중국으로부터 수입(약90%)하여 사용하였으나 중국의 희토류 수출 규제와 중국과 일본의 희토류 분쟁 이후 수입선의 다각화나 도시광산으로 부터 희소금속을 재활용하는 산업의 활성화를 통해 희토류의 대중국 의존도를 낮추려고 하고 있다. 2012년 4월 기준 희토류 수입량은 3천 650톤으로 2011년 같은 기간에 비해 58% 감소했다. 특히, 일본의 중국산 희토류 1천 890톤으로 약 70% 감소한 것으로 나타났다. 이는 기업들의 희토류 파동을 우려한 재고 확보 및 ‘탈(脫) 희토류’를 위한 기술 개발이 진전되면서 사용량이 줄었기 때문이다.
일본의 첨단 산업 분야에서 희소 금속은 매우 다양하게 사용되고 있으며, 희소 금속이 사용되어지는 산업 분야로는 제강업, 원자력 산업, 항공기 산업, 우주 산업, 로봇 산업, 초전도 관련 산업, 자동차 산업, 전기 전자 산업, 생명 과학 산업 등에서 주로 사용되고 있다. 각 산업에서 사용되는 희소 금속을 표 2-1에 정리하여 나타내었다. 특히, 희토류의 경우 각종 전기 전자 제품에 광범위하게 사용되고 있으며, 그 사용 예를 표 2-2에 정리하여 나타내었다.
현재 일본의 산업에서 사용되는 희토류는 수입된 희토류를 가공하여 제조업체에게 공급하는 시스템으로 이루어져 있다. 네오디뮴과 디스프로슘의 경우, 신에츠화학공업(信越化学工業)이 주로 중국에서 원료를 수입하여 네오디움 영구자석을 생산하고, 이 중 일부는 HDD 헤드를 움직이는 모터와 가전제품, 그리고 하이브리드카의 모터에 사용되다. 세륨의 경우, 상사들로부터 쇼와電工이 원료를 구입하여 연마제로 가공한 뒤 아사히유리(旭硝子)에 공급하고, 아사히유리는 이것을 사용하여 액정 유리 기판을 제작하여 가전 업체들에게 공급하는 구조로 이루어져 있다. 일본의 희토류 조달, 가공 및 공급 시스템의 개략도를 그림 2-1에 나타내었다.

2.2 제강 및 하이테크 산업

일본의 첨단 산업 분야에서 사용되는 희소금속의 양을 2010년을 기준으로 추정하여 각 산업별로 나타내면 다음과 같다. 제강 산업 중 보통강, 특수강, 초합금에 대해서는 대략 Cr, Mn, Ni, Mo 등의 희소 금속연간 총 60만 톤 미만 소비하고 있으며, 기타 성분으로 Nb, V, Ti, Co, W가 사용된다. 제강업계에서 주로 사용되어지는 각 원소의 사용 양을 그림 2-2에 나타내었다.
원자력 산업의 경우 PWR형(가압 경수로) 1기에 원자로 계・터빈계에 Cr, Ni이 500톤 미만, Mo, Mn이 50톤 정도, Zr이 30 톤 정도 사용되며, 중성자 흡수가 어렵고, 내식성이 뛰어난 지르코늄 합금이 사용된다. 또한, BWR형(중수로)는 PWR형에 비해 금속 사용량이 적다. 항공기 산업은 그 부분에 요구되는 가벼움, 강도, 내열성에 의해 기체에 알루미늄 합금(합금 기반으로 연간 3,000톤 정도의 수요) 엔진에 내열 합금(초합금 : 합금 기반으로 연간 1,000톤 정도의 수요), 티타늄 합금(합금 기반으로 연간 500톤 정도의 수요) 착륙 장치 시스템은 고장력강, 스테인리스강이 합쳐 연간 250 톤 정도 사용되고 있다. 알루미늄 합금은 Mn, Cr을 포함, 내열 합금은 Ni, Cr, Co, Ta, Nb, W, Re을, 티타늄 합금은 Ti, V를 포함한다. 항공기 산업에서 사용되는 희소 금속의 구성비는 그림 2-3과 같다.

우주 산업은 로켓 1기당으로 보면 기체 부분에 알루미늄 합금이 200 톤 정도, 엔진에 내열 합금이 70톤 정도 사용되고 있으며, 로봇 산업에서는 Nd-Fe–B계 영구자석이 연간 100톤 미만 사용되고 있다. 생명 과학 산업에서는 의료용 공구로서 생체 재료로 티타늄 합금이 사용되는데 Ti이 연간 30톤 정도, 치과 금속 재료로 팔라듐 합금으로 Pd이 연간 10여 톤 정도 사용 있다. 기타로 진단 기기인 MRI, CT에 대해서는 초전도형으로 NbTi, 영구 자석형으로 네오디움 자석이 사용되고 있다.

2.3 전기 전자 사업

전기 전자 산업 분야에 사용되는 희소금속은 다양한 분야에 사용되고 있고, 다양한 전기 전자 제품으로 생산 및 사용되고 있다. 전기 전자 제품에 사용되는 희소 금속은 Co 나 Ni처럼 수천톤 사용되는 원소도 있지만, 적은양의 첨가로 부품의 성능을 제어하는 원소도 있다. 전기·전자기기 산업 분야는 생산 규모가 크고, 높은 성장성이 가지고 있는 세라믹 콘덴서(MLCC), 백색 LED, LCD 패널, 리튬 이온 이차 전지, 네오디움 자석 모터에 사용되는 희소 금속의 사용현황은 다음과 같다.
MLCC(적층 세라믹 콘덴서)는 유전체 층 내부 전극, 외부 전극으로 구성되며, 유전층은 유전 특성이 뛰어난 티탄산바륨(BaTiO3)가 주원료로 사용되고, 내부전극은 내부 전극은 Ni 외에 Ag 및 Ag-Pd이 일부 사용되고 있다. 외부 전극은 Ag, Cu가 주로 사용되며, 그 중간 전극으로 Ni 도금이 외부 전극으로 Sn, Au가 사용된다. MLCC의 생산을 위한 주원료인 BaTiO3의 생산 규모는 전 세계에 약 12,000톤. 원소별로는 Ba이 약 7,000t, Ti이 약 2,500톤이다. 이 중 일본내 BaTiO3 수요량은 6,400톤 전후로 사용된다. MLCC 전극인 Ni 관해서는 세계 전체의 생산량이 2,300톤, 그 중 일본에서 소비되는 양이 1,300톤 전후로 사용된다. 그 외에 다양한 희소 금속, 희토류(0.5~3%)가 사용되고 있다. MLCC 제조에 사용되는 희소금속 사용 내역은 그림 2-4에 나타내었다.

MLCC에 제조에 사용되는 희소 금속량은 주로 원료 Ba TiO3에 관해서는 MLCC가 소형화되는 추세이기 때문에 MLCC의 수량 증가를 밑돌 것으로 예측되며, 반대로 Ni 전극에 관해서는 MLCC의 용량은 전극의 면적에 비례하기 때문에 이쪽은 대용량화 흐름에서 MLCC의 성장을 상회할 것으로 예측된다.
2.4 디스플레이

LCD 패널에서 포함되어 있는 희소금속은 투명전극의 ITO 및 어레이 기판의 Cr, Ta, Mo를 들 수 있는데, 어레이 기판의 Cr, Ta, Mo는 사용량이 미비하여, 투명 전극에 사용되는 In에 주목할 수 있다. 투명 전극 (ITO)은 주석 5~12% 첨가한 In 산화물로 In 사용량은 42 인치 와이드 LCD 패널의 경우, 1g 이하/대 로 알려져 있다.
전세계적으로 2010년 LCD 패널 출하대수는 연간 대형이 약 7억 장으로. 소형도 약 16억장 전후로 출하되었으나 일본의 점유율은 해만다 감소하고 있다. 특히, 대형 LCD 패널은 2010년 출하 대수 기준으로 불과 6%의 수준까지 축소하고 있다. 반면에 타킷을 위한 ITO 재료는 일본계 제조업체의 점유율이 높고, 현재도 전체 수요의 70% 정도를 공급하고 있다.
2010년 LCD 패널의 In 수요량 일본 내에서 230 톤 정도, 타깃을 위한 ITO 재료의 In 수요량은 1,100톤 전후 이다. LCD 패널, 타깃을 위한 ITO 재료의 In 수요량은 은 TV, 노트 PC의 세계적인 수요 증가를 배경으로 2010년부터 2015년에 걸쳐 약 1.4배 증가할 것으로 예측된다.

대표적인 백색 LED에 사용되는 형광체로는 황색 형광체, 황색 형광체 + 적색 형광체, 녹색 형광체 + 적색 형광체의 조합이 있다. 형광체 재료로서는 YAG(이트륨・알루미늄・가닛(석류석))계, TAG(테르븀・알루미늄・가닛)계, 사이알론계, BOS(바륨・오르소 실리 케이트)계 등이 있다. 이들 중 현재 가장 일반적인 백색 LED는 황색계 YAG 형광체이다.
백색 LED의 칩 기반의 일본 생산 수량은 2009년 약 160억개, 2010년 약 320억개(모두 칩 기반)가 생산되며, 시장 상황도 호조를 보여 생산량을 계속 증가할 것으로 보인다.

2.5 리튬 이온 전지(LIB)

리튬 이온 이차 전지(Lithium Ion Battery : LIB)에 사용되는 희소 금속은 주로 정극 재료와 전해질에 사용되고 있다. 또한, 음극 재료 속에 일부 Li를 첨가하는 경우도 있지만, 사용하는 Li의 양은 매우 미미하다.
정극 재료는 휴대 전화나 노트 PC 등의 가전 기기에서는 용량·방전 특성의 밸런스가 뛰어난 LCO(코발트 산 리튬)이 주로 사용되고 있지만, 코발트의 심한 가격 변동, 또한 나쁜 열안정성에 대한 문제로 Co의 양을 최대한 줄인 NCA(니켈 산 리튬), NCM(니켈 망간 코발트), LMO(망간 산 리튬), LFP(철 인산 리튬) 등이 개발되었다. 전해질은 LiPF6(육불화 인산 리튬)이 주로 사용된다.
LIB 세계 시장은 2009년 주요 용도인 휴대 전화, 노트 PC 전용이 크게 떨어진 영향으로 마이너스 성장을 기록했지만, 2010년은 이러한 휴대용 기기가 다시 회복했다.
정극 재료의 시장 규모(출하 수량 기준)은 2009년 약 4만 3천 톤, 2010년 약 5만 6천 톤이 사용되었다. 전해질 (Li PF6) 시장은 2009년 약 3.2천 톤, 2010년 약 4.5천 톤으로 계속 성장세를 보이고 있다. 리튬이온 전지에 사용되어지는 희소금속 총 수요량 순수 금속 기준으로 연간 약 1만 9천 톤 규모이며, 희유금속의 사용량은 그림 2-5에 나타내었다.

LIB 셀 시장은 기존의 가전 휴대용 기기뿐만 아니라 차량용, 산업용으로 사용될 것으로 예상되어 그 수요가 계속 증가할 것이다.

2.6 네오디움 자석 모터

네오디움과 디스프로슘 등 희토류를 많이 사용하는 네오디움 자석은 크고 작은 모터에 사용되고, 엘리베이터, 가전제품, 공사용 중장비, 컴퓨터, 모바일 기기, 휴대폰, EV(전기 자동차) 자기 냉장고, 산업용 로봇 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 네오디움 자석은 전기 전자 산업에서는 휴대폰용 진동 모터, HDD용 모터, 냉장고, 세탁기, 에어컨 등 백색 가전용 압축기 모터에 많이 사용된다.
일반적으로 사용되는 네오디움 자석은 Nd을 약 30%, Dy 3% 이하, 철을 약 60%, B, Co를 포함하며, 백색 가전용 압축기 모터는 Dy의 함량이 다소 높게 포함되어 있다. 각 전자 부품별 사용되는 네오디움 자석 수 및 희소금속의 수요량을 다음 표 2-3에 나타내었다.
자석 제조업체 및 모터 업체에서는 네오디움보다 희귀하고 가격도 높은 디스프로움의 첨가량을 줄이는 노력을 하고 있으며, 백색가전에 사용되는 자석이 내열성을 높인 사양은 요구되지 않으므로, 이러한 것을 바탕으로 디스 프로 움의 첨가량은 감소하는 경향에 있다고 2015년에는 2010년 대비 75%까지 감소될 것으로 예측된다.
3. 일본 희토류 관련 법, 정책

일본의 희소금속 관리정책은 “안정공급의 확보”라는 키워드로 대표된다. 일본은 희소금속의 안정공급을 확보하기 위해 경제 산업성이 중심이 되어 중장기적 대책을 수립하고 실행되고 있다. 일본 내에서 효율적인 자원관리를 위해 탐광 개발, 국제 자원 조달, 자원 외교를 포함한 국제적 자원 관리, 자원 리사이클, 대체재료 개발, 일본 내 자원 비축의 4개 분야를 연계 및 통합한 관리를 중심으로 이루어지고 있다. 우선 자원 개발 권익의 확보를 강화하기 위해 탐광 개발 지원책을 강구하는 동시에, 자원 외교적인 접근방식으로, 자원국에 대한 직접적인 움직임을 강화한다. 또한, 일본 국내의 희소금속 공급력의 확보 등을 도모하기 위해, 자원의 하류에서 상류로 환류하는 리사이클을 추진하는 동시에, 지금까지 리사이클에 어려움이 있었던 폐기물에 관한 리사이클 기술의 개발, 그리고 공급의 제약이 예상되는 재료를 대상으로 한 대체 재료의 개발이 착수되고 있다.

경제산업성은 종합자원에너지조사회광업분과회를 통해서 2007년 6월 “이후의 희소금속의 안정 공급 대책(안)”을 발표하였다. 작성된 안에서는 비축 일변도였던 희소금속의 안정 공급 대책을 변경하고, (1)탐광 개발의 추진 (2)재활용의 강화 (3)희소금속의 비축 (4)대체물질의 개발을 강조하였다. 이러한 과정을 통해 일본은 리사이클 산업을 동력산업에 대응하는 정맥산업으로서 산업경쟁력의 강화를 위한 전략 산업으로 육성하고 있다. 특히 희소금속 리사이클은 자원 빈국의 수급 문제를 해결하는데 있어 가장 큰 역할을 할 수 있다고 파악하고 있다.

희소 금속의 안정적인 수급을 위해 종합적이고 전략적인 노력이 필요함을 인식하여 2009년 7월 28일 일본 경제 산업성에서 レアメタル確保戦略(레어메탈확보전략)을 발표하여 그 방안으로 해외 자원 확보, 재활용, 대체 재료 개발, 비축을 골자로 하는 4가지 중요 전략을 제시하였으며, 이와 함께 자원 국가와의 다각적인 관계 강화, 인재 육성, 기술 강화, 사용자를 포함한 희소 금속 공급 체인 산업의 일체적 추진 등의 추가적인 대책이 필수적이고 하였다. 일본의 희소금속 확보 전략의 요점을 그림 3-1에 개략적으로 나타낼 수 있으며, 희소금소 확보 전략을 요약하면 다음과 같다.

3.1 자원 확보를 위한 4 대 전략

3.1.1 해외 자원 확보

--------이하 생략(자세한 내용은 세라믹코리아 2012년 9월호를 참조바랍니다)

참고 문헌
1. 기초를 두는 기계 산업의 대응책에 대한 조사연구 보고서, 사단법인 일본 기계공업 연합회 주식회사일철 기술정보 센터, 2008년 3월
2. レアメタル確保戦略(레어메탈확보전략) 보고서, 일본 경제산업성, 2009년 7월
3. 김부용, 오종혁, 중국의 희토류 산업규제 강화에 따른 영향과 시사점, 대외정책경제연구원 연구자료, 2011년 12월
4. 日, 올들어 중국산 희토류 수입 70% 급감, 2012년 6월 14일자, 연합 뉴스
5. 日本の成長産業におけるレアメタルの消費構造(일본 성장산업의 레어메탈의 소비구조), 大久保　聡, 금속자원레포트, 2011년 11월
6. 김규판, 일본, 센카구 분쟁을 계기로 희토류 확보에 고심, 대외경제정책연구원, 2010년 10월.
7. 레어메탈 확보전략의 포인트, 일본 경제산업성, 2009년 7월
8. 희소금속 고효율회수 시스템 개발사업(JOGMEC 자료), 2009년 3월
9. 사용 후 소형가전으로부터 레어메탈 회수 및 적정처리에 대한 연구회 보고서, 환경성, 경제산업성 자료, 2009년 3월
10. 일본 산업기술종합연구소, Today vol. 8 No. 5 (2008)
11. 희토류금속등 회수기술연구개발사업, 비철금속관련 성과 발표회(JOGMEC), 2010년 8월

홍 현 선
- 1987~1991 한양대학교 금속재료공학 학사
- 1992~1994 한양대학교대학원 에너지재료 석사
- 1994~1998 한양대학교대학원 에너지재료 박사
- 1998~2002 UC BerkeleyDept. Nuc. Eng.연구원
- 2002~2003 한양대학교 신소재공학과 계약교수
- 2003~현재 고등기술연구원 신소재공정센터 수석연구원