희토류 원소(희유원소)는 왜 귀중한 물질인가?

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희토류 원소에 대한 뉴스가 거의 매일 나오고 있다. 그 이유는 오늘날의 인류가 희토류 원소를 너무나 광범위하게 이용하기 때문이다. 지금의 세계 인류는 희토류 원소 덕분에 편리하게 살아간다. 개인이 소지한 휴대전화기는 자신의 중요한 신체 일부가 되었다. 희토류 원소가 없다면 더 이상 휴대전화기를 생산하기 어렵게 된다.

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희토류 원소(rare earth element) 또는 희유원소(rare element)라 불리는 물질은 17가지이다. 원소주기율표에서 원자번호 57번 란타늄(lanthanum, 랜서넘)에서 71번 루테튬(lutetium)까지(란타논족이라 부름) 15가지 원소와, 원자번호 21번인 스칸듐(scandium)과 원자번호 39번인 이트륨(yttrium)이 그들이다. 이들 17가지 원소를 희유원소라 부르지만, 사실 그들은 지하에 그렇게 희귀하지는 않다.

 

 

 

주기율표에서 Sc(스칸듐), Y(이트륨) 아래의 황색 공간에 15가지 란타논족(lanthanon, lanthanide)이 들어간다. 희유원소는 Sc와 Y와 아래 갈색 밴드로 표현된 La(란탄, 원자번호 57)부터 Lu(루테튬, 원자번호 71)까지의 원소 15종을 포함한 17종이다.

 

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희토류는 왜 귀한가?

희토류(稀土類) 또는 희유(稀有)원소는 땅속에 귀한 원소라는 뜻으로 붙여진 이름이지만 이들 모두가 희귀하지는 않다. 그들은 구리나 주석 정도로 많이 매장되어 있어도 포함된 농도가 지극히 낮다. 즉 그들은 순수한 상태로 존재하기보다 다른 원소나 물질들과 화합하여 존재한다. 그러므로 희토류 원소를 채굴하여 분리하거나 정제하기가 매우 힘들다. 다시 말해 그들을 생산하려면 엄청난 양의 광물을 파내어 물리 화학적으로 처리해야 하는 것이다.

 

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분리와 정제가 힘들지만 희토류 원소는 공업적 용도가 너무나 중요하기 때문에 꼭 생산할 필요가 있다. 그들은 휴대전화, 전기자동차, 뇌 진단장치, 풍력발전기의 터빈 제조 등에 필수적이다.

 

 

 

유럽 국가(EU)는 유로(euro) 화폐를 사용한다. 위조 유로를 감별할 때는 X선을 쪼인다. 진폐이면 보이지 않던 영상이 나타난다. 이것은 유로를 인쇄할 때 원자번호 63번인 유로퓸(Eu)이 포함된 잉크를 사용한 때문이다. 잉크 속의 유로퓸은 자외선을 받는 순간 광자를 방출하여 숨겨진 영상을 나타낸다.

 

 

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그들이 특별한 성질을 가진 이유는 무엇인가?

희토류 원소들이 놀라운 성질을 가지는 이유는 바로 그들이 가진 f-전자(f-electron)라 불리는 전자 때문이다. 모든 원소의 핵 둘레에는 전자가 일정한 궤도에서 돌고 있다. 즉 가장 근접한 궤도(K전자각, 전자껍질)에는 1개 전자가, 두 번째 L궤도에는 2개, 3번째 M궤도에는 8개, 4번째 N궤도에는 16개, 5번째 O궤도에는 32개, 6번째 P궤도에는 64개, 그리고 더 많은 전자는 7번째 Q궤도에서 돌고 있다.

 

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양자과학이 발달하면서 과학자들은 이러한 원소의 각 전자궤도를 더 세분하여 s, p, d, f 궤도라는 준전자 궤도(subshell)로 구분하게 되었다. s-준전자 궤도에는 2개의 전자가, p-준전자 궤도에는 6개, d-준전자 궤도에는 10개, f-준전자 궤도에는 14개의 전자가 있다.

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희토류 원소들은 f-준전자 궤도의 전자가 특별한 에너지를 방출한다. 예를 들어 터븀(terbium)의 f-전자는 녹색 빛을 내고, 유로퓸(uropium)은 적색과 청색 빛을 낸다. 이들이 방출하는 빛은 바로 휴대전화와 텔레비전 및 광전판의 스크린에서 빛을 내고 있다. 그리고 이트륨과 네오디뮴의 f-전자는 강력한 레이저가 되어 강철을 자르거나 문신 제거 수술을 하는 의료장치로 이용된다. 그리고 어븀(erbium)의 f-전자에서는 광케이블 속으로 인터넷 정보를 전송하는 강력한 빛을 낸다.

 

네오디뮴(neodimium)이라는 희토류 원소의 f-전자는 강력한 자성을 갖게 한다. 따라서 네오디뮴 자석은 헤드폰 속에서 진동을 하여 소리를 재생시키고, 컴퓨터 하드드라이브의 정보를 읽어내는 동시에 정보를 기억시키는 역할을 하며, 중요한 뇌 진단장치인 MRI의 강력한 자력을 형성해주고 있다.

 

 

 

네오디뮴에 디스프로슘을 혼합하면 내열성이 특별이 좋으면서 자력이 강한 자석을 만들 수 있다. 이것은 전기자동차 엔진의 중요한 부속이 되고, 자기부상열차의 자력이 되어 궤도 위를 뜬 상태로 조용히 질주할 수 있게 한다. 한편 세륨(cerium)이라는 원소는 훌륭한 촉매제가 되어 원유를 정제할 때 이용되고, 가돌리늄(gadolinium)은 원자로 속에서 중성자를 흡수하는 역할을 한다.

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위에서 간단히 설명한 것처럼, 희토류 원소들은 현대의 첨단산업에서 중요한 용도로 쓰이고 있을 뿐만 아니라 그 용도가 날로 새롭게 발전하고 있다. 따라서 희토류 원소의 수요는 앞으로 더욱 증가할 것이다. 그러나 이들 원소는 생산비 때문에 대단히 고가이므로, 폐기물 속에서 경제적으로 추출하여 재활용하는 방법이 많이 연구되고 있다.

 

 

 

컴퓨터, 휴대전화, 재충전 배터리 등의 각종 전자장치 속에는 희토류 원소로 만든 부속들이 있다. 이들의 폐기물에서 희토류 원소를 골라내어 재활용하는 기술이 발전하고 있다.

 

 

 

세계는 2021년에 28,000톤의 희토류 원소를 생산했다. 이 양은 1950년대보다 32배 많다. 그리고 2040년이 되면 2021년보다 7배 정도 생산하게 될 것이라 예측하고 있다. 이렇게 귀하고 비싼 희토류 원소를 대신할 물질은 없을까? 현재로서는 대체 물질이 없다.

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희토류 원소를 채굴하여 정제하려면 대량의 광물을 물리 화학적으로 처리해야 하기 때문에 막대한 열(에너지)이 필요하다. 또한 처리 과정에 먼지와 염산과 같은 독성물질이 대량 생산된다. 희토류 원소의 최대 생산국이 중국인 이유도 여기에 있다.

 

 

 

폐기하는 휴대전화기에는 재활용이 가능한 희토류 원소가 있다.

 

 

 

휴대전화기는 희토류 원소의 중요한 재활용 자원이다. 로봇을 이용하여 폐기된 휴대전화에서 필요한 부분을 확보하는 연구도 이루어지고 있다.

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현재 가장 재활용이 잘 되고 있는 금속이 철과 구리이다. 그러나 희토류 원소의 재활용 비율은 1% 정도이다. 생산과 재활용이 어려운 희토류 원소를 경제적으로 생산할 방법이 없을까? 일부 과학자들은 미생물을 이용하여 원광만 아니라 폐기물로부터 순도 높은 희토류 원소를 생산할 수 있는 방법도 연구하고 있다.

 

- 전파과학사 <과학상식 Q & A> - YS

 

 

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