1. 서 론
2. 희토류 영구자석의 공급망 이슈
3. 순환경제를 위한 희토류 영구자석 재활용 기술
3.1. 재사용(Reuse)
3.2. 단순 순환 재활용(short-loop recycling)
3.3. 장기 순환 재활용(Long-loop recycling)
4. 결 론
1. 서 론
희토류는 독특한 화학적, 전기적, 자성적, 발광적 성질로 인해 소량 첨가만으로 기존 제품의 성능을 월등하게 향상시키고, 상용화 가능한 대체재도 부재하여, 4차산업 및 첨단산업에서 높은 전략적 가치를 가지고 있다. Table 1과 같이 스마트폰, 반도체, 전기차 모터, 풍력 터빈, 정밀 유도 무기 등 첨단 장비 대다수에 희토류 소재가 적용되기 때문에 희토류를 ‘첨단산업의 비타민’이라 부른다.
Table 1
Types and applications of rare earth elements
희토류는 상술한 바와 같이 각 원소마다 독특한 특성을 바탕으로 첨단산업에의 응용분야가 매우 다양하고, 그 중 영구자석이 가장 큰 시장을 차지하고 있어 희토류 공급망(Supply Chain) 이슈가 제기될 때마다 그 중심에 있다. 특히, 네오디뮴 영구자석은 일반 자석보다 5배에서 12배 정도 강력한 힘을 내기 때문에, Fig. 1에 나타낸 것처럼 전기차의 심장인 구동모터, 거대한 풍력발전기 터빈, 그리고 인간을 닮은 휴머노이드 로봇의 정밀한 움직임을 만드는 서보모터에 반드시 필요하다1,2,3,4,5,6).
공급망(Supply Chain)과 더불어 가치사슬(Value Chain)에 대한 중요성도 증가되고 있는데, 가치사슬은 제품이 시장에 전달되기까지 각 단계에서 부가가치가 더해지는 활동(예: 제품 성능 향상, 공정 혁신 등)들의 집합을 의미한다. 가치사슬은 산업의 경쟁 우위를 높이는 경향이 있는 반면에 공급망(Fig. 2)은 제품을 시장에 전달하기 위한 조직과 물류에 더 초점을 둔 개념이다. 예를 들어, 캐나다(Fig. 3)의 경우, ‘Mines to Mobility(광산에서 모빌리티 산업까지)’ 전략으로 무공해 차량 제조 분야의 대규모 투자를 이끌어 낸 성공사례를 기반으로, 중요 광물의 탐사부터 재활용까지를 중심에 두고, ‘Mines to Mobility’가 구축한 토대를 넘어 탐사부터 재활용까지의 가치사슬 각 단계에서 역량을 강화하는 방향으로 확대하고 있다7).
Fig. 3.
Example of the rare earth elements value chain (cited from Canada’s Critical Minerals Strategy7)).
전 세계가 더 친환경적인 미래로 전환함에 따라, 청정 기술 및 디지털 기술의 양이 증가할 것으로 예상된다. 이에 대응한 순환경제 솔루션을 확대하여 소재의 순환을 강화하고, 재활용 인프라와 이차자원 시장을 통해 소비 후 제품에 포함된 광물과 금속에 대한 접근성을 높이며, 광미 및 산업 폐기물에서 이러한 자원을 회수하도록 장려해 나가고 있다. 순환경제의 실천은 향후 수십 년 동안 중요 광물 개발로부터 얻는 이익을 유지하도록 돕고, 아직 미개척된 산업 분야에서 새로운 기회를 창출하게 할 것이며, 이를 통해 지속가능한 산업 혁신과 ESG 분야에서의 글로벌 리더십을 더욱 확고히 할 수 있을 것이다.
2. 희토류 영구자석의 공급망 이슈
희토류를 놓고 미국과 중국 사이의 갈등이 심화함에 따라 글로벌 공급망이 위기에 처해 있다. 중국은 그간 수차례 희토류 수출 통제에 대한 규제를 진행해 ‘자원무기화’ 논란도 일어왔다. 급기야 최근인 2025년 10월, 중국 상무부는 ‘역외 희토류 물자 수출 통제 결정’을 발표하며 희토류 통제를 한층 강화했다. 중국은 사마륨, 디스프로슘, 가돌리늄, 터븀, 루테튬, 스칸듐, 이트륨 등 7종의 중희토류 원소와 고성능 자석을 수출 규제 품목에 포함시켰으며, 허가를 받은 기업만 수출이 가능하다8).
일부 분석가들은 2025년 6월에 미·중은 희토류 선적을 재개하기 위한 기본 합의를 진행했음에도 중국이 희토류 수출 통제를 강화한 배경에는 미국의 대중 반도체 압박에 대한 반격 의도 또한 깔려있다고 보고 있다9). 도널드 트럼프 미국 대통령이 중국을 겨냥한 상호 관세를 도입한 후 취한 맞대응 조치인 셈이다. 중국 상무부는 이번 조치가 군용과 민간용 모두 사용될 가능성이 높은 이중용도 물자를 관리하고 글로벌 공급망 안정을 유지하기 위한 것이라고 주장하지만, 희토류 자석 수출이 감소하면서 ‘공급망 불안’이 다시 고조되고 있는 것이 현실이다.
중국은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 글로벌 광산 생산의 60~70 %, 정제·분리공정의 85~90 %, 최종 제품 제작의 80~90 %를 차지할 정도로 희토류 시장에서 절대적 영향력을 갖는다9). 반도체·전기차·로봇·풍력 등 첨단산업 전반에 사용되는 희토류 특성상 공급망 리스크는 곧 산업경쟁력의 핵심변수가 되고 있다. 특히, 최근 중국 상무부가 수출통제 조치를 발표하자 각국이 즉각 대응에 나서야 하는 상황이 발생했다. 미국 정부는 호주 정부와 ‘희토류 동맹’을 체결했고 유럽연합(EU)도 중국과 긴급협상에 들어갔다. 중국의 포괄적인 희토류 수출 통제 조치로 인해 미·중 갈등은 극단으로 치닫으며, 중국산 제품에 100 % 추가 관세를 부과하고 모든 중요 소프트웨어에 대한 수출도 통제할 것이라고 언급했다10).
최근, 이와같은 중국의 희토류 수출 통제로 글로벌 산업계 전반에 비상등이 켜졌다. 중국이 2025년 4월 희토류 수출 통제에 나섰을 때 약 두 달 만에 미국 포드와 일본 스즈키 등 글로벌 자동차 회사들의 생산라인이 일부 중단된 바 있는데 이런 상황이 또다시 재연될 위기에 처해있다. 자동차의 경우 변속기, 모터, 센서, 스피커, 조명 등 모든 부품에 희토류가 들어가 희토류 공급이 막히면 제품 완성이 불가능하며, 2개월이면 자동차 산업 전체를 무너뜨릴 수도 있다고 추정, 보고된 바가 있다8). 중국의 희토류 통제는 자동차뿐 아니라 방산, 로봇업계의 우려도 키우고 있다. 전투기, 미사일, 로봇 등에 쓰이는 영구자석이 희토류 기반으로 만들어지기 때문이다. 자동차와 마찬가지로 각종 모터 제품에도 희토류의 중요성은 절대적이다. 미 국방부에 따르면 F-35 전투기 한 대에는 900파운드(약 408 kg) 이상의 희토류가 들어간다고 한다11). 휴머노이드 로봇 1대에는 2 kg에서 4 kg의 네오디뮴 자석이 사용된다고 알려져 있다12). 네오디뮴 확보는 미래 기술 경쟁의 핵심 과제가 되었으며, 아울러 희토류는 각종 전자제품 및 소재에도 활용되고 특히 반도체 업계가 절대적으로 의존하는 첨단 장비에 반드시 필요해 연쇄 타격이 우려된다.
실제로 한국은 희토류 중에서도 가장 중요한 ‘네오디뮴 영구자석’ 수입의 87.6 %를 중국에 의존하고 있어 만약 중국이 공급을 중단하면, 당장 전기차 생산부터 로봇, 가전제품까지 모든 것이 멈춰 설 수도 있는 위기 상황이다13).
3. 순환경제를 위한 희토류 영구자석 재활용 기술
희토류 개발에 있어서 매장량이 일부 국가에 치중되어 있는 근본적인 문제점이 상존하고 있으며, 더욱이 Fig. 5와 같이 원광 내 방사능 물질 함유 여부, 원소별 분리 및 농축 단계에서 발생하는 환경오염이 큰 걸림돌로 작용하고 있다14). 희토류 가치사슬은 막대한 양의 에너지와 물을 소비하며 오염물질과 탄소 배출을 발생시키고, 활용 가능한 광산 폐기물이 처리되지 않은 채 남아 있는 경우도 있다. 그럼에도 불구하고, 희토류의 산업적인 수요는 지속적으로 증가되고 있으며, 특히 영구자석 제조에 가장 많이 활용되고 있다.
비공개 시장조사 리포트에 따르면, 2022년 전 세계적으로 생산된 영구자석의 순 가치는 230억 US 달러였다. NdFeB 자석(소결자석 및 본드자석)이 발생된 수익의 58 %를 차지했으며, 페라이트 재료가 33 %를, 에폭시 수지(프레스 방식) 또는 폴리아미드(사출 성형)와 같은 재료로 만든 매트릭스에 내장된 고분자 결합 NdFeB 본드자석은 총 6 %를 차지했다23). 고분자 결합 NdFeB 자석은 기존의 소결(sintered) NdFeB 자석에 비해 디자인 및 모양 측면에서 더 큰 유연성을 비롯한 몇 가지 장점을 제공하지만, 일반적으로 자성이 강하지 않고 소결 자석에 비해 최대 작동 온도가 낮다. AlNiCo 또는 SmCo 자석은 각각 1 %라는 매우 작은 시장 점유율을 나타낸다. 영구자석에 대한 산업 재활용(리사이클링) 노력은 그 광범위한 사용, 높은 재료 비용 및 탁월한 특성 때문에 NdFeB 자석에 집중되어 있다15,16,17,18,19,20,21,22). NdFeB 자석은 60~70 %의 철, 30~32 %의 희토류(주로 네오디뮴, 프라세오디뮴, 디스프로슘, 터븀), 그리고 1 %의 붕소로 구성되며, 자기적 및 물리적 특성을 개선하기 위해 가돌리늄, 코발트, 구리, 알루미늄, 갈륨, 니오븀 등이 추가된다. 희토류 자석, 특히 NdFeB 자석은 스마트폰에서부터 풍력 터빈에 이르기까지 수많은 응용 분야에 사용된다. 자석의 크기와 요구되는 특성이 다르기때문에, 해당 기기들에 포함된 자석은 질량과 화학적 조성 면에서 상당히 다양하다. 주요 응용 분야는 전기차(24 %), 소비자 전자제품(21 %), 풍력 터빈(9 %), 에어컨(8 %), HDD 하드 드라이브(4 %), 음향 변환기(5 %), 로봇 공학(1 %)이며, 나머지 28 %는 기타 응용 분야에 해당한다23). 여러 분야에서 급증하는 수요를 환경 훼손 없이 충족시키기 위해서 많은 국가에서는 희토류 저감(Reduction), 재사용(Reuse), 재활용(Recycling) 및 대체(Replacement) 등 다양한 기술 개발에 치중할 수 밖에 없으며, 더불어 Fig. 6과 같은 글로벌 희토류 순환경제를 구축하는 것이 필요하다24). 이를 통해 언급된 환경오염 부하도 감소시키고 매장지역 편중에 따른 공급 불안정성을 해소할 수 있어 자체 공급망 확보에도 매우 유리하다고 볼 수 있다.
NdFeB 자석 중 가장 시장 점유율이 큰 소결자석은 분말야금(Powder Metallurgy) 기반의 공정을 통해 제조되며, Fig. 7과 같이 전체 과정은 합금 제조, 분말화, 성형, 소결, 후열처리, 기계가공 및 표면처리의 단계로 이어진다. 먼저, 원료 금속인 네오디뮴, 프라세오디뮴, 디스프로슘 등의 희토류 원소와 철, 붕소 등을 정확한 조성비에 따라 용해하여 합금을 제조하고, 이 합금은 급속 응고를 통해 미세한 결정립 구조를 갖는 분말 또는 플레이크 형태로 합성된다. 이후 조대 파쇄 및 제트밀(Jet mill)을 이용해 수 μm 크기의 미세 분말로 분쇄되는데, 이 분말은 매우 높은 이방성을 나타내며 공기 중에서 쉽게 산화되므로 주의 깊게 취급해야 한다. 분쇄된 분말은 성형 단계에서 외부 자기장 하에서 입자들의 자화용이축(c-axis)을 일렬로 정렬시키는 자장 정렬(orientation) 공정을 거치면서 금형 내에서 축방향 또는 횡방향으로 가압되어 성형체를 만든다. 성형체는 아직 기계적 강도가 약하고 내부 기공이 많기 때문에 이후 고온 소결 공정을 통해 미세구조가 치밀화되는데, 소결은 보통 1000-1100 ℃, 고진공(10-3-10-5 Torr) 조건에서 수행된다. 진공 분위기는 네오디뮴 금속의 산화를 방지하고, 입계상의 재배열을 촉진하여 최종 자성 특성을 결정하는 결정립 구조를 형성한다. 소결 과정에서 분말 입자 간의 확산이 진행되며 고밀도의 치밀한 조직이 완성되고, 성형체는 초기 체적 대비 약 20-25 % 수축하여 높은 자속 밀도를 발현할 수 있는 미세구조를 갖추게 되고, 소결 이후에는 일반적으로 600-650 ℃ 범위에서 후열처리(Post-annealing)를 수행하는데, 이는 잔류응력을 완화하고 입계상의 조성을 최적화하기 위함이다. 완전히 열처리가 끝난 소결체는 요구되는 최종 치수와 형상에 맞추어 연삭 또는 와이어 절단 등의 기계가공을 거친다. 기계가공 후에는 자석 표면이 쉽게 산화되는 특성 때문에 니켈(Ni-Cu-Ni), 에폭시 코팅, Zn 도금 등의 표면처리를 실시하여 내식성을 확보한다. 마지막으로, 완성된 자석은 강한 외부 자기장 하에서 자화(magnetization)를 수행하여 최종적인 영구자석의 성능을 부여한다.
2011년 희토류 위기를 계기로 고성능 희토류 자석 재활용을 검토하는 연구 활동이 전 세계적으로 활발해졌다. 폐자석(end of life magnets), 스크랩(scrap), 슬러지(sludge) 등 생산 및 사용 단계에서 발생하는 다양한 폐자원에 대한 재활용 기술이 중요한 대안으로 부상하고 있다. 폐자석은 대표적으로 전기자동차 구동모터, 풍력터빈, 산업용 서보모터, 가전제품 등에서 회수되며, 스크랩과 슬러지는 자석 제조 과정에서 필연적으로 발생하는 부산물이다. 이러한 폐자원은 Nd, Pr, Dy, Tb 등의 고가 희토류 원소를 포함하고 있어 경제적 가치가 높지만, 산화, 오염, 입자 미세화 등으로 인해 재활용 시 각기 특수한 공정이 요구된다. 현재 재활용 공정은 크게 단순 순환 재활용25,26,27,28)(Short-loop recycling, 기능적 재활용 또는 직접 재활용이라고도 함)과 장기 순환 재활용29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43)(Long-loop recycling, 원소 재활용 또는 간접 재활용이라고도 함)의 두 가지 그룹으로 나눌 수 있다.
이 두 그룹이 사용하는 방법(Fig. 8)은 공정, 필요한 관련 플랜트 기술, 필수 화학 물질, 그리고 최종 생산물 측면에서 서로 다르다44). 모든 자석이나 자석 함유 물질 흐름이 모든 방법으로 재활용될 수 있는 것은 아니며, 사용 수명이 다한(End of Life, EoL) 자석을 새로운 응용 분야에 재사용하는 것은 재활용보다 훨씬 더 지속 가능한 해결책이라 볼 수 있다.
3.1. 재사용(Reuse)
재사용될 때, 자석은 분쇄되거나 재활용을 통한 자석 내 유가금속 회수가 아닌, 단순히 탈자(자성을 제거)하고 세척 후, 필요에 따라 새로운 모양이나 형태로 절단하여 사용하는 것을 의미한다. 직접적인 재사용(direct reuse)의 경우, 자석은 부식 방지층을 적용한 후 새로운 응용 분야에서 다시 사용될 수 있다. 이러한 재사용을 위한 전제 조건은 충분히 많은 양의 사용된 자석을 수거하고, 자석의 특성에 대해 허용 가능한 요구 사항을 가진 적절한 새로운 응용 분야를 파악하는 것이다.
3.2. 단순 순환 재활용(short-loop recycling)
단순 순환(short-loop) 재활용으로 분류되는 모든 방법의 핵심 특징은, 사용된 자석이나 생산 공정에서 발생하는 폐기물로부터 재활용 자성 소재를 생산하는 데에 목적을 둔다는 점이다. 재사용되는 자석과 달리, 사용된 자석은 가공 과정을 거쳐 물리적 특성이 변화되며, 이후 원래 용도 혹은 다른 용도를 위한 유사한 생산 공정에서 다시 사용될 수 있다. 이 과정에서 전체 자성 합금이 사용되며, 첨가제 도입을 통한 화학 조성의 변화는 매우 제한적이다. 따라서, 최종적으로 얻어지는 자력 특성은 어느 정도 사용된 자석의 미세구조와 화학 조성에 영향을 크게 받는다. 단순 순환 자석 재활용에 사용되는 방법과 공정 단계는 1차 생산 공정에서 사용되는 과정과 유사하기 때문에 기존 생산 라인에 통합하기가 더 수월하다. 이러한 방식은 오염되지 않고 산화되지 않은 자성 소재에 적용할 수 있지만, 불순물이 포함된 파쇄된 소재에는 적합하지 않다. 소결 자석이나 열변형 자석은 단순 순환 재활용에 적합한 원료인 반면, 폴리머 결합 자석은 이 방법에 적합하지 않다. 그 이유는 플라스틱과 자성 소재를 분리하는 과정이 어렵기 때문이며, 특히 에폭시 수지로 성형된 폴리머 결합 자석의 경우 현재까지 효과적으로 분리하는 기술이 존재하지 않기 때문이다. 소량의 사출 성형된 폴리머 결합 자석은 생산 과정에서 재용해를 통해 직접 재활용되기도 하지만, 일반적으로 두 종류의 자석 모두 장기 순환 재활용(long-loop recycling) 또는 습식 화학적 공정을 통해 재활용될 필요가 있다.
단순 순환 재활용(short-loop recycling) 방법에는 아래와 같은 기술들이 포함된다.
(1) 수소 분해법(Hydrogen Decrepitation, HD)
(2) 수소화-불균일화-탈수소화-재결합법(Hydrogenation-Disproportionation-Desorption-Recombination, HDDR)
(3) 재용해법(Remelting)
(4) 용융 급냉법(Melt-spinning method)
3.2.1. 수소 분해법(HD)
사용된 희토류 자석은 수소 가스를 이용한 Fig. 9와 같은 수소 파쇄(Hydrogen Decrepitation) 과정을 통해 조대한 수소화물 분말로 분쇄된다. 이 공정은 1차 생산 과정에서 스트립 주조 플레이크나 합금을 파쇄시키는 것과 유사하다. 일반적으로 자성소재 내 불순물 함유량을 낮추기 위해 소량의 희토류 수소화물을 조대 분말에 추가한다. 이어서, 소결을 위한 미세 분말(약 3-5 μm)로 함께 분쇄하고, 외부 자기장에서 분말 입자를 배열하면서 프레스하여 성형체(green body)를 만든 후, 소결 및 소둔(annealing) 처리를 통해 소결자석이 형성된다. 이러한 모든 공정 단계는 1차 자석을 생산하는 데 사용되는 단계와 매우 유사하며, 이는 이 재활용 방법이 1차 생산 라인에 쉽게 통합될 수 있음을 의미한다. 수소에 노출되었을 때 사용된 자석이 파쇄되는 것은 희토류가 풍부한 상(Nd-rich phase)과 수소 가스 간의 반응에 기반한다. NdFeB 자석의 미세구조는 강자성인 RE2Fe14B 상으로 구성되며, 이는 희토류가 풍부한 입내 및 입계 상에 둘러싸여 있다. 이 희토류가 풍부한 상이 자성 물질로 확산되는 수소와 반응하여 희토류 수소화물을 형성하고, 그 결과 발생하는 부피 팽창은 입계를 따라 균열을 일으키며, 최종적으로 자석이 거친 분말로 파쇄되도록 한다.
3.2.2. 수소화-불균일화-탈수소화-재결합법(HDDR)
HDDR 방법(Fig. 10)에서도 사용된 자석은 수소 분위기에서 처리되나, 이 방법은 순수 수소 파쇄(HD)법과 달리 공정 압력이 다르고 더 높은 온도를 사용한다는 점에서 차이가 있다. 이 공정을 통해 생성된 자성 분말의 미세구조는 순수 HD 공정에 비해 훨씬 더 미세하며, 여러 개의 자기 모멘트를 가진 다결정 입자 형성이 특징이다. 따라서, 이 분말은 사출 성형이나 냉간 압축을 통해 등방성(unaligned, 무배향) 또는 이방성(aligned, 배향)의 고분자 결합 자석을 생산하는 데 사용이 가능하다.
3.2.3. 재용해법(Remelting)
사용 수명이 다한 자석이나 생산 폐기물은 재용융 과정에서 유도 가열을 통해 녹여진다. 이 방법은 이미 산업에서 소결자석을 제조하는 데 사용되고 있는데, 이 방식으로 생산된 스트립 주조 플레이크(Strip-cast flakes)는 후속 1차 공정을 사용하여 소결자석으로 제조될 수 있다. 선택적 슬래그 관리를 통해 자성 재료의 산소 함량을 0.2-0.5 %에서 0.1 % 미만으로 줄일 수 있지만, 이 과정에서 최대 30 %의 재료 손실을 예상해야 한다.
3.2.4. 용융 급냉법(Melt-spinning method)
용융 급냉법은 소결자석을 나노 결정질 또는 비정질 리본(amorphous ribbons)으로 재용융하는 데 사용되며, 이 리본을 분쇄하여 분말 형태로 만든 후 고분자 결합 자석으로 가공할 수 있다. 이 방법에서는 스트립 주조법과 유사하게 스트립 캐스터를 사용하여 유도 가열을 통해 자석을 녹인 다음 액체 용융물은 회전하는 금속 휠에 의해 냉각이 된다. 더 높은 냉각 속도 덕분에 나노 결정질 미세구조가 생성될 수 있으며, 이는 자석의 보자력(coercive field strength)에 긍정적인 영향을 미친다. 그러나, 슬래그 형성(slag formation) 때문에 수소 기반 공정들에 비해 더 높은 재료 손실이 예상될 수 있다.
3.3. 장기 순환 재활용(Long-loop recycling)
장기 순환 재활용(Long-loop recycling)의 목적은 재활용 자석을 직접 제조하는 것이 아니라, 희토류 원소 또는 희토류 산화물을 중간산물로 생산하여 이를 다시 영구자석 제조에 사용하는 데 있다. 단순 순환 재활용(short-loop recycling) 방식과 달리, 장기 순환 방식은 소규모 적용 분야나 자석 등급, 자성 특성이 서로 다른 소재, 그리고 파쇄된 소재 적용에도 더욱 적합한 방법이다. 다만, 경제적인 재활용을 위해서는 어느 정도의 사전 분류, 분리 및 농축 과정이 필요하다.
장기 순환 재활용(long-loop recycling) 방법에는 아래와 같은 기술들이 포함된다.
(1) 습식 제련법(hydrometallurgical process)
(2) 건식 제련법(pyrometallurgical process)
두 방법 모두 희토류의 분리와 선별을 개선하기 위해 전기화학적 공정을 활용할 수 있고, 또한 소결자석 및 열변형 자석 뿐만 아니라, 폴리머 결합 자석도 장기 순환 재활용(특히 습식 제련법)에 적용할 수 있다.
3.3.1. 습식법을 이용한 재활용(Recycling using hydrometallurgical process)
습식 제련 재활용 과정에서는 희토류 자석을 Fig. 11과 같이 화학적으로 침출한다. 자석은 염산 또는 황산에 용해된 후, 용매 추출(solvent extraction), 이온 교환(ion exchange) 또는 이온성 액체(ionic liquids)를 사용하여 개별 희토류 원소(예: Nd, Pr, Dy, Tb 등)로 분리된다. 불순물이 제거되면, 분리된 개별 희토류는 불화물 또는 산화물 형태로 전환된다. 이 방법의 한 가지 단점은 철 및 기타 전이 금속에 대한 희토류 원소의 선택성(selectivity)을 높이기 위해 종종 고온이 필요하다는 점과 추출제에 대한 높은 비용이다. 또한 최근에는 DES(Deep Eutectic Solvent)를 이용한 영구자석 내 희토류의 선택적 회수기술(Fig. 12)도 보고되었다. 418 K에서 NaOH를 이용한 영구자석의 caustic digestion 후 산화배소를 통해 영구자석 내 Nd와 Fe를 각 단계별로 Nd(OH)3 및 Fe3O4와 Nd2O3 및 Fe2O3로 전환시켰다. 이후 EG-MA를 이용한 DES 침출 시 Fe 대비 Nd에 대한 높은 선택성을 나타냈으며, Nd 침출율은 96.5 %, Fe 침출률은 1.7 %로 보고하였다45).
Fig. 12.
Process flow diagram for selective recovery of Nd from end-of-life rare earth magnets using DES45).
3.3.2. 건식법을 이용한 재활용(Recycling using pyrometallurgical process)
건식 제련 방법은 희토류를 나머지 물질로부터 선택적으로 분리할 수 있는 상(phase)으로 전환하는 것을 목표로 한다. 습식 제련 방법과 달리, 이 방법은 재료 흐름 내에서 충분히 높은 농도의 희토류가 존재해야 하며, 고온에서 반응이 진행되기 때문에 고에너지 소모에 해당하나 산과 염기의 사용량은 매우 적다. 영구자석 내 희토류를 회수하기 위한 방법으로 1) MgCl2 및 ZnCl2 등을 이용한 선택염화법46,47), 2) Mg 등을 이용한 액체금속 추출법48,49,50), 3) 슬래그법에 기반한 고온 건식 회수법51,52,53), 4) 선택황화법 및 부유선별을 이용한 희토류 회수법54) 등이 주로 연구되고 있다. 선택염화법을 이용한 희토류 회수의 경우 영구자석 내 희토류 원소만이 선택적으로 염화물로 회수되는 방법이다. 희토류 염화물로 회수되기 때문에 후속공정인 침출공정에 비교적 유리한 장점이 있다. 액체금속 추출법의 경우 영구자석 내 희토류 금속을 액상금속 내에 농축시키고 액상금속과 희토류 금속과의 증기압 차이를 이용하여 상호 분리하는 기술이다. 본 기술의 경우 영구자석 내 희토류 금속을 금속 형태로 회수할 수 있다는 장점이 있다. 슬래그법에 기반한 고온 건식 회수법은 영구자석 내 희토류를 슬래그 상으로 농축시켜 회수하는 공정이다. 본 공정의 경우 분해/해체 공정의 생략이 가능하여 공정이 단순해지는 장점이 있다. Fig. 13은 슬래그법에 기반한 고온 건식 회수법의 한 예시를 보여준다. 선택황화법을 이용한 기술의 경우 영구자석 내 희토류 및 철을 각각 산화물 및 황화물로 전환시킨 후 파분쇄를 통해 분말을 제조 후 부유선별을 통해 희토류 산화물을 농축시키는 기술이다. 그러나, 액상금속 추출법을 제외한 나머지 기술의 경우 혼합 희토류 화합물로 희토류가 회수되기 때문에 후속 침출 및 용매추출 공정을 통해 희토류 원소 간 분리가 요구된다. 액상금속 추출법의 경우 희토류 금속으로 회수되는 장점이 있으나, 예를 들어 영구자석 내 Nd 및 Dy의 경우 함께 추출되기 때문에 희토류 금속 간 분리가 요구될 경우 전해정련 등 후속 정련/정제 과정이 요구된다. 이와 같은 방법에 의해 회수된 희토류는 용융염 전기분해(molten salt electrolysis) 또는 금속열환원(metallothermic reduction)을 사용하여 희토류 금속을 제조할 수 있다.
가장 적합한 재활용 방법은 사용가능한 재료 또는 폐기물 흐름, 비용, 그리고 재사용 또는 재활용된 자석의 요구 특성에 따라 선택되어야 한다. Table 2에 정리한 바와 같이 장기 순환 재활용 공정은(1차 원자재 생산과 동등한) 최상의 자기 특성을 달성할 수 있지만, 비용이 상대적으로 높으며 공정, 용매, 에너지 소모가 많다. 반면, 단순 순환 재활용 방법을 사용하면 합리적인 비용으로 자석을 생산할 수 있지만, 자기 특성이 수명이 다한 자석의 특성에 의존하게 된다. 일부 재활용 기술이 이미 수년 전부터 사용이 가능했음에도 불구하고, 독일과 유럽의 나머지 지역에서 산업적인 자석 재활용은 여전히 개발 단계에 있다.
Table 2
Strengths and limitations of rare earth magnet recycling processes44)
개발 기술의 상용화를 위해서는 지속적인 사용 후 자석 물질 흐름 정보가 필요한데, 특히 사용된 자석의 수집 및 효율적 분리/분류 부문에서 여전히 해결해야 할 과제들이 남아있다. 소비자 전자제품의 수명(2-3년)과 풍력 터빈의 수명(최대 20-30년)이 크게 다른 점 또한 희토류를 포함하는 물질 흐름의 가용성에 영향을 미친다. 따라서, 불순물과 다양한 자성 재료(페라이트, AlNiCo, SmCo, NdFeB) 및 서로 다른 자성 등급의 자석들의 혼재는 효율적인 제거 및 분류 공정 개발과 더불어 국제 표준화 작업이 필요함을 의미한다.
4. 결 론
희토류 원소는 전기차 모터, 풍력발전 터빈, 로봇, 드론, 도심 항공 모빌리티 등 탄소중립 및 친환경 산업에 필수적인 영구자석의 핵심 원료로서 수요가 전 세계적으로 급증하고 있으며, 반도체, 레이저, 전투기, 스마트폭탄 등 첨단산업에서도 폭넓게 사용되어 희토류 수요는 상승 기조를 유지할 것으로 보인다. 하지만, 중국의 희토류 자원 무기화와 희토자석 시장지배(세계 생산량의 90-94 % 차지55))로 국제 공급망을 장악하고 있고, 국내에서 사용되는 희토류 영구자석은 대부분 수입에 의존하고 있으며, 희토자석 제조기술은 기업의 노하우로 철저히 보호되고 있어 이에 대한 자체 기술개발과 그 이력을 추적할 수 있는 다양한 표준 개발이 동시에 이루어져야 할 필요성도 제기된다. 더불어, 사용 후 제품과 제조 공정에서 발생하는 폐자석·스크랩·슬러지를 전략적 자원으로 재활용하려는 움직임이 본격화되고 있다. 특히, 유럽연합(EU)과 미국은 공급망 안보 차원에서 희토류 자원의 순환 이용을 핵심 국정과제로 격상시키며, 재활용 기술의 상용화와 산업화에 대대적인 투자를 집행하고 있다. EU는 Critical Raw Materials Act(CRMA)를 통해 영구자석에 재활용 함량·라벨링·수거 의무를 포함한 강력한 규제 패키지를 가동하며, 자석 스크랩의 역외 유출을 제한하고 역내 재활용 공정을 확대하려는 전략을 추진하고 있다. 미국 역시 DOE·DoD를 중심으로 Urban Mining Co., ReElement, HyProMag USA 등 재활용 기업과 연구기관에 보조금·대출·R&D 자금을 집중 지원하여 국방·에너지 산업용 영구자석을 국내에서 재순환하는 폐쇄 루프 공급망 구축을 서두르고 있다. 일본의 경우, 2010년 이후 중국의 공급제한을 경험한 국가로서, 이미 수년 전부터 고성능 자석 재활용 기술, 정밀 해체 기술, 대체재 개발을 병행하며 안정적 공급망 확보에 주력해 왔다. 이러한 글로벌 흐름 속에서 영국 HyProMag의 HPMS(Hydrogen Processing of Magnet Scrap) 기반 단순 순환 재활용, 미국 CMI 허브기관인 Ames National Lab의 ADR(Acid-Free Dissolution Recycling)·HDDR 기반 재활용, EU REE4EU 및 REEPRODUCE 프로젝트를 통한 파일럿 플랜트 등 다양한 기술이 상용 단계로 진입하며, 재활용이 단순한 폐기물 처리 영역을 넘어 전략물자 확보 수단으로 자리 잡고 있다.
한국 역시 글로벌 공급망 변동성 확대와 전기차·로봇·풍력 등 고성장 산업의 자석 수요 증가에 대응하기 위해 희토류 재활용의 중요성을 크게 인식하고 있다. 국내에서는 정부출연연구원 등이 주도적으로 폐모터·폐전자기기에서 Nd·Dy를 회수하는 습식·건식 제련 기술, HD·HDDR 기반 단순 순환 재활용 기술, 그리고 국제 표준화 작업(ISO/TC 298)을 수행하면서 기술 경쟁력을 확보해 가고 있다. 산업 측면에서는 폐자석과 제조 스크랩을 기반으로 한 단순 순환 재활용 실제 사업화를 추진하며 초기 생태계를 형성하고 있다. 그러나, 글로벌 선도권역과 비교하면, 국내는 폐자석 수거 인프라·해체 시스템 부족, 재활용 전문 기업의 규모 한계, 재활용 의무·인센티브 등의 정책 기반이 아직 미흡한 단계로 평가된다. 그럼에도 불구하고 한국 정부가 희소금속 산업대책 2.0, 순환경제 이행계획, 희토류 공급망 TF 등을 추진하면서 재활용을 공급망 전략의 축으로 편입시키기 시작했으며, 향후 자석 라벨링·수거·재활용 체계 도입 여부에 따라 성장 속도가 크게 달라질 수 있는 상황이다. 핵심광물의 특정국 의존도를 낮추는 것과 더불어 재활용 기술 개발과 상용화는 곧 국가경쟁력과 직결된다고 할 수 있다.
