한국의 희소금속 산업동향과 육성정책

김 범 성_ 한국생산기술연구원 희소금속연구그룹 수석연구원

1. 개요

희소금속(Rare metal)은 지각 내에 존재량이 적거나 추출이 어려운 금속자원 중 현재 산업적 수요가 있고 향후 수요 신장이 예상되는 금속원소, 극소수의 국가에 매장과 생산이 편재되어 있거나 특정국에서 전량을 수입해 공급에 위험성이 있는 금속원소로 정의하며, 현재 수요가 있는 것과 향후 기술혁신의 수반에 새로운 공업용 수요가 예측되는 것으로 국가별, 시대별로 분류 기준이 상이하나 국내에서는 인듐, 갈륨, 리튬, 희토류 등 35종의 금속원소로 표 1과 같이 정의한다.
희소금속은 소량 첨가만으로 첨단·녹색 제품의 품질 및 성능향상에 결정적인 영향을 미치며 주로 배터리, 디스플레이, 2차전지, 전기모터, 원자력 등의 주요 부품의 핵심소재로 사용하고 있어 흔히들 ‘산업의 비타민’ 혹은, 기존 금속 소재와 결합하여 신기능성 소재를 창출하는 신성장동력 및 융합산업 창출의 ‘줄기 금속(Stem metal)’이라고 말하고 있다. 향후 구조의 지속적인 고도화 및 부가가치 경쟁 본격화로 희소금속이 산업 경쟁력을 결정짓는 핵심 요소로 부상할 전망이다.

산업 전반적으로 매우 중요한 위치를 차지하고 있는 희소금속은 공급불안의 측면에서 볼 때 그림 1과 같이 희소금속 광물의 80%가 중국 등 5개국(중국, 캐나다, 舊소련, 호주, 미국)에 편중되어 있어 희소성으로 인한 조기고갈의 위험이 존재하고 있으며, 희소금속에 대한 세계 최대 자원부국인 중국의 수출제한 등으로 가격상승과 공급 불안정성이 증대되는 가운데 보유 국가간 자원보호 정책 강화에 따른 희소금속 확보경쟁과 더불어 첨단산업 성장에 따른 수요 증가가 점차 가속화되어 가격이 급등하고 있는 상황이다.
한편, 우리나라는 LCD, 하이브리드자동차 등 미래 첨단산업의 성장으로 필수소재인 인듐 등 희소금속 수요가 급증하고 있으나, 희소금속 소재 대부분을 수입에 의존하고 있는 등 그간 정책적 관심이 미흡했으며, 스폰지 티타늄, 마그네슘 판재 등 일부 기술개발 성공사례가 있으나 국내 희소금속 기업 대부분이 영세 중소기업으로 여전히 기술력이 부족하고 자원-소재-재활용의 선순환 산업구조도 매우 취약한 것이 현실이다.
따라서 희소금속은 에너지와 함께 한국의 미래 산업의 성장을 좌우하는 초석으로서 최근 국제정세의 불안으로 인한 원자재 가격 급등에 따른 원자재 수급의 불안 요인이 발생하며 자원무기화 현상이 심화되고 있어 이를 반영한 기술개발과 비축정책 수립이 정부와 민간의 주도로 추진되고 있다.
효과적인 정책의 추진을 위해서는 현재의 광산물 비축사업의 적정성을 평가하고 이에 따른 문제점을 도출하여 희소금속 및 희토류 수출입 동향 등의 분석을 통한 각 광종별 분류 기준 및 비축 전략 점검 및 안정적인 비축 전략 제시가 필요하다. 또한, 희소금속 문제를 자원 확보에 집중하여 소재화가 이루어지지 않는다면 희소금속을 확보하고도 사용할 곳이 없는 역설적인 현상을 초래할 수 있으므로, 가장 중요한 것은 소재화, 부품 산업의 육성을 통해 부가가치를 높이고 공급안정성을 확보하는 것이라 할 수 있다.

2. 희소금속의 특징

희소금속은 그 희소성에 따라서 생산과 수요분야 및 산업구조가 독특한 특성을 나타낸다. 지각 내 함량이 낮아 세계적으로 생산량이 적고, 기반소재와 같이 대규모로 사용되지 않고 소량 첨가되지만 철강 산업이나 비철철금속소재 등의 구조 소재 및 IT산업, 석유화학산업, 공구산업 등에 이용되는 기능성 핵심 원료인 동시에 전혀 새로운 신산업 창출의 파급효과가 큰 원천 소재이다.
그 예로, 희소금속의 독특한 특성의 과학적인 발견과 이를 산업적으로 응용하는 과정에서 희소금속저감, 희소금속대체 그린소재 개발기술, 저탄소, 고기능, 융합, 유비쿼터스, 감성 사회를 위한 신기술 등이 창출되고 있다.
희소금속 산업은 기존 금속소재의 고순도화, 합금화, 분말화, 신 가공 기술의 결합으로 새로운 기능성의 금속소재를 창출하는 신소재로서 시장 수요와 공급에 아주 민감할 수밖에 없으며, 첨단산업의 기반이 되는 다품종 소량생산, 고부가가치의 부품·소재산업으로 기술집약적 특성을 갖고 있으며 희소금속의 기초소재 기술은 국가의 산업고도화 및 산업 발전을 위한 선행 핵심기술로 인지되어야 한다. 따라서 희소금속산업의 발전 없이는 국가의 산업 발전 및 기술 고도화 실현은 불가능할 뿐만 아니라 전자, 정보·통신 등의 첨단산업의 성장이 있다 할지라도 자체적 고순도 희소금속 기초소재개발 능력 결손 시 부품·소재의 대외 의존이 불가피하여, 궁극적으로 최종제품 산업의 대외경쟁력 저하 및 국가 무역수지의 악화, 방위산업 및 기술의 대외의존 심화 등 구조적 문제가 지속되어 국가 경쟁력과 경제에 치명적 일 수 있다. 자원을 가진 국가는 자원을 무기로 단기간에 선진국 도약을 위해 소재, 부품, 제품 전방산업을 연계한 국가주도 압축성장 전략을 구사할 수 있으며, 한편 기술을 가진 국가는 지속적인 글로벌 리딩을 강화하기 위해서 자원 의존도를 완화하기 위한 순환, 저감, 대체 기술개발에 주력하여 자원과 기술의 전쟁을 이끌 수 있다.
인류의 역사를 소재의 변화에 따라 석기시대, 청동기시대 그리고 철기시대로 구분할 정도로 소재는 기술사적으로 매우 의미를 가지며, 최근의 소재기술은 “고순도화”와 “신소재”라는 두 가지 발전방향을 가지고 지속적으로 발전이 예상된다. 21세기 고도 정보화 사회는 대용량의 정보가 신속히 유통되는 사회로서, 이를 뒷받침하기 위해서는 현재의 기술적 한계를 뛰어넘는 부품소재 개발이 요구되며, 이와 같은 기술혁신이 가능하려면 각종 신기능성 소재개발이 필요하므로 그 원료가 되는 희소금속관련 기초소재 및 신소재 기술 개발 및 산업화는 필수 불가결할 것이다.
전반적으로 희소금속의 가격은 수요-공급 불균형에 따라 상승 기조를 나타내며 산업적 수요와 공급국가의 전략 및 투기자본의 시장참여에 따라 가격변동이 크다. 각 원소별 1999년 가격을 기준으로 10년간 원소별 가격변동은 갈륨(Ga), 니오븀(Nb)를 제외하고 전반적으로 가격이 상승하나 원소별로 가격의 저점이 상이하고, 저점을 기준으로 최근 가격은 상승한 것으로 나타난다.
대상 원소에 따라서 광석으로부터 제련을 통해 기초소재를 만드는 과정에서 광석의 주산물인 경우와 부산물인 경우가 있으며, 광석의 부산물 형태로 제공되는 원소의 경우 광석의 생산량 이외에 광석의 주목적금속의 수요산업에 따라서 공급량이 달라지므로 공급 탄력성이 낮다. 그 예로 인듐의 경우, 주 광석은 아연광으로 아연제련 공정의 아연제련 잔사로부터 추출되므로 인듐의 공급은 인듐 수요-공급 측면보다 아연의 수요-공급에 근원적으로 의존하게 되는 것이 특징이다.
또한 희소금속은 높은 가격과 자원의 희소성으로 천연자원으로부터의 소재공급과 함께 공정 폐기물이나 폐기 제품으로부터 역방향 소재급 산업이 활발하다. 지각내 함량이 낮으므로 추출에 있어 높은 에너지가 소요되고, 기능성 소재로 적용되므로 고순도가 요구된다. 자원의 희소성으로 공정 폐기물이나 제품형태 폐기물로부터 소재를 회수하는 다양한 순환산업이 발달해 있고, 소재화 가술이 강한 국가에서 순환산업이 더 활발히 전개되고 있다. 순환산업 규모는 전체생산량의 16.3%, 생산금액의 46.8%로 고가의 금속일수록 순환율이 높다.
특히, 희소금속산업은 자원으로부터 최종제품을 얻는 순방향 산업단계와 폐기제품을 원료나 자원으로 하는 역방향 산업이 가능한 환경친화산업이다. 재활용 산업은 공정폐기/제품폐기-수거/분리-재활용/제조-재생원료-제품 제조의 순환 고리로 이루어 져야하지만 국내 희소금속 산업의 경우 재활용 기술의 부족으로 희소금속 자원의 일본 등 국외유출이 증가하고 있으며, 3R(Reduce, Reuse, Recycle)을 기본으로 한 재활용기술의 부재로 매립되어 환경오염이 우려되는 상황에도 직면해 있다(그림 2).

3. 희소금속에 대한 글로벌 시장 동향

최근 첨단산업 성장에 따른 수요 증가 및 자원 보유국의 수출통제 강화에 따른 공급 불안정성 확대 및 가격이 급등하고 있으며 특히 전기차, LED, 디스플레이 등의 핵심부품에 소요되는 인듐, 네오디뮴 등의 희소금속 가격이 ’02년 대비 1.6배~24배까지 상승하였다(표 2).
이러한 희소금속 다소비 산업구조과 국내 첨단 제품 산업의 고도성장으로 희소금속 수입 및 무역역조가 확대되고 있음에도 불구, 국내 소재·재활용 기업은 단순 임가공 형태의 중소기업으로 국내 산업의 희소금속 소재산업 기반이 취약하여 소재-수요사업의 연계효과가 부족하고 수출 중심의 경제구조에서 원료광물의 해외 의존도가 높아 국가 산업의 부가가치가 감소되는 것은 물론, 수급 불균형시 주력산업의 생산과 공급차질 우려가 높은 것이 현실이다. 따라서 첨단 제품의 핵심 소재인 인듐, 희토류 등 고부가가치 희소금속 소재의 국내 생산기반 및 소재화의 기술개발의 필요성과 합금철 중심 철강산업 소재업체를 제외한 관련 기업의 영세성으로 인해 국내생산 및 연구기반, 고급 인력 및 R&D 투자가 절실하다.
더불어 중국의 희토류 수출 제한 조치가 세계경제 주요 이슈로 등장하면서 국가간 희소금속 확보 경쟁이 가열되는 양상이다. 중국은 ’11년 상반기 희토류 수출 쿼터량을 35% 감축하고, ’11년 1월부터 수출관세도 15%에서 25%로 인상하는 등 자원무기화를 가속화시키고 있으며, 자원펀드를 기반으로 국영공사와 대규모 자본 투입을 통해 희소금속을 비롯한 해외자원 개발을 확대하고 있다. 또한, 풍부한 자원과 적극적인 자원관리를 기반으로 자국의 희소금속 관련 신소재 산업 및 첨단산업을 육성하고 있다.
한편 일본 또한 우리나라와 마찬가지로 희소금속을 산출하는 광산은 존재하지 않아 리사이클 되는 분량을 제외하고 거의 전량을 해외에 의존하는 상황이다. 일본의 희소금속 소비량이 세계 전체의 소비량에 대해 점하는 비율은 높은 편이지만 최근 ‘희소금속의 탈(脫) 중국화’를 선언하고 대체소재 개발, ODA 확대 및 중앙아, 아프리카의 희소금속 광산 확보에 주력하고 있다.
EU의 경우 또한 응용소재 및 첨단산업의 발달로 희소금속의 수요는 많으나 해외의존도가 높은 편으로 희소금속 수급 문제를 해결하고 지속 가능한 자원관리를 위한 범 유럽 차원의 공동 대응책 마련을 위해 꾸준히 노력하고 있다. 대표적인 움직임으로 EU 집행위원회는 희소금속 관련 ‘원자재 계획’의 후속조치로, 2010년 6월 희소금속 교역 및 투자촉진, 유럽지역 채광분야 개선, 대체재 및 재활용 활성화 등을 내용으로 하는 실행계획인 ‘EU의 주요 원자재 확보 방안’을 발표하여 희소금속의 안정적 확보를 위한 EU의 공동대응을 촉구한 바 있다. 미국 또한 희토류 관련 법안을 통하여 관련 조치를 실행하고 있는데, 희토류의 안정 공급을 도모하기 위한 연구 개발 및 금융 지원을 골자로 하는 법률을 하원에 제출한 바 있다. 니오븀, 주석, 리튬, 희토류 등 일부 희소금속의 주요 부존·생산국인 브라질은 희소금속 확보를 위한 정책적 노력이 희토류와 리튬 분야에서 가장 두드러지는데 브라질과 볼리비아 양국은 2009년 8월 볼리비아 우유니 염호의 리튬 개발을 위한 양국간 협력 방안을 담은 양해각서를 체결하고 볼리비아 리튬 산업화를 위한 공동연구 수행 및 볼리비아 기술인력 양성 등에 합의한 바 있다.

4. 국내 희소금속 관련 산업현황

우리나라의 산업구조는 철강, 반도체, 디스플레이, 자동차산업 등이 주력산업으로 발전하고 있다. 그러나 자원 빈국인 우리나라의 광물자원 자급률은 매우 낮은 수준으로 금속광물 특히, 희소금속은 수요의 대부분을 수입에 의존하고 있으며, 최근 정부정책에 따라 기존의 중화학공업 대신 녹색성장을 위한 신성장동력산업을 새로운 경제패러다임으로 변화함으로써 희소금속의 수요가 계속적으로 증가하고 그에 따른 수입 규모 역시 빠른 증가세를 보이고 있다.
주력 산업군별 수요 희소금속의 분석 및 희소금속이 주력산업에 미치는 영향을 파악하기 위해 시장 점유율과 수요 성장률이 높은 주력 산업군에 대하여 BCG(Boston Con-sulting Group)분석 기법을 사용한 결과를 그림 3에 도시하였다. 희소금속 수요 산업의 성장률과 주력산업의 경쟁력(상대적 시장점유율)을 토대로 해당 희소금속의 수요 주력산업군별 경영과 기여도를 평가하고, X축을 ‘상대적 시장점유율’로 Y축을 ‘수요성장률’로 하여 주력산업군을 BCG 분석을 통해 주력산업의 분석 결과이다. 산업 성장률은 전년대비 금년 시장성장률(10~15%를 중심으로 평가)로 지정하고, 상대적 시장점유율은 산업내의 가장 큰(매출기준) 경쟁국에 대비한 우라나라 주력산업군의 매출비율(1을 중심으로 평가)로 산출하였다.
분석 내용에 따르면 최근 우리 경제는 전반적으로 경기가 둔화되는 가운데, 물가상승세가 다소 완화되는 모습을 보이며 부문별로는 영상·음향·통신등 IT분야(전월대비 2.7%)는 증가한 반면, 1차 금속(-2.3%) 및 자동차(-1.1%) 등을 중심으로 대부분의 산업이 감소하는 추세를 보이며, 향후 글로벌 경기가 회복 된 후에는 스타(star) 영역으로 이동 될 것으로 예상된다. 그림 4는 분석한 주요산업에 활용되는 희소금속, 주요용도 및 처리하는 광물형태를 나타낸다.

그린카(전기차, 하이브리드, 클린디젤)는 희소금속의 자원관리 관점에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 모터용 희토류(네오디움: Nd, 디스프로슘: Dy 등) 자석, 이차전지용 리튬(Li), 및 배기정화용 촉매 등에 활용되는 백금(Pt)등 원소전략이 정부의 전기자동차 보급계획과 병행되어야 하는 실정이다. 그린카 주요부품의 공급사슬은 그림 5와 같다.
전기차의 구동모터 및 모터의 경량화, 고출력화를 위해 우수한 경자기 특성을 갖는 네오디움계 희토류 자석의 적용이 필수적이며, 전기차 1대에 100개 이상의 모터가 사용되어 다량의 희토류 원소인 네오디움과 디소프로슘이 소모된다. 현재 네오디움계 자석의 산업현황을 살펴보면 중국은 풍부한 희토류와 값싼 노동력을 바탕으로 광석에서부터 저가의 Nd계 영구자석을 제조하여 공급하고, 일본은 원료는 없으나 소재기술을 기반으로 고부가가치 영구자석을 제조하고 있다. 우리나라는 영구자석을 전량 수입하여 모터제작업체에서 조립하여 모터 모듈 형태로 공급하는 산업구조를 가지고 있다.
하이브리드 및 전기 자동차 시장에 연동된 대용량 리튬 이차전지에 대한 글로벌 자동차 메이커의 시장경쟁이 치열하며, 리튬(Li) 이온전지는 가장 성능이 우수한 전지로서 양극으로는 리튬산화물전극, 음극으로는 탄소계 전극을 사용되고 있다. 우리나라는 종래의 소형 IT기기(100Wh 미만)에서 10kWh 이상의 중대형 에너지 저장장치 개발이 본격화되고 있다.

연료전지에 사용되는 주요 희소금속은 촉매 전극에 포함된 Pt, 연료 개질 촉매에 포함된 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 등 파워 콘덴서에 포함된 알루미늄과 동(Cu)이며, 수소연료 전지차는 2015년을 기점으로 상용화에 진입할 것으로 예상하고 있다.
클린디젤 배기가스의 정화에 사용되는 3원 촉매(HC, NOx, CO)에는 백금족(Pt, Pd, Rh)과 희토류 금속인 세륨(Ce) 등이 핵심 기능성 원소이며, 독점적 산업연계성으로 인하여 국내 산업기반이 취약해 백금소재의 수요량 증가대응(표 3) 및 저감대체화를 위해서는 국내 생산기업의 다양화 및 기술력 축적이 필요한 실정이다.
조명 관련 고출력 LED 시장은 금액기준으로 2009년 약 5억불의 세계시장에서 2015년 25억불의 세계시장을 형성할 것으로 예상되며 연평균 약 30% 이상 성장할 것으로 전망이다. 최근 LED로 백색광원을 만들어 형광등, 백열전구 등 민간생활에서 사용되고 있는 조명기기를 대체하기 위해 질화갈륨(GaN), 형광체(유로퓨움: Eu, 가도늄: Gd)를 이용 추세이다.
신재생에너지는 환경오염 문제, 화석 에너지고갈 예상, 원자력 발전의 피해등의 이유로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다(표 4). 그 중 태양전지는 전통적 실리콘 웨이퍼, CdTe, 실리콘 박막, CIGS(Cu-In-Ga-Se), 염료감응 및 유기태양전지가 3, 4세대 태양전지로서 각광 예상 되나, 국내 태양광 산업은 시장 진입이 늦게 이루어짐에 따라 기술력 및 가격 경쟁력 부문에서 열위인 상황이다. 풍력발전은 최근 3년간 30% 이상의 고성장 중으로 ‘13년 세계 풍력발전 시장은 약 60조원 규모로 예측되고 있다. 희토류자석이 중요성이 높은 풍력발전시장은 초기 단계로 희토류를 보유한 중국이 대단위 개발의 혜택을 받을 것으로 보이며, 국내 시장은 비록 작지만 중단기적으로 투자 활성화가 전망된다.

공구산업은 품종과 규격의 다양화로 기존, 신규 시장에 대응되는 제품을 개발하는 블루오션형 사업분야로 예상되고 있다. 다이아몬드공구 휠의 바인더 재료로 코발트(Co)는 여타 금속에 비해 소결성이 우수하고 내마모성 및 내산화성이 우수하여 가장 널리 쓰이나, 선진국의 거대 분말공급업체에서 Fe계, Cu계, Fe-Co계, Fe-Co-Ni계, Cu-Fe-Co계 합금분말을 독점공급 문제를 가지고 있다. 연마 지립재(산화세륨: CeO)의 경우 LCD, LED, OLED와 같은 디스플레이 산업에서 연마면 조도를 높이고자 CeO, ZnO, SnO, FeO등을 연마제로 이용 추세이고, 박막화, 경량화, 고강도화 추세에 부응하기 위해 중요한 공정으로 지속적인 수요 증가가 예상된다. 텅스텐(W)이 주원료인 초경합금 공구 및 밸브부품의 경우 국내 기술력이 높으나 중국 업체의 기술이 빠른 속도로 발달하고 있어, 향후 경쟁 심화가 예상되는 산업이다. 탄화텅스텐(WC), 철, 니켈, 코발트 등과 같은 희소금속의 소결 혼합물로서 주로 공구용 소재로 사용 되며 리사이클에 대한 검토가 필요하다.
휴대전화, 디지털카메라, 컴퓨터 등의 가전제품에 들어가는 전자부품은 원재료, 전극, 배선 등에 희소금속이 사용되고 있다. 세라믹 콘덴서(은: Ag, 팔라듐: Pd, 티타늄: Ti, 지르코늄: Zr, 니켈: Ni), 탄탈 콘덴서(탄탈륨: Ta, 망간: Mn, 은: Ag), 레지스터(Ag, Ni), IC(금:Au, 실리콘: Si, 은: Ag, 동: Cu) 등이 대표적이다. 또한, 기판용 금속접합재(그림 6)로 Sn-Pb, Pb-Sn 등이 사용되었으나, EU의 유해물질 사용제한으로 납(Pb)을 제거한 무연솔더(Pb-free solder)가 사용하며, 규제적용 예외 품목인 고온용 솔더, 차량전장용 솔더의 규제가 2015년경에 실시될 전망으로 무연솔더 시장 확대 예상된다. 대표적인 무연솔더는 주석(Sn), 아연(Zn), 비소(Bi), 은(Ag), 동(Cu), 니켈(Ni), 안티모니(Sb), 게르마늄(Ge), Au 등의 원소를 2~5원계로 조합하여 개발되고 있다.

5. 정부의 희소금속 산업 발전 대책

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

김 범 성
- 1991~1998 한양대학교 금속재료공학 학사
- 1998~2000 한양대학교대학원 재료응용 석사
- 2000~2003 Osaka University Material Chemistry 박사
- 2004~2010 LG전자기술원 소자재료 연구소 책임연구원
- 2010~현재 한국생산기술연구원 희소금속연구그룹 수석연구원