국내 형광체 관련 희토류 물질흐름 분석

김 정 곤_ 인천대학교 공과대학 신소재공학과 조교수

1. 개요

우리나라의 산업구조는 반도체, 디스플레이, 철강, 자동차 산업 등을 주력산업으로 하여 산업 발전과 산업구조의 고도화를 이루고 있다. 그리고 이런 산업구조에 있어 주력 산업의 안정적 성장과 산업 고도화를 함께 이루어지기 위해서는 소재 산업이 안정적인 기반을 이루고 있어야 가능하다. 우리나라 정부에서는 소재산업의 중요성에 대하여 인식하고 2009년 11월 27일 녹색산업과 신성장 동력을 견인할 희소금속 소재산업 발전 종합대책(희소금속산업기술센타설립)을 발표하였다.
희소금속 소재산업 발전 종합대책은 희소금속 자원의 안정적인 공급기반 구축, 소재화 및 재활용 원천기술 개발, 산업기반 조성에 대한 청사진을 마련이라는 3가지 큰 의제를 가지고 시작하였다.
우리나라의 안정적인 기반구축, 소재화 및 재활용에 필요한 원천기술 개발, 산업기반 조성을 하기 위해서는 산업에 대한 현황 파악이 중요하다. 이제까지 산업구조 및 산업기반에 대한 조사는 커다란 카타고리를 중심으로 이루어졌으며, 소재 산업과 재활용 기술에 있어 사용되는 관련 금속과 산업에 대한 부분적인 분석 및 조사는 있었으나, 우리나라 산업 전반에 걸쳐 이루어지지는 않았다. 지식경제부에서는 2010년부터 한국생산기술연구원(자원순환기술지원센타)를 통하여 희소금속과 관련된 63개 금속에 대하여 2015년까지 조사하기로 하였다. 년차별 조사 금속은 표 1과 같다.
이러한 물질 흐름 조사(Materials flow analysis)는 2009년 11월에 수립된 한국의 희소금속 소재산업 발전 종합대책에 필요한 희소 금속에 대한 통계 자료와 관련 산업 분석을 통해 얻어진 자료와 천연 자원 확보에 필요한 기본적인 자료 제공한다.
정부는 확보된 자료를 이용, 대상금속에 대한 확보와 사용에 대한 전략과 정책을 수립, 앞으로 우리나라 산업에 필요한 광물자원확보에 도움을 준다.
천연 자원 확보 이외에도 국내 산업의 수급에 안정성을 확보하기 위한 년간 사용량 및 관련 산업에서의 소요량을 예측하는데 필요한 기초 자료를 제공, 전략소재금속의 비축에도 활용할 수 있다.
천연 자원의 확보와 비축뿐만 아니라 국내에서 재자원화를 통한 자원 확보에 필요한 자료를 제공한다. 물질 흐름 조사는 1차 원료(Primary suorce)의 순환뿐만 아니라 2차 자원(2nd source)의 순환도 같이 조사하여 제조과정에서의 Scrap 발생량과 재자원화 과정 그리고 사용 후 제품의 수집량, 재자원화량, 산업의 재투입량 등에 관련된 자료를 제공함으로서 2차자원의 발생과 순환 과정을 확인, 재자원화에 필요한 정책과 R&D 방향 설정을 가능하게 한다.
우리나라는 희소금속과 관련하여 천연자원이 빈약하여 해외로부터 대부분의 자원을 1차 가공 제품 혹은 중간제품단계에서 수입, 가공하여 부품제조나 최종제품을 생산하는데 이용한다. 물질흐름 조사를 통해 해외의 자원 생산 및 가격 변화에 따른 국내 산업에 이용되는 자원의 대체 가능성과 저감에 필요한 자료를 확보, 자원의 저감과 대체에 필요한 정보를 제공, 필요한 기술을 개발할 수 있도록 할 수 있다.
물질 흐름 조사는 2009년 11월에 수립된 한국의 희소금속 소재산업 발전 종합대책과 함께 시작, 2015년까지 연차적으로 시행되고 있으며, 2013년부터는 2010년에 실시한 금속에 대하여 update를 같이 실시할 예정이었으나 예산 삭감 등에 의해 실시에 어려움을 겪고 있다. 2013년 현재 우리나라의 물질흐름 조사는 한국생산기술연구원 자원순환기술센터(센터장 강홍윤 박사)를 중심으로 6개 기관이 참가하고 있다. 대학으로는 인천대학교, 인하대학교, 공주대학교가 참가하고 있으며, 연구기관으로는 한국기초과학연구원(KBSI), 고등기술연구원(IAE), Yes ORG 등 3개의 대학과 4개의 연구기관이 참가, 실시하고 있다.

2. 희토류 원소의 세계 동향

전세계 희토류 원소는 중국에 약 50%가량[1]이 매장되어 있으며, 다음이 러시아, 미국, 인도 등으로 많이 매장되어 있다. 중국은 가장 많은 매장량뿐만 아니라 생산량도 표 2와 같이 절대량[2]을 차지하고 있는 것을 볼 수 있다.

2011년 생산량을 기준으로 중국은 전세계 희토류 원소 생산의 약 97%을 생산하였다. 중국은 절대적으로 많은 희토류 원소의 매장량과 생산량을 기반으로 하여 생산제한, 수출제한, 중국내 기업의 신규 사업 진입 및 기존 업체의 구조조정을 통하여 국가의 통제력을 강하게 실시하여 있다[3]. 중국의 이런 정책에 대하여 전세계는 심각한 우려를 하고 있으며, 미국의 경우 2002년 심각한 환경오염 등으로 인해 폐쇄한 Mt. Pass광산을 2009년 재개발, 2011년 약 3,000톤을 생산을 시작, 2013년 3분기에는 19,050톤을 생산할 것으로 기대하고 있다[4].

그림 1. Reserve of REE in the world[2]

형광체에 사용되는 희토류 원소는 세슘(Ce), 란탄(La), 이트륨(Y), 가돌리움(Gd), 테르븀(Tb), 유러퓸(Eu)이다. 이들 원소는 희토류 원소 중 중희토류 원소에 속하는 것이 많다. 특히 중희토류 원소의 경우 중국의 남방계열의 희토류 광산에서 주로 생산되며, 이트륨(Y)과 중(中)희토류은 가돌리윰(Gd), 유러퓸(Eu), 중(重)희토류 테르븀(Tb)은 중국에서의 생산량이 절대적이며, 우리나라 전자산업과 조명산업에 미치는 영향이 매우 크다.

3. 국내의 물질흐름 조사

우리나라에서의 물질흐름은 2010년 지식경제부에서 체계적인 물질흐름을 조사하기 이전에 일부 기관들에 의해 단기조사를 통해 여러 원소에 대하여 실시하였다. 그러나 이러한 물질흐름은 대상원소가 한정되고, 조사내용도 통계자료에 의존하는 경향이 컸다. 그러나 이번 물질흐름 조사는 대상원소에 대하여 현장 중심의 조사를 통해 산업에서 사용되는 량을 조사하였으며, 각종 통계자료와의 비교 분석하였다. 그리고 각계의 전문가를 통하여 검증, 신뢰성을 확보할 수 있도록 실시하였다.
우리나라에서 사용한 물질흐름 조사방법은 통합물질흐름방법(Integrated materials flow analysis)으로 한국생산기술연구원 강홍윤 박사와 인하대학교 황용우 교수가 공동 개발하였다, 통합물질흐름은 실제 조사자료(Bottom-Up)와 통계자료(Top-Down)을 이용하여 각 단계별 흐름에 따라 적용 및 검증하는 방법을 적용하였다. 물질흐름분석은 8단계로 실시하였으며 각 단계별 정의는 다음과 같다.

1) 원료 및 기초 소재 단계
원료단계는 MFA 수행 대상 자원에 대하여 국내외에서 채굴되어 추출된 광석과 재자원화 단계에서 투입된 2차자원이 제련과정에 투입되어 자원이외의 불순물을 제거하여 자원괴 형태로 생산하는 단계로 정의한다.

2) 1차가공제품 단계
원료단계를 거쳐 배출된 자원괴가 가공단계를 거쳐 제품 혹은 상품을 제조하기 위한 판, 박, 봉, 선 등의 형태로 제조되는 단계로 정의한다.
3) 중간제품 단계
1차가공제품으로부터 생산된 제품으로서 최종제품을 사용 혹은 생산하기 위한 중간제품을 생산하는 단계로 정의한다.

4) 최종산업(제품) 단계
자원의 중간제품들이 최종적으로 투입되는 산업으로서, 건설, 자동차, 전기전자, 기타 등의 분류와 각 산업의 대표적인 제품으로 구성되는 단계로 정의한다.

5) 사용·축적 단계
대상 자원이 투입되어 최종산업(제품)단계에서 당해연도에 생산된 최종제품의 소비 및 사용과, 최종제품별 내구년수를 고려하여 전년도까지 생산된 최종제품 축적, 그리고 자원의 사용 후 2차자원으로서 재자원화되기 위해 수집단계로 투입되는 단계로 정의한다.

6) 수집 단계
1차자원이 사용 후 배출되어 2차자원으로서 재활용되기 위해 수집되어 처리되는 단계로 정의한다.

7) 재자원화 단계
재자원화단계는 수집단계 이후 재자원화 공정을 거치는 단계로 정의한다.

8) 폐기 단계
폐기단계는 자원이 최종 폐기되는 단계로 정의
수집단계에서 배출된 2차자원 수집처리 폐기량과 재자원화단계에서 배출된 2차자원 재자원화 폐기량

각 단계별 조사된 금속 원소의 양은 순분량(net mass)을 기준으로 환산하였기 때문에 우리가 체감하는 양은 적게 느껴진다. 특히 희토류 원소의 경우 대부분이 산화물을 기준으로 사용량을 발표하지만, 우리나라의 물질흐름조사는 순분량(net mass)을 기준으로 하였다.

3. 1 유러퓸(Eu)물질흐름 분석
유러퓸의 주요 용도는 형광체로 냉음극형광램프(Cold Cathode Flourscent Lamp, CCFL), 발광다이오드(light emitting diode, LED), 형광램프(fluorescent lamp)에 주로 사용되었다. 우러퓸(Eu)은 사용 중간제품단계에서 605 kg이 사용되었다. 중간제품단계의 사용량 중 약 60%는 냉음극형광램프(CCFL)을 제조하는데 사용하였으며, 발광다이오드(LED)제조에는 약 9 %가 사용되었다. 그리고 형광램프제조에는 나머지가 사용되었다. 제조된 부품 중에서 포함되어 액 69 %가량이 수출되어 국내에 사용/축적되는 비율은 31 %정도다.
제조된 중간제품(부품류)은 대부분이 TV, 컴퓨터, 무선이동통신 단말기 등에 포함되었다. 이들 제품은 수출되고 국내에 잔류하는 양은 매우 적으며, 사용 후 제품이나 중간 스크랩으로 발생하여 수집단계로 수집되는 양은 약 131 kg 이었다. 국내에 잔류하는 양 중에서 가장 많은 양은 형광램프에 포함되어 일반 조명으로 많이 사용되고 그 사용량은 약 170 kg 이다.
유러퓸(Eu)사용량이 비교적 적은 것은 형광체에서 도펀트(dopant)로 사용되기 때문이며, 2010년 10월 이후 가격이 급등하면서 다른 원소로 대체가 되었기 때문이다.

그림 2. Materials flow analysis for Eu

(본 사이트는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2013년 7월호를 참조바람.)

참고문헌
1. USGS, Minerals Yearbook, 2009, RARE EARTHS
2. USGS, Mineral Commodity Summaries, 2011.
3. 중국의 희토류 관련 산업 동향 및 정책, Ceramic Korea, 09, 2012, P.74-77.
4. D. I. Bleiwas, Joseph Gambogi, Preliminary Estimates of the Quantities of Rare-Earth Elements Contained in Selected Products and in Imports of Semimanufactured Products to the United States, 2010, P6.
5. Thomas G. Goonan, Rare Earth Elements—End Use and Recyclability, USGS, Scientific Investigations Report 2011–5094,
6. 자원생산성기반구축사업, 지식경제부, 2013

김 정 곤
- 1983.3 - 1990.2 충남대학교 금속공학 학사
- 1990.3 - 1992.8 충남대학교 금속공학 석사
- 1997.3 - 2000.8 충남대학교 물리야금 박사
- 2008.3 - 2010.2 인천전문대학교 메카트릭공학부
- 2010.3 - 현재 인천대학교 신소재공학과 조교수