최신 희토류금속자원의 재활용 기술개발 동향

홍 현 선_ 고등기술연구원 신소재공정센터 수석연구원

1. 서론

희토류금속은 연마재, 촉매, 자성체, 형광체 같은 제품에 기능을 부여하거나 고 성능을 발현시키기 위해 사용된다. 제조업 관점에서 국제경쟁력을 유지하기 위해서는 원료의 안정적인 확보가 아주 중요한데 이러한 희토류원료를 안정적으로 확보하기 위해서는 국가적 차원에서 공급다변화 정책을 수립해야한다. 구체적인 공급다변화 대책으로는 해외탐광개발, 재활용대책개발, 대체저감소재개발 등에 관한 중장기 전략과 단기적 대책으로 희토류금속 비축을 위한 정책수립을 해야 한다. 우리나라에서는 국가주도 차원에서의 이러한 중장기적 정책, 제도, 법적 대비책이 최근에 시작된 실정이다.
사업장계 또는 생활계 폐기물을 재활용하여 희토류금속자원을 확보하는 것은 매우 중요한 희토류 안정공급전략의 중의 하나이다. 현재 국내에서 필요한 희토류금속은 전량 수입에 의존하고 있는 실정으로 재활용을 통하여 희토류금속을 국내에서 생산할 수 있다면 수입의존도를 낮추는 중요한 역할을 할 수 있다. 희토류금속의 재활용이 일부에서 기초적인 수준으로 행해지고는 있으나 제조업에서 필요한 모든 희토류금속 원료의 확보는 아직까지 어려운 실정이다. 그 이유는 스크랩 수거비용 또는 리사이클 공정능력의 부재 때문에 폐기물이 매립 또는 소각되는 경우가 대부분이기 때문이다. 최근에는 희토류가격의 급격한 하락이 재활용을 부진하게 하는 요인 중에 하나로 대두되고 있다.
폐 금속자원의 재활용은 국가적 자원안정공급 차원 이외에도 자원고갈 위기의 해결 측면에서 매우 중요하다. 예를 들면 인듐의 경우 현재 사용량으로 지속적으로 사용할 경우 2050년 이후에는 자원이 모두 고갈될 것으로 보고되고 있어 사용 후 제품에서 희소 금속을 추출하여 재사용하지 않는 한 제품 제조에 필요한 새로운 자원의 확보는 불가능할 것으로 판단된다. 희토류금속의 경우 인듐 같은 희소금속에 비해 아직까지 사용량 대비 매장량의 여유는 있는 것으로 알려져 있으나, 풍력발전의 활성화 또는 전기자동차 시장 성장 등 신성장동력산업이 발전할 경우 핵심소재인 희토류금속 고갈의 위험이 도래할 가능성이 있다.
앞으로 첨단산업의 미래는 고기능성 제품에 대한 요구가 지속적으로 확대될 것이기 때문에 여기에 필수 핵심소재인 희토류금속의 공급이 원활하게 이루어져야 비로소 희토류금속 함유 제품의 사업화를 진척시킬 수 있는 시대라고 할 수 있다. 따라서 본고에서는 국내외 희토류금속 재활용 기술과 산업동향을 살펴보고 희토류금속의 안정공급을 위한 재활용 정책과 대책을 소개하고자 한다.

2. 희토류금속 및 재활용 기술의 개요

2.1 희토류금속의 특징
희토류금속은 란타넘족 (lanthanide)에 속하는 15 종 금속 (원자번호 57 - 71번)을 말하거나 좀 더 확장시켜 란타넘족과 같은 3A족인 스칸듐 (Sc)과, 이트륨 (Y)의 2 종류 금속을 합한 총 17개 금속원소의 총칭이다. 희토류금속의 일반적 특성은 보통 연하여 전연성이 있으며 원자크기가 작기 때문에 비교적 높은 융점을 갖는다. 또한 화학적으로 매우 안정하고 열을 잘 전도하는 성질이 있어 첨단산업의 핵심소재로 이용되고 있다. 희토류금속에 대한 분류는 일반적으로 원자번호 즉 금속의 질량 순서대로 경(輕)희토류, 중(中)희토류와 중(重)희토류의 3개 그룹으로 분류한다. 경(輕)희토류에는 란타넘 (La)을 포함하는 4개 금속, 중(中)희토류에는 프로메튬 (Pm)을 포함하는 4개 금속 그리고 나머지 7개 금속을 중(重)희토류로 분류한다. 이러한 희토류 금속은 첨단산업 및 기초기반산업에 없어서는 안 될 중요한 원소로서, 디스플레이, 전기자동차 등 첨단산업과 기반산업으로 금속산업에서 합금재료로 사용되고 있다.

2.2. 재활용기술의 정의 및 특징
재활용은 폐기물 관리체계에서 3R, 즉 Reduce, Reuse, Recycling으로 분류되어 진다 (그림 1). Reduce는 원재료를 절약하여 폐기물을 최소화시키는 것이고, Reuse는 세척이나 적절한 처리를 통해서 같은 용도로 재사용하는 것이며, Recycling은 유가금속의 재생, 분쇄 재처리 등을 통해서 같은 용도 또는 다른 목적의 원재료로 재이용하는 것이다. 이처럼 ‘Recycling’이라는 용어의 학문적인 출처는 그림 1에서 보듯이 폐기물 관리기법의 3번째 요소에 해당한다. 하지만 경제 산업적인 면에서 넓은 의미로 3R 전체를 Recycling으로 간주하기도 하고, 특히 법적인 면에서는 정의가 명시되어 있지 않은 실정이다. 희토류금속의 재활용기술은 폐기된 제품이나 제조공정 중에 발생하는 폐 희토류금속자원을 제품화에 필요한 가치 있는 원재료로 다시 활용하는 것이다. 일반적으로 희토류금속 재활용 기술에는 전처리, 건식야금, 습식야금, 전기화학공정, 소재화기술 등이 포함될 수 있다. 폐기물의 발생형태에 따라서 재활용방법은 매우 다르게 적용되고 있으나 최근에는 이러한 기술들이 혼용되어 상업적으로 적용되는 것이 추세이다.
희토류금속은 철, 구리, 알루미늄 등의 일반 상용금속에 비해 가격이 매우 높으므로 사용 후 제품에서 재활용하는 경우 경제적 효과를 기대할 수 있다. 희토류금속의 가격은 표 1에서 보듯이 금, 은, 백금족 등에 비해서는 가격이 낮은 편이며 함유량이 일부 제품을 제외하고는 ppm 수준으로 매우 적게 포함되어 있어 재활용 경제성을 낮추는 역할을 한다. 하지만 희토류금속의 종류는 17종이나 되어 종류가 많은 편이며 제조업 입장에서 원료의 국내 안정공급원이 될 수 있으므로 산업적으로 희토류금속은 재활용 가치가 있다고 할 수 있다. 기술적인 면에서 희토류금속 재활용 시 분리회수율 및 고순도화의 비중이 크다고 할 수 있다. 또한 자원빈국인 한국의 처지에서 희토류금속의 재활용은 물질흐름에 있어서 매우 중요한 위치를 차지하고 있으며 전후방산업의 부가가치 창출에 큰 기여를 할 수 있는 분야이다.

그림 1. Waste Management Hierarchy (3R)

표 1. Recycling features of precious, rare, rare-earth and common metals

3. 희토류금속 산업 및 재활용기술 정책 현황

현재 산업적으로 사용되는 대표적인 희토류금속으로는 네오디뮴 (Nd), 디스프로슘 (Dy), 이트륨 (Y), 세륨 (Ce), 란타넘 (La), 사마륨 (Sm), 유로피움 (Eu), 테르븀 (Tb) 등의 원소들이 있다. 희토류금속은 첨단산업소재에 사용되고 그 수요는 꾸준히 증가하고 있으나 부존자원이 제한되어 있기 때문에 일본 등의 경우 희토류금속을 전략금속으로 인식하여 자원 확보에 심혈을 기울이고 있다. 우리나라 역시 이러한 희토류 금속은 첨단산업 및 기초기반산업에 없어서는 안 될 중요한 원소로서 발광체, 자성체, 유리 세라믹제품, 촉매제 등에 사용되고 있다. 또한 기반산업으로 금속산업에서는 합금재료로 사용되어 탈황, 강도 및 경도를 향상시키며 마그네슘 합금, 알루미늄 합금, 고성능 합금 소재로 이용되고 있다.

3.1. 희토류금속 국내 사용량
국내 희토류금속 재활용관련 산업은 활성화되어 있지 않아 시장규모에 대한 통계자료가 부족한 형편이다. 희토류금속의 재활용 시장규모 파악을 위해서는 무엇보다도 희토류금속 물질흐름분석 (materials flow analysis)이 필요하다. 일본의 경우 모든 희토류금속에 대하여 물질흐름지도 (materials flow map)를 만들어서 희토류금속 시장 및 재활용 시장의 규모를 파악하고 있다. 국내에서도 산업자원통상부를 중심으로 희토류금속 및 일반금속, 귀금속의 물질흐름 분석이 진행되고 있다. 물질흐름분석은 한국생산기술연구원 자원순환기술지원센터 주관으로 고등기술연구원, 공주대학교, 인천대학교, 한국기초과학지원연구원, 인하대학교 등이 참여하여 희토류 금속원소의 물질흐름분석을 진행하고 있다. 지금까지 Nd, Pr, La, Ce, Y, Er, Sc, Eu 등의 원소에 대한 물질흐름분석이 진행되었거나 수행 중에 있다. 물질흐름 분석을 통하여 파악된 바로는 각 희토류금속의 재활용 물질흐름은 현재 매우 미약하거나 거의 전무한 것으로 나타났다. 한편 그림 2는 각 희토류금속의 물질흐름 통계를 분석하여 종합한 희토류금속의 국내 사용량을 보여주고 있다. 희토류금속 산업별 사용량파악은 2010년부터 2012까지 이루어진 물질흐름 통계구축을 바탕으로 조사되었다. 이 기간 동안 평균적으로 국내에서 사용된 희토류금속 총량은 대략 4,200 톤 정도 되는 것으로 조사되었으며, 유리/연마재/세라믹분야에서 가장 많은 수요가 있어 2,200 톤이 넘게 사용되었다. 이 산업분야에는 Ce, La, Dy Sm, Y 순으로 희토류금속의 수요가 많았다. 다음은 촉매분야로 849 톤 정도가 사용되었고, 자성재료분야는 629 톤 정도가 사용된 것으로 파악되었다. 희토류의 경우 금속이외에 산화물 등 여러 화합물 형태로 사용이 되나 그림 2에 제시된 수치는 금속 순분량으로 환산한 값이다.
국내 희토류금속 재활용관련 산업 및 시장규모에 대한 통계자료가 전무한 실정에서, 희토류금속산업에 대한 통계자료는 재활용 시장에 대한 여러 예측자료를 제공할 수 있다는 점에서 매우 중요하다고 할 수 있다.

그림 2. Main applications of rare earth metals in Korea during 2010-2012

3.2. 희토류 재활용기술 정책 현황
희토류금속자원 빈국인 우리나라에서 재활용사업 지원을 위하여 한국환경자원공사 (ENVICO)에서는 폐기물 관리제도의 기틀을 마련하여 생산자책임 재활용제도 (EPR제도), 폐기물 부담금제도, 적법처리제도 등의 운영을 체계적으로 실시하고 있다. 또한 환경부에서는 재활용 기술개발을 통한 재활용산업 육성을 위하여 미래주도형 폐금속자원 재활용 기술개발연구를 통한 재활용기술 로드맵 작성과 폐금속 유용자원 재활용 사업단을 지원하고 있다. 이 사업단은 2011년부터 10년간 지속적인 연구개발을 진행 중에 있다. 한편, 에너지 및 자원 다소비 국가인 우리나라에서 재자원화, 청정기술개발이나 자원생산성 향상과 같은 활동을 지원하고자 지식경제부에서 에너지 및 자원순환기술개발과 관련된 사업을 추진해 왔다. 한국생산기술연구원 자원순환기술지원센터 (CRIM) 에서는 자원순환핵심연구센터 구축사업을 통해 자원순환기술 전반에 대한 체계적인 로드맵 수립과 토털 리사이클링 기술체계 구축 중에 있다.
자원순환기술지원센터에서는 2012년에 당시 지식경제부의 지원을 받아 자원 생산성 향상을 위한 자원순환 기술로드맵을 작성하여 발표하였다. 본 자원순환 기술로드맵은 대상기간을 단기 (‘12~’15년), 중기 (‘16~’20년), 장기 (‘21~’30년)로 구성하여 작성되었으며 작성내용은 글로벌전문기술개발사업 및 에너지자원순환 기반조성사업으로 추진하고 있는 도시광산산업에 대한 중장기 기술개발 전략으로 활용될 예정이다. 기술로드맵의 도시광산 분야의 8개 전략 제품분과에는 세륨 (Ce), 네오디뮴 (Nd), 이트륨 (Y), 란타늄 (La), 디스프로슘 (Dy)의 희토류금속을 우선순위금속에 포함시키고 있으며 네오디뮴 재활용의 경우 상세 로드맵을 제시하고 있다.
환경부와 한국지질자원연구원에서는 2010년에 미래주도형 폐금속자원 재활용 기술개발연구를 완료하였다. 이 연구에서는 폐금속자원 정책 및 기술개발현황을 분석하여 미래주도형 폐금속자원 기술개발 로드맵을 도출하였고 재활용 기술개발 RFP를 제시하였다. 도출된 로드맵에는 조명기기 폐기물 재활용, 자성금속 자기분리기술 등을 통한 희토류금속 회수기술 개발이 포함되어 있다. 또한 도출된 RFP 등은 2010년도 까지 진행된 자원재활용사업단의 기술개발 연구사업에 이어 폐금속자원 재활용 분야에 대한 지속적인 사업 발굴 및 지원에 활용되어 2011년 폐금속 유용자원 재활용 사업단 창출에 기여하였다.
일본 NEDO에서 3R 개념을 도입하여 희토류금속을 포함한 금속자원 재활용 기술을 분류하였는데 희토류금속 재활용과 관련된 연구 분야는 주로 희토류자석과 연계되어 진행되고 있다. 예를 들면 전지, 영구자석에서 물질을 회수하는 기술이 개발되고 있으며 Dy와 Nd의 경우 저감기술개발이 진행되는데 모터용 자석의 경우 Dy 대체물질 개발기술이 활발히 연구되어지고 있다. 상기에 제시된 기술 분류는 2010년 NEDO에서 발표한 내용으로 최근에 기술범위가 제한적이라고 판단되어 2012년 11월에 추가 보완 작업이 시작된 것으로 알려져 있다 (표 2).

표 2. Roadmap of Nd recycling from motors
(출처: 일본 경제산업성 산업구조 심의회 환경 부회 폐기물·리사이클 소위원회 2012)

4. 희토류금속 재활용 기술동향 및 사례

4.1. Nd 자석의 희토류 재활용

4.1.1. 산업 현황
현재 Nd 희토류 금속소재를 생산하는 국가들은 수출을 규제할 뿐 아니라 관련 기술 이전을 기피하고 있다. 국내 Nd 금속 안정공급 측면에서, 희토류광석의 분리, 정제, 환원공정을 통한 금속원료 확보기술은 소재 국산화가 전무한 실정에서 Nd 소재 산업군을 육성할 수 있는 시발점이 된다. Nd 금속의 경우, 국내 전방산업인 희토류자석산업, 모터산업, 전기전자산업 등은 이미 그 value chain에 많은 기업들이 positioning하고 있으며 (그림 3), 후방산업도 광물자원공사에서 남아공 희토류광산 지분을 인수하는 등 개발에 착수한 실정이어서 소재산업군만 중간에 blank로 남아 있는 실정이 되었다. 이와 더불어 사용 후 제품의 재활용산업 역시 Nd value chain에서 아직까지 산업이 자리 잡지 못하고 있는 산업 특징이 있다.
Nd 희토류 소재는 2010년에 국내에서 모두 410톤 정도 사용되었다 (그림 4). 이 중에 68% 정도는 전기전자제품의 영구자석형태로 사용되었다. 또한 의료장비인 MRI 등에 자석으로 13% 정도가 사용되었으며 일반기계류에도 13% 정도가 사용되었다. 하지만 많은 사용량이 기대되었던 신재생 에너지분야나 전기자동차분야는 아직까지 점유율이 높지 않은 것으로 분석되었다.
희토류자석의 합금이나 자석 제조공정에서는 공정 스크랩이나 불량품 등 다량의 스크랩이 발생한다. 이처럼 제조 공정 중 발생하는 스크랩은 재활용 기술이 아직 확립되어 있다. 사용 후 폐기되는 희토류자석은 개별적 회수가 어려워 재활용이 활성화되지 않고 있으며 일부 핵자기영상장치 자석 등 대형제품만 회수되고 있는 실정이다. 하지만 향후 풍력발전, 전기자동차 산업이 본격화 될 경우 제품 스크랩 발생량 급격하게 증가될 것이다. 따라서 Nd나 Dy 등의 유가원소를 효율적으로 회수하여 자원으로 유효하게 이용하는 것은 중요한 과제가 될 것이다.

그림 3. Value chains of Neodymium (Nd) in Korea

그림 4. Demand of Neodymium in Korea in 2010

4.1.2. 기술동향
Nd-Fe-B계자석 스크랩의 재활용기술은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 우선 제련공정 등을 통해 원소형태로 추출하여 재활용하는 금속추출 재활용법, 자석합금의 원료로 재생하는 합금소재 재활용법, 자석합금으로 그대로 재이용하는 자석 재이용법 등 3가지로 분류할 수 있다. 내부공정 중에서 발생한 공정스크랩은 수분이나 유분으로 오염되어 습식법으로 분리 정제하며, 사용 후 제품은 재용해 등을 통해 재활용한다. 습식법은 강산으로 용해되므로 용액제조가 어렵고, 다량의 폐액이 발생하여 환경오염의 위험이 높아진다. 환경규제가 심한 경우에서는 원가가 높아져 해외로 가지고 나가 제련공정에서 재처리하는 경우가 많다. 따라서 희토류금속의 자국 내 안정공급을 위해서는 국내에서 고효율로 회수할 수 있는 새로운 기술 개발구축이 요망된다.
일본 스미토모 금속공업 주식회사 Electronics 기술개발연구소는 희토류자석 제조에 세계적 수준의 기술을 확보하고 있는데, 재활용 역시 스미토모 금속공업 주식회사의 몰리코프 (Molycorp)사에서 폐 Nd 자석스크랩 재활용에 선도적인 역할을 하고 있다. 스미토모 사에서는 Nd 자석스크랩 (소결자석, 본드 자석, 공정 폐기물 등)을 이용하여 건식 처리법에 의한 재생 잉곳을 얻는 리사이클링 기술을 검토하여 가능성이 있다고 결론내었다. 전체적으로 고형폐기물의 경우 탈자·부품 박리 → 도금층 제거 → 분쇄 → 탈탄 → 칼슘 취화물 환원 → 순수한 물 세정 → 펠릿화 → 재용해의 공정을 개발하고, 분말 폐기물의 경우 수분·이물 제거 → 탈탄 → 칼슘 취화물 환원 → 순수한 물 세정 → 펠릿화 → 재용해의 공정으로 이루어지는 건식 산화 환원법을 제안하였다.

(1) 일본 기술개발 동향
현재 희토류 자석 재활용 기술개발은 일본에서 선도적으로 진행하고 있다. 일본 AIST (산업기술총합연구소)에서는 Nd 자석을 비자성 특수강으로 때려서 300℃ 정도로 가열 후 특수한 분쇄법을 이용, 95% 이상의 고품위 자석 합금을 회수하는 기술을 제안하였다. 일본 동경대학 생산기술연구소의 오카베 교수는 Nd 자석을 용융 MgCl2 염화물 등의 용융염에 침적시켜 희토류원소를 선택적으로 침출 분리하는 건식공정을 개발하였다. 이 방법은 생성물의 증기압차이를 활용하여 희토류 화합물과 희토류금속의 상호 분리가 가능하여 다량의 스크랩 처리에도 적용할 수 있다고 판단된다. 또한 일본 아키타 대학에서는 염화 휘발법을 이용 Nd-Fe-B 자석으로부터 희토류 원소의 선택적 분리회수 공정을 개발하기 위한 기초 자료를 획득하고자 염소기체를 흘리는 분위기에서 Nd-Fe-B 자석 중의 Nd, Pr과 같은 공존 원소의 염화 휘발 거동을 연구하였다. Fe와 B염화물은 저온부에서 휘발되고 고상에 Nd와 Pr을 농축시키는 것이 가능하게 되어 Nd와 Pr을 수용액에 용해시켜 선별적 분리가능하다. 종래의 습식법에 비해서 염화 휘발법은 분리와 농축회수가 동시에 실시가능하고 공정의 간소화, 처리시간의 단축이 가능하다. 또한 폐액 처리량이 저감되어 공정 단가를 낮출 수 있으므로 종래 채산성이 없다고 판단되었던 희소금속의 분리회수가 가능하게 되었다고 보고하고 있다. 이와 같은 건식 재활용법은 여러 연구소에서도 연구가 되고 있으나 현재는 기초연구단계에 있다.
한편 습식공정의 경우, 일본 와카야마 대학에서는 하드디스크 내장 모터, 휴대 전화 스피커, 에어컨 콤프레서용 모터, 하이브리드 자동차용 모터 등 광범위하게 사용되는 Nd-Fe-B 소재로부터 희토류 원소를 용매 추출법과 침전 생성법 등 화학적 반응에 기초하는 분리 회수기술을 개발하였다. 와카야마 대학에서는 시료를 염산 수용액과 유기용매로 추출하여 철을 제거시킨 잔류액에 Nd, Dy, Pr및 B가 잔류하는데 B를 용매 추출하여 제거하였다. 이 용액에 옥살산암모늄을 반응시켜 난용성염을 생성, 희토류 원소를 회수하였다. 이 때 생성된 침전을 소성시키면 산화물로 회수하는 것도 가하며 이렇게 해서 Nd 자석의 주성분이 되는 Fe, B성분을 거의 완전히 제거 가능하다.

그림 5. Neodymium contents in final products

(2) 국내 기술개발 동향
국내의 경우, 한국지질자원연구원에서 폐전자기기/자동차 영구자석으로부터 희토류원소 회수기술개발을 진행 중에 있다. 이 연구에서는 네오디뮴과 디스프로슘을 분리 회수하는 기술로 전처리공정, 선택적 침출공정, 분리/정제 일괄공정을 확립하는 것을 개발하고 있다. 한편 한국지질자원연구원에서는 ‘희유금속 광물의 처리’, ‘희유금속의 분리/정제’, ‘특수용해 및 고순도화’ 등에 대한 연구를 지속적으로 수행해 오고 있으며, 매년 희유금속 및 희토류 자료가 포함되어 있는 ‘광산물 수급현황’을 조사 및 발간하고 있다. 한국생산기술연구원 희소금속산업기술센터에서는 희토류재활용과 관련하여 미국 아이오와 주립대학의 AMES lab과 공주대학교와 MOU를 맺고 국제공동연구를 진행 중이다. 국제공동연구의 기술 개발 내용은 Nd-Fe-B 희토자석을 파쇄-플라즈마 처리 및 선택적 용해공정을 이용해 합금을 만들고 Mg-Nd를 분리해내는 추출기술 개발과 Nd가 추출되고 남은 Fe-B 잔류물을 고기능 비정질 신소재로 개발하는 순환원천기술 개발, 황산과 질산등을 이용해 폐 Nd-Fe-B 자석에서 Nd를 추출하는 희토자석 소재화기술 개발, 고내열, 고강도의 특성을 지닌 Mg-Nd-(x) 합금 기술 개발을 진행하고 있다. 한편, 고등기술연구원에서는 자석에서 희토류금속회수를 위한 단체분리, 선별 등 전처리 기술개발을 진행 중에 있다. 이외에도 한국과학기술연구원, 재료연구소 등 연구소와 국내 대학에서 희소금속의 고순도화 기술 및 합금화 기술 등에 대한 연구를 진행한 바가 있다.
네오디뮴의 재활용 경제성을 확보하기 위해서는 제품에 들어있는 함유량을 분석하는 것이 재활용기술개발의 시점이 될 것이다. 고등기술연구원에서는 각 제품에 들어 있는 Nd의 함량을 조사하였다. 컴퓨터 하드 디스크에 함유된 Nd량은 컴퓨터본체 무게 기준으로 360 ppm 들어 있으며, 에어컨의 경우는 370 ppm 함유되어 있는 것으로 분석되었다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 최종제품의 무게기준으로 네오디뮴의 함유량은 대부분 200 ppm에서 400 ppm 사이에 존재하였다. 따라서 경제성확보를 위해서는 물리기계적인 단체분리, 선별/농축의 전처리 공정기술이 매우 중요하게 될 것이며 일본 등에서는 이미 전처리를 통한 Nd농축에 대한 연구가 시작된 실정이다. 그림 6은 일본 산업기술종합연구소의 Oki Tatsuya가 제안한 HDD에서 니오디뮴을 물리적선별에 의해 농축할 수 있는 기술을 보여주고 있다. 이 기술이 핵심은 자석이 들어 있는 VCM 부분을 기계적으로 펀칭하여 니오디뮴을 10배 정도로 농축할 수 있는 장비개발에 있다.

그림 6. Separation of neodymium contents from HDD by cutting

4.3. 형광체 희토류의 재활용

4.3.1. 개요
조명 및 평판디스플레이 (LCD, LED, PDP 등)에 사용되는 형광체는 발광체나 형광모재로서 희토류가 사용되고 있다. 형광체에 함유되어 있는 희토류는 주로 Eu, Tb, Ce (부활성제)와 광학적으로 불활성인 Y나 La (모재성분)이 있다. 희토류 형광체를 이용한 제품이 점차 확대되고 있으나 조명 및 디스플레이의 리사이클링으로 수은이나 일반금속의 재이용 이외에 형광체 재활용에는 이르지 못하고 있다. 하지만 최근에 희토류 원소와 희소금속의 안정적 확보가 안보적 차원에서 접근되고 있는 등 리사이클링에 대한 필요성이 높아지고 있는 실정이다.
기존의 형광체 재활용 기술은 대부분 폐형광 등으로부터 처리공정 중에 발생하는 각 재료별 분리 및 회수, 특히 공정 중에 발생되는 유해 물질인 수은의 안전한 처리기술에 중점을 두고 개발되고 있다. 일본 및 미국 등의 선진국에서는 최근 희토류금속의 중요성이 대두됨에 따라 조명기기로부터 형광체의 재활용 기술개발이 많이 이루어지고 있으나 (그림 7 참조), 형광체의 낮은 회수율과 분급효율로 인해 경제성이 낮고, 다른 형광물질 및 유리 튜브로부터의 불순물 유입 등 회수된 형광체의 낮은 품질 문제로 인해 기술 진척도가 느려 대부분 실용화 기술개발 단계에서 어려움을 보이고 있는 상황이다.
조명/디스플레이 리사이클에서 환경오염이 문제되는 수은은 리사이클 제품원료로 이용하는 프로세스가 상용화까지 되어있다. 하지만 형광체 분말은 일부 재생 형광체로 리사이클하고 있으나 리사이클이 되지 않는 경우가 훨씬 많다. 형광체의 리사이클이 활성화되지 않는 이유는 형광체의 성능이 희토류의 배합비율 및 순도에 민감하나, 회수한 폐형광체는 여러 종류의 형광체와 희토류 성분이 혼합되어 있고 부품에서 들어오는 불순물 성분도 혼입되어 있다. 또한 폐형광물질의 장기 사용에 따른 열화 현상에 따라 재활용 형광체의 성능 저하가 발생함에 따라 재활용된 형광체의 사용에 제한이 따르는 상황이다. 따라서 폐 형광체는 회수하여 그대로 사용할 수 없으며 희토류 성분을 분리 회수하여 고순도로 재생하지 않으면 제품에 사용할 수 없다. 그러므로 분리선별이나 고순도화 등 기술적으로 해결해야 할 과제가 많이 있다.

<이하 생략- 자세한 내용은 세라믹코리아 8월호를 참조 바람.>

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