지각내의 한 장소에 농집되어 나타나는 정도가 희소(稀少)한 원소 또는 금속을 총칭하여 희유금속(稀有金屬) 이라고 하며, 산업용으로만 이용되어 온 희유금속은 천연에서의 산출부족으로 뒤늦게 발견되었고, 일반 수요의 결핍, 추출과정의 어려움 등의 이유로 “희유원소” 라는 용어는 시대적으로 채택된 하나의 개념으로, 20세기초에 들어와서야 비로소 산업의 필요성이 나타나기 시작하였다. (중략)
고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 핵심부품인 스택의 MEA는 전극과 멤브레인 전해질, GDL(Gas Diffusion Layer)로 구성되며, 전극은 Anoth극과 Cathod극으로 나뉘어 각각의 전극 특성에 적합한 전극촉매를 적용하게 된다. Anoth극과 Cathod극은 탄소 지지체 위에 원하는 사양의 희유금속이 도포되어 존재하는데 이들 희유금속은 그 희귀성으로 인해 사용 후 반드시 재사용되어야 한다. 사용된 전극에서의 희유금속 회수는 산침출, 불순물제거, 추출, 탈거 공정으로 이루어지며, 산침출 시 산화제로 사용된 NaOCl로 인한 침출용액 내의 Na+ 이온의 증가는 불순물제거 공정에 의해 반드시 제거되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 CCG 방식으로 전극촉매를 GDL에 코팅한 MEA로부터 백금족 희유금속을 회수 시 MEA에 포함되어 있는 소량의 불순물을 제거하고자 한다.
우리나라의 희유금속 수입액은 6,034 백만불에 달하나 국내 희유금속 자급률은 1% 수준에 불과하여 효율적인 비축제도의 운영이 필요하다. 이에 본 연구에서는 효율적인 비축전략 수립을 위해 비축 대상이 되는 희유금속의 유 무형 위험 요인을 정량화하여 비축 적정성을 평가할 수 있는 체계를 수립하였다. 본 연구에서 개발한 모형은 중장기적인 관점에서 기술변화와 시장변화에 맞추어 우선 비축이 요구되는 희유금속을 선별하고 비축정책의 방향성을 제시하는데 그 목적이 있다. 모형을 통해 도출된 평가결과는 위험상태 행렬(criticality matrix)로 표현되어 희유금속의 안보수준을 정량적으로 측정할 수 있으며 상대비교를 가능케 한다. 따라서 향후 정책수립에 있어 본 논문에서 제안한 모형이 활용된다면 보다 효율적인 비축정책 수립이 가능할 것으로 기대된다.
본 연구는 35여종의 희유금속을 대상으로 광석(정광), 금속, 화합물, 스크랩 등 4개 유형으로 광종별 원재료를 범주화하고 교역 구조를 분석하였다. 우리나라 희유금속원재료 교역 규모는 점차 확대되어 교역 증가폭이 GDP 증가폭을 큰 폭으로 상회하고 있다. 희유금속 원재료는 실리콘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 망간 등 철강원료자원 위주로 수입이 주로 이루어지고 있으며 전자공업원료자원 중 인듐, 게르마늄 등은 총교역규모 1억불 이하의 작은 규모로 수입추이변화에 미치는 영향은 제한적이나 연간증가율이 20%를 상회하여 지속적인 수급관리가 필요하다. 수입규모는 수출규모의 약 3배이며 희유금속 원재료 수출입 유형은 국내산업구조 및 수요의 특성에 따라 광종별로 다양한 양상을 보이고 있으나 수입, 수출 모두 상당수가 금속형태로 교역이 이루어지고 있다.
4차산업 혁명과 에너지 신산업 등의 성장에 따라 희유금속의 사용이 계속하여 증가하고 있으며, 희유금속의 사용 증가에 따라 희유금속의 재활용이 중요해 지고 있다. 본 논문에서는 희유금속 중 하나인 주석 소재의 국내·외 품질 기준 현황과 재활용된 주석의 성능 테스트에 관해 조사하였다. 성능 테스트 결과, 천연자원 주석과 재활용된 주석의 성능 차이는 없는 것으로 분석되었다.
해양광물자원은 크게 해저면에 부존되어 있는 해저광물자원과 해수 중에 녹아 있는 해수광물자원으로 대별된다. 해수에는 막대한 양의 유용광물이 녹아 있어 회수기술 개발이 완료되면 상업화 가능성이 큰 것으로 알려져 있다. 21세기에 들어 육상금속자원의 저품위화 및 매장량 고갈에 따라 자원 보유국들이 자원을 무기화 하는 경향이 심화되고 있다. 따라서 대부분의 금속자원을 수입에 의존하는 우리나라는 삼면이 바다인 지리적 특성을 살려 해수로부터 희유금속 회수기술 개발에 적극적으로 나설 필요가 있다. 본 연구에서 해수로부터 희유금속 회수관련 논문분석 결과, 미국이 495편의 논문을 게재하여 양적 질적으로 가장 우수한 것으로 나타났다. 연구기관별로 보면 Chinese Acad. Sci.가 152편의 논문을 게재하여 양적으로 많은 연구가 이루어졌으며, 31편의 논문을 게재한 Univ. Oxford는 질적으로 가장 우수한 것으로 나타났다.
첨단산업의 원재료로 사용되는 희유금속은 국내 산업구조변화와 기술변화에 따라 수요구조와 공급망이 변화하며, 가격 변동성이 높아 주기적으로 수요구조 변화분석을 시행하는 것이 필요하다. 국내에서는 대부분의 희유금속 수요를 수입에 의존하고 있어 교역구조 변화를 분석하는 것을 통해 국내 수요변화를 확인할 수 있다. 본 연구에서는 희유금속 35종을 대상으로 광석(정광), 금속, 합금, 화합물, 스크랩 등 5개 유형별로 2000년부터 2022년까지 교역규모, 교역증가율, 교역순위, 교역국가 등의 변화를 분석하였다. 우리나라 희유금속 원재료 교역은 '09년과 '16년의 큰 폭의 하락을 제외하고는 2000년대 이후 전반적으로 증가하는 추세로, 수출과 수입을 모두 포함하는 총교역규모는 '01년 대비 '22년 10배가량 증가하였다. 2010년대 중반까지는 규소, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 망간 등 철강산업 원료 위주로 교역이 이루어졌으나 그 이후에는 팔라듐, 로듐, 백금 등의 백금족과 리튬, 코발트 등의 이차전지 원료의 교역이 증가하였다. 특히 '22년에는 리튬의 수요증가와 가격급등으로 인해 리튬이 가장 큰 교역 비중을 차지하였다.
한국이 현재 탐사하고 있는 해저광물자원의 유형은 망간단괴, 망간각, 다금속황화광체 등으로 구분된다. 망간단괴에 함유되어 있는 주요 희소금속은 Pt로 지각함량 대비 최대 400 배까지 부화되어 있다. 망간단괴의 총 희토류 함량은 0.037~0.302 REO %, 평균 0.12 REO %를 보인다. 망간각의 주요 희소금속은 Te 및 Pt로 각각 10800 배, 150배 정도의 부화량을 보인다. 총 희토류 함량은 0.013-0.387 REO %, 평균 0.18 REO %로 망간단괴 보다 다소 높은 함량을 보인다. 다금속화황광체의 주요 희소금속은 Se 및 In으로 각각 1300 배, 110 배의 높은 부화량을 보이며, 금(0.8~26.3 g/t), 은(0.9~348.0 g/t) 등의 귀금속이 함유된다. 해저광물자원에 함유되어 있는 희유금속은 채광 예상 금속 종인 Co, Ni, Cu 등의 채광 경제성을 높여 줄 것으로 생각되며 첨단산업을 위한 희유금속 확보 차원에서 의미가 있다.
젖산을 이용하여 안전하게 양극활물질에 있는 Co, Mn, Ni을 침출할 수 있는 방법을 개발하였다. 양극활물질을 젖산으로 침출 시켰을 때, 젖산의 농도는 1N과 4 N 이상에서 보다는 2 N에서 가장 높은 효율을 보였다. 양극활물질을 단계적으로 젖산 용액에 첨가 하였을 때, 최대 용해도는 2 N의 젖산 용액에서 1 L 당 30 g이었다. 젖산 용액에 옥살산을 첨가하였고 희유금속들은 1 L 당 4 g에서 가장 경제적인 회수율을 보였다. 본 연구를 바탕으로 해서, 양극활물질로부터 희유금속들을 회수하기 위한 최적의 조건은 무게비로 옥살산과 양극활물질이 7 : 1이라는 것을 확인할 수 있었다. 첨가하여, 옥살산에 의해서 생성된 침전물은 Co, Ni, Mn 3성분이 결합되어 있는 다핵 결정성 물질이었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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