희귀한 ‘희토류’ 생성과정 밝혀냈다

고온에서 카보나타이트 광상이 희토류 광상으로 변화

희토류는 명칭 그대로 ‘희귀한 흙(Rare earth)’이다. 그러나 건조 상태에서 잘 견디는 등 매우 안정적이며, 열전도율이 매우 높아 스마트폰은 물론 컴퓨터 디스크 드라이브에 이르기까지 각종 전자제품의 핵심 원료가 되고 있다.

특히 전기·전자·촉매·광학·초전도체 등 첨단 과학에 있어 주요 부품을 생산하는데 없어서는 안 될 중요한 소재다. 이 희토류를 세계는 매년 약 12만 5000여 톤 사용하고 있는데 그중 97%를 중국이 공급하고 있다.

한국을 비롯해 세계 각국이 치열하게 자원 확보 경쟁을 벌이고 있는 희토류. 과학자들이 이 희귀한 금속의 생성과정을 밝혀내 미래 자원 확보에 희망을 던져주고 있다. ⓒWikipedia

뜨거운 지하수에 의해 카보나타이트에서 생성

15일 ‘사이언스 얼럿’에 따르면 과학자들은 그동안 희토류가 왜 이렇게 적게 묻혀 있는지 그 의문을 풀기 위해 많은 노력을 기울여왔다.

그리고 최근 성공을 거두고 있다. 호주 국립대학 연구팀이 희귀한 금속인 희토류가 처음에 어떻게 생성됐으며, 어떤 경우에는 흔적도 없이 사라지는지 그동안 베일에 가려져 있던 사실들을 밝혀냈다.

탄산염으로 이루어진 염기성 화성암 중의 하나인 카보나타이트(carbonatite) 암석이 있는 곳에 희토류 광상이 있다는 것은 널리 알려진 사실이다.

대표적인 카보나타이트‧희토류 광상으로 미국의 마운틴패스(Mountain Pass), 중국의 바이윈어보(Bayan Obo), 마오니우핑(Maoniuping) 등이 있다. 과학자들은 카보나타이트가 있는 곳에 희토류가 있다고 보고 그 원인을 찾고 있었다.

이번 연구 결과는 어떤 과정을 통해 카보나타이트 광상이 희토류 광상으로 변화하고 있는지 그 내용을 담고 있다.

카보나타이트, 혹은 카보나타이트로부터 변형된 암석에 높은 압력과 열이 가해지면서 희토류가 생성된다는 것. 연구팀은 논문을 통해 마그마가 식을 때 생기는 열수(熱水)에 의해 희토류가 생성됐을 가능성을 시사했다.

연구팀은 기존에 존재했던 희토류가 사라지는 원인을 규명했다. 희토류가 알칼리와 결합했을 때 녹아 지하수를 통해 사라질 수 있다는 것. 알칼리와 결합했을 때 무거운 희토류인 디스프로슘(Dysprosium)이 가벼운 희토류인 란타넘(lanthanum)보다 훨씬 잘 용해돼 열수(熱水)를 통해 흘러나갈 수 있다고 설명했다.

연구 논문은 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴스’ 9일 자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Rare earth element mobility in and around carbonatites controlled by sodium, potassium, and silica’이다.

미래 부족량 확보 위해 후속 연구 진행

희토류는 땅에서 구하기 힘든 원소 17종류를 총칭하는 말이다.

1948년까지는 인도와 브라질의 모래 광산이 주산지였지만 1950년대 들어 남아프리카 공화국이 새로운 희토류의 주요 산지로 부상했다.

1960년대에서 1980년대까지는 미국 캘리포니아주 남부의 마운틴패스 광산이 주 산지였다. 그러나 지금 거의 대부분을 중국에서 생산하고 있다. 세계 희토류 생산량의 97%를 주산지인 중국 내몽골에서 채굴하고 있는 중이다.

그런 만큼 중국은 미국 등 다른 나라들과의 무역 충돌이 발생할 경우 희토류 공급 중단 카드를 꺼내들고 있다. 이런 상황에서 희토류 생성 과정을 밝혀내는 일은 미래 자원 확보가 달려 있는 중요한 연구 과제가 되고 있다.

전자산업 등이 발전해 희토류 사용량이 많은 우리나라 역시 중국 의존도가 극심해 미래 자원 확보 면에서 희토류 확충 방안을 모색해야 하는 상황이다.

연구를 이끈 호주 국립대학의 지질학자 마이클 아넨버그(Michael Anenburg) 교수는 “이번 연구가 지하에서 카보나타이트, 혹은 카보나타이트와 관련된 암석들을 통해 희토류 어떻게 생성되고 있는지 그 과정을 규명하는데 집중됐다.”고 설명했다.

이 과정에서 생성 과정을 검증하기 위해 고안해낸 것이 희토류의 생성 과정을 추적하기 위해 특수 제작된 캡슐이다.

이 캡슐 안에 실험 대상이 된 암석들을 넣은 후 압력을 가해 200°C에서 1200°C 온도에서 희토류 원소의 주요 공급원인 플루오르인회석(fluorapatite)이 어떻게 결정체를 이루게 되는지 그 과정을 추적할 수 있었다.

그리고 카보나타이트, 혹은 카보나타이트로부터 변형된 암석에 높은 압력과 열이 가해지면 그 안에 희토류의 원료가 되는 인회석이 생성되고 이를 통해 희토류가 생성되고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

또한 희토류가 알칼리와 결합했을 때 쉽게 용해되며, 무거운 희토류 원소일수록 용해성이 강하고, 지하를 흐르는 열수를 통해 사라질 가능성을 확인했다.

흥미로운 사실은 알칼리성이 강한 카보나타이트의 경우 희토류가 풍부한 유동체를 생성해 먼 거리로 이동이 가능하다는 점이다. 이렇게 생성된 희토류는 이후에도 용해성이 높은 희토류로 보존되고 있었다.

아넨버그 교수는 “흥미로운 사실들이 밝혀지고 있지만 아직 밝혀져야 할 내용들이 산적해 있다.”며, “미래 희토류 확보를 위해 국가적인 차원의 대규모 후속 연구가 진행돼야 한다.”고 말했다.

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