희토류 광물을 생산하는 세계의 유명 광산

첨단기술로 생산되는 스마트폰과 풍력발전기에 필요한 자성체, 전기자동차의 배터리 전극 재료 등은 매우 중요한 광물을 이용한다. 희토류 원소(稀土類元素)라 불리는 광물질이 바로 그들이다. 오늘날 세계는 희토류 원소(희토류 금속, 희귀원소, 희소원소)를 확보하기 위해 온갖 노력을 다한다. 1990년대까지만 해도 희토류 원소의 최대 생산국은 미국이었지만, 이후부터는 중국이 대부분을 생산하는 국가가 되었고, 2020년대에 와서는 오스트레일리아도 중요 생산국으로 등장했다.​

희토류 원소는 천연상태의 매장량이 많지 않은 원소이기 때문에 rare-earth elements(지구에 드문 원소)라 불리게 되었으며, rare-earth metals(희토류 광물) 또는 rare elements(희유원소, 희소원소)라 불리는 물질들이다. 여기에는 원소주기율표에서 제3족 4주기에 속하는 원자번호 21번인 스칸듐(21)과 제3족 5주기의 이트륨(39), 그리고 3족 6주기에 속하는 란타눔(57)부터 세륨(58), 프라세오디뮴(59), 네오디뮴(60), 프로메튬(61), 사마륨(62), 유로퓸(63), 가돌리늄(64), 테르븀(65), 디스프로슘(66), 홀뮴(67), 에르븀(68), 툴륨(69), 이테르븀(70), 루테튬(71) 15종(란타눔계라 부름)을 포함한 17종의 원소를 말한다.

주기율표에서 노란색으로 나타낸 원소들이 희토류 원소에 속한다. 희토류원소(희유원소)라고 하지만 그들 중에는 매장량이 많은 원소도 있고, 순수한 금속으로 추출하기 어려운 것도 있다. 이들 원소는 모두 광채가 나는 중금속이다. 스칸듐과 이트륨은 란타눔계가 아니지만, 자연계에서 란타늄계 광물과 함께 산출되면서 화학적 성질도 닮았다. 오늘날 이들 희유원소는 전자제품, 레이저, 유리 가공, 자석, 제조 공정 등에 중요하게 이용된다.​

제2차 세계대전이 끝나자, 이전까지 금광을 주로 찾아다니던 광물탐사가들은 우라늄이라는 새로운 광물을 주목하게 되었다. 1949년에 세 사람의 광물탐사가들은 방사선 탐지기(가이거 계수기)를 휴대하고 네바다주와 캘리포니아주가 경계하는 마운틴패스(Mountain Pass)라 불리는 곳에 있는 버려진 노천광산(露天鑛山)을 찾아왔다. 이 노천광산은 1800년대에 금과 은, 구리, 코발트 등을 산출하던 유명한 곳이었다.​

그들은 몇 주일 동안 사방을 탐사했으나 어디서도 방사선이 탐지되지 않았다. 그러나 그들은 불소(F)와 희유원소가 포함된 광맥을 발견했고, 거기서 방사성 토륨의 흔적도 찾아냈다. 탐사가들은 새로 발견한 희토류 원소 광산의 채굴권을 몰리코프(Molycorp)라는 광산회사에 넘겼다. 당시 몰리코프는 유리 연마제로 사용하는 세륨(Ce)과, 새로 나온 컬러텔레비전의 형광을 빛나게 하는 유로퓸(Eu) 원소에 관심을 가지고 있었다.

이때부터 마운틴패스 노천광산은 1980년대 말까지 수십 년 동안 세계 최대의 희유원소 산지였다. 그러나 시간이 지나면서 중국이 희유광물을 대량 생산하여 싼값으로 팔기 시작했다. 때마침 마운팀패스 광산에서는 채광(採鑛)에 따르는 환경오염이 사회적 문제를 발생시켜 어려움을 겪게 되었다. 결국 이 광산회사는 2002년에 이곳을 폐광하고 말았다.​

세월이 지나면서, 환경오염을 최소화하는 채광기술이 나오게 되자, 마운틴패스 광산은 다시 미국에서는 최대의 희토류 금속 산지로 재탄생하게 되었다. 2023년 현재, MP Materials 광산회사가 이곳에서 생산하는 희토류 광물들은 풍력발전기와 전기자동차의 배터리, 스마트폰을 비롯한 최신의 전자장치들의 제조 원료가 되고 있다.

캘리포니아주 남동쪽에 있는 마운틴패스 노천광산의 전경이다.​

자연상태의 희토류 광물은 다른 물질들과 화합물 상태로 존재하기 때문에 이들을 순수하게 분리하는 제련(製鍊) 과정에는 많은 에너지와 물이 필요하고, 동시에 독성물질과 중금속 및 방사성 토륨이 부산물로 나오게 되어 자연환경을 위협했다. 광산에서는 폐기되는 폐수와 오염물질을 웅덩이에 저장해두었지만, 결국 지하수를 오염시키는 환경문제를 발생시킨 것이다. 결국 과학자들은 환경오염 없이 희유광물을 재련하는 새로운 방법을 연구하게 되었다.

지도는 세계적으로 유명한 희토류 광산 소재지를 나타낸다. 1은 미국, 2는 브라질, 3과 4는 러시아, 5~8은 중국, 14가 오스트레일리아이다.​

환경문제 때문에 마운틴패스 탄광이 폐업한 1990년대 이후부터는 중국이 전체 희토류 광물의 80-90%를 생산하게 되었다. 사진의 중국 바양오보(5) 광산에서는 2019년에 전체 생산량의 45%를 산출하고 있었다. 이 광산의 규모는 약 48km2나 된다. 현재도 이 광산은 주변 주민의 건강과 농토에 피해를 주고 있다.​

최근 오스트레일리아 서부에 있는 사화산인 웰드산(Mount Weld)이 새로운 희토류 광산으로 등장했으나 아직은 생산량이 많지 않다. 한편, 마운트패스 광산에서는 2012년 가을부터 환경 피해를 최소화하는 새로운 공법으로 채광을 시작하여, 2023년 현재 세계 전체 산출량의 15%를 생산하고 있다.​

희토류 원소의 일반적인 성질은 저온에서도 다른 물질과 화학반응을 잘 일으키는 것이다. 예를 들어 낮은 온도에서도 물과 반응하여 수소를 발생시키고, 400℃ 정도에서 물과 산화반응을 일으키면서 자연발화하기도 한다. 이들은 어느 것도 인체에 필요한 것은 없으며, 물에 녹을 수 있는 물질은 인체에 독성을 나타낸다.​

세륨(Ce 58번)과 같은 원소는 구리보다 더 많이 존재하지만 순수분리하기가 어렵다. 일반적으로 신문방송을 통해 표현되는 희유원소에는 위에 설명한 17종의 희토류 원소 외에, 용도는 많으나 생산량이 부족한 다른 원소(리튬, 티타늄, 코발트 등)도 포함되어 있다.​

오늘날 희토류 원소들은 각종 첨단기술산업에서 중요한 원료로 쓰이고 있다. 이들의 합금은 비행기 동체 제조, 조명등 제조, 정유공장에서 방사성물질 검출, 인공치아, 연료전지, 전력 소모가 적은 LED, 특수한 색을 내는 유리, 화학 촉매, 연마재, 로켓 엔진 보호제, 레이저 발생물질, 특수 자성체, 배터리 전극, 형광 페인트, MRI, 중성자 흡수제, 연료전지 등에 이용되고 있다. 스칸듐을 비롯한 희토류 원소들의 성질과 용도에 대한 좀더 구체적인 내용은 본사 블로그에서 검색하기 바란다. – YS