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일부 첨단 금속 원료의 수요는 공급률을 몇 배 초과.
대부분 원자재가 몇 개 국가에 제한돼 있다. 주된 원료는 리튬과 코발트.

첨단기술에 필요한 금속 원자재 확보 전쟁
원자재 부족으로 미래 기술이 위협받고 있다.

전기 자동차용 배터리, 풍력 발전 기용 자석 또는 산업용 촉매 :
많은 현대 기술은 특정 금속으로 만들어진 부품에 의존한다. 리튬, 네오디뮴, 탄탈럼 등에 대한 수요가 그에 따라 증가하고 있지만 이러한 첨단 금속의 공급은 지속가능할까?

과학자들은 이미 다가오는 공급 격차에 대해 경고하고 있다.
적어도 일부 첨단 금속의 경우 미래 ​​수요가 공급률을 몇 배 이상 초과 할 수 있기 때문이다. 이러한 원자재의 대부분은 일부 국가에서만 공급되며 경우에 따라 위험 지역에서 생산된다. 그것은 공급품을 안전하지 않게 만든다. 이 위험은 정확히 어디에 있으며 향후 병목 현상에 대해 무엇을 할 수 있을까? 

▲ 리튬, 인듐 및 갈륨 외에도 희토류 금속은 첨단 응용 분야에 없어서는 안될 필수 요소다. 여기 중국산 니오브 광석 © Brücke-Eastern Europe / CC-by-sa 3.0

미래 기술의 기초; 가장 중요한 첨단 금속은 무엇일까?

철, 구리, 주석뿐만 아니라 거의 모든 다른 금속은 초기부터 우리 현대 문명을 가능하게 했다. 그들 없이는 대부분의 기술 응용 프로그램이 존재하지 않기 때문이다. 금속은 많은 구조물의 기본 구조를 형성하고 차량과 항공기의 몸체를 만드는 데 필수적이다. 고전압 송전에서 발전기와 모터, 컴퓨터 및 전기 제품에 이르기까지 현대 전자 및 인프라에서도 쉽게 볼 수 있다.

▲ 바오토우(Baotou)의 희토류 광물, 중국 내몽고 후허하오터 지질 전시회

‘고전적인’ 기술조차도 금속 없이는 불가능 

지난 수십 년 동안 에너지 생성, 교통 및 전자 제품과 같은 다른 응용 분야가 추가됐다.
이러한 미래 기술은 철, 구리, 알루미늄 그리고 자연적으로 훨씬 희귀한 금속 원료를 점점 더 많이 필요로 한다.

▲ 특히 희토류 금속, 여기서 산화물은 하이테크 응용 분야에 필수 불가결하다. © Peggy Greb / ​​USDA

디스프로슘에서 테르븀으로

한 가지 예는 광전지뿐만 아니라 디스플레이, LED 및 레이저 응용 제품용으로 반도체 재료를 만드는 금속이다. 인듐 혹은 갈륨으로 만든 합금은 주기율표에서 알루미늄과 같은 그룹에 속하지만 희귀 금속은 이러한 기술에 훨씬 자주 사용된다.
많은 LCD 화면과 터치스크린에는 ITO(Indium Tin Oxide)가 포함돼 있다.
반도체 갈륨비소는 빛과 레이저 다이오드 또는 휴대폰 및 위성의 고주파 증폭기에서 찾을 수있다.

많은 미래 기술의 또 다른 구성 요소는 네오디뮴, 프라세오디뮴, 사마륨 및 디스프로슘과 같은 희토류 금속 합금으로 만든 강력한 영구 자석이다.
예를 들어, 풍력 터빈 발전기, 전기 모터, 스피커, 헤드폰 및 컴퓨터 하드 드라이브 드라이브에도 들어 있다. 게르마늄은 광전자 공학에 더 많이 필요하다.
광섬유 케이블의 기본 재료로 사용되지만 태양 전지의 캐리어 재료로도 사용된다.

▲ 모든 란타나이드 (방사성 프로메튬 제외) 한눈에 보기. Source:de:Image:Lanthanoide.jpg.

연료 전지, 축전기 및 특히 안정된 경량 재료는 이전에 기껏해야 원소 주기율표에서 발견된 일련의 금속 원소를 기반으로 한다. 여기에는 레늄(Rhenium)과 스칸듐이 포함되지만 탄탈럼이나 희토류 금속 테르븀(Terbium)도 포함된다.

세상을 움직이는 배터리

아마도 가장 큰 증가는 모바일 장치에서 에너지 저장 장치를 구성하는 금속 리튬 이온 배터리이다. 오늘날 거의 유비쿼터스이며 휴대폰, 태블릿 및 노트북 뿐만 아니라 전기 자동차, 드론 및 항공기 전자 제품에서도 볼 수 있다. 이 배터리는 가볍지만 여전히 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 수많은 충전 및 방전이 가능하다.

▲ 리튬은 주로 배터리에 필요하며 여기 네바다에서와 같이 소금 바위 또는 이전 소금 호수에서 얻는다. © Doc Searls / CC-by-sa 2.0

현대 기술의 이러한 “ 주된 핵심”을 위한 중요한 원 자재는 리튬과 코발트 금속이다. 

리튬은 리튬 이온의 형태로 배터리의 극 사이를 앞뒤로 움직이는 전하 캐리어를 공급한다.
코발트는 주로 리튬 코발트 산화물(LiCo2)로 구성된 배터리의 양극에 필요하다.
방전 시 리튬 이온은 이 전극의 다공성 구조로 이동하여 전자를 방출한다.

이러한 배터리 원료에 대한 수요는 전기 이동성 뿐만 아니라 다른 모바일 애플리케이션으로 인해 빠르게 증가하고 있다. 지금까지 집중적인 연구에도 불구하고 리튬 이온 배터리에 대한 경쟁적 대안이 거의 출시되지 않았기 때문이다.

이 모든 ‘새로운’ 금속 원자재의 향후 공급은 어떤 문제를 안고 있을까?
원료의 대체 가능성, 광상 매장지 지정학적 농도, 채광 기술 그리고 생산국의 정책 등을 알아본다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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