네오디뮴, 갈륨, 게르마늄 등 희토류는 고정밀 첨단 부품에 쓰이는 핵심광물이자 첨단 산업의 비타민으로 불린다. 쓰임새는 중요하지만, 희토류라는 명칭에서 알 수 있듯이 매장량이 극히 적은 희소가치가 큰물질이다.
글로벌 공급망도 매우 제한적이어서 중국 등 희토류 보유국들이 수출 및 개발을 통제하며, 글로벌 공급망을 흔든다. 희토류의 무기화가 고개를 들고 있다.
미국 상무부가 고대역폭메모리(HBM)의 중국 수출을 차단한 지 하루 만인 지난 2일 보복조치로 미국에 대한 갈륨과 게르마늄(저마늄) 안티모니(안티몬) 수출을 금지한 것이 이를 방증한다.
반도체, 디스플레이, 정밀모터 등 첨단산업 분야의 세계적인 강국은 대한민국의 아킬레스건도 희토류의 자급능력이 떨어진다는 점이다. 중국 등 희토류 주생산국이 무기화에 나설 경우 심각한 공급망 대란에서 자유로울 수 없는 구조다.
희토류 원소를 폐 영구자석에서 효율적으로 회수할 수 있는 캡슐형 흡착 소재가 국내 연구진의 의해 개발돼 향후 우리나라 희토류 공급망 확충에 숨통이 트일 것으로 기대를 모으고 있다.
한국연구재단은 정경원 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원과 이창하 서울대 교수 공동 연구팀이 폐 영구자석 등 폐기물에서 희토류 원소를 효율적으로 회수하는 기술 확보에 성공했다고 11일 밝혔다.
뛰어난 흡착 성능을 가진 금속유기구조체(MOF)를 활용한 회수 기술은 그간 전세계적으로 그 가능성을 인정받았으나, MOF가 나노 분말 형태로 합성되기에 대규모 공정에서 분리 및 제어가 어려운 한계를 안고 있다.
세계 각국은 이를 해결하기 위해 MOF를 대형화하는 다양한 성형 기술을 개발에 뛰어들었으나, 과정이 복잡하고 MOF 고유 이화학적 특성이 손상되는 경우가 많아 투입 소재 대비 높은 회수 효율을 기대하기 어려웠다.
국내 연구팀은 이에 대한 대안으로 약 3㎜ 크기 고분자 캡슐 내부에 MOF를 직접 성장시키는 하이브리드 합성 전략을 제시했다. 이 방법은 역확산과 상변환 방식을 결합해 고분자 캡슐 내부에만 MOF 나노 입자를 선택적으로 성장시킬 수 있다.
기존 방법과 달리 투입된 시약 전량을 MOF 성형에만 활용할 수 있으며, 대량 생산이 쉽고 무독성 유기용제를 사용해 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
회수된 희토류의 성능도 대단히 높은 것으로 입증됐다. 연구팀에 따르면 네오디뮴과 디스프로슘에 대해 각각 463.59mg/g, 580.84mg/g의 회수 성능을 기록했다. 이는 현재까지 보고된 희토류 회수 소재 중 가장 우수한 성능이다.
다양한 불순물이 포함된 실제 폐 영구자석 침출액에서도 희토류 금속만 선택적으로 회수할 수 있는 것도 강점이다. 연구팀은 5회 재사용 후에도 네오디뮴 93%, 디스프로슘 82% 등 높은 회수 효율을 유지했다고 설명했다.
희토류가 포함된 폐 자석을 순환하며 재사용할 수 있는 리사이클링 시스템 구축이 가능하다는 뜻이다. 정경원 책임연구원은 “새로운 캡슐형 흡착 소재는 희토류 금속 자원순환시스템 구축에 크게 기여할 것”이라며 “추가 연구를 통해 나노 흡착 및 촉매 소재 대형화를 실현하고, 물속 및 대기 중 오염물질 제거 등 다양한 환경 문제 해결에도 활용할 계획”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈'(Advanced Functional Materials) 지난 3일 자 표지 논문에 게재됐다.
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