• Intensifying global competition to secure high-tech industrial critical minerals

• Understanding their geological characteristics and utilization situation to secure critical minerals

• Establishment of a cooperation strategy with a specific mining country of the critical minerals

최근 들어 첨단산업에 활용되는 핵심광물(Critical Minerals)의 공급망이 불안정해지면서 광물 수요국에서는 확보 전략을 마련하는데 전력을 다하고 있다. EC(2023)에서는 경제적인 중요성과 공급위험성이 높은 전략분야 개발에 필수적인 원소재 34종을 새롭게 핵심광물로 지정하였고(Grohol et al., 2023), 미국 DOE(2023)에서도 50종의 핵심광물을 지정하여 관리하고 있다. 이는 EU와 미국의 산업기반에서 전략분야 개발에 필수적인 원소재를 포괄적으로 포함하여 지정하였다. 우리나라에서는 2023년 2월 산업통상자원부에서 핵심광물 33종을 선정하고 이 중 반도체, 이차전지 등 첨단산업 공급망 안정에 필요한 10대 전략 핵심광물을 리튬, 니켈, 코발트, 망간, 흑연, 희토류 5종(Ce, La, Nd, Dy, Tb)을 선정하여 집중 관리함으로서 2050년까지 국가의존도를 50% 이상 낮추는 목표를 설정하였다(MOCIE, 2023).

오늘날 탄소중립시대가 도래하면서 세계 에너지 시스템은 청정에너지로의 주요한 전환 중에 있다. 2050년까지 온실가스 배출량을 제로로 줄이려는 국가 및 기업의 노력은 광범위한 청정에너지 기술의 대규모 재배치를 요구하고 있다. 전 지구적 차원에서 진행되는 청정에너지로의 전환으로‘현정책 시나리오(STEPS: Stated Policies Scenario)’에서 핵심 광물에 대한 수요가 2040년까지 두 배로 증가할 것이며, ‘지속

가능개발 시나리오(SDS: Sustainable Development Scenario)’에서는 수요가 4배 증가할 것으로 전망하고 있다(Fig. 1). 또한 SDS에서 2040년까지의 주요 광물수요 전망에 의하면, 전기차(EV: Electric Vehicle) 및 배터리 관련 광물 수요가 약 30배 이상 증가, 전력망 확대로 구리 수요는 두 배 이상 증가, 저탄소 발전부문에서의 광물 수요가 3배 증가를 예상하고 있다(Fig. 1). 에너지 전환으로 운송용, 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System) 부문 등에서 리튬이온 배터리 시장이 급성장함에 따라 배터리 소재 광물자원인 리튬, 니켈, 코발트 시장도 높은 성장세가 지속될 것으로 전망되며, 세계은행은 2050년 에너지 저장과 관련된 배터리 소재 핵심광물인 리튬, 코발트 등의 수요가 2018년 대비 약 4.5~5배 증가할 것으로 예상하고 있다(Seong, 2022). 특히 리튬 이차전지 4대소재(양극재, 음극재, 전해액, 분리막)는 2022년 70조원의 시장규모에서 2030년 200조원으로 급증할 것으로 전망한다(SNe Research, 2023).

Figure 1. Mineral demand for clean energy technologies by scenario(IEA, 2021).

2023년 4월 18일 미국이 인플레이션 감축법(IRA)에 따른 저사양 반도체의 중국 수출을 금지하겠다고 공표한 지 얼마 안 돼 중국이 맞대응 성격으로 갈륨 및 게르마늄에 이어 2023년 12월 1일부터 이차전지의 핵심 원료인 흑연에 대한 수출 허가 절차를 시작하겠다고 발표하였다. 대상은 고순도·고강도·고밀도 인조흑연과 천연 인상 흑연인 구상 흑연·팽창 흑연 등 3종이다. 흑연이 이차전지의 핵심 원료라는 점에서 국내 산업계는 큰 짐을 안게 됐다. 이러한 급변하는 광물 수급 환경에서 급성장과 수요 급증이 전망되고 수급 불안정성이 높아지고 있는 4종의 배터리 원료광물인 흑연(C: graphite), 니켈(Ni), 리튬(Li) 및 바나듐(V)과 청정 에너지산업에 사용되는 핵심광물인 희토류(REE)에 대해 원료의 특성과 지질학적 부존특성 및 개발 현황을 소개하여 정부의 핵심광물 수급 정책 개발에 필요한 자료를 제공코자 한다.

2.1. 특성 및 활용분야

흑연은 불투명하고, 회흑색이며, 부드럽고(모오스 경도 1.5-2), 금속광택을 가지고 있다. 저밀도(2.09-2.23 g/cm³), 고저항 열 충격 및 높은 전기 전도도, 불활성성, 압축성, 탄성 및 윤활성을 가진 독특한 성질을 가지고 있어 활용 분야가 다양하다(Wissler, 2006).

석탄은 육생 및 수생 식물과 같은 유기물이 퇴적작용에 의해 장기간 동안 탄화가 초래되어 형성된다. 이에 반해 천연 흑연은 퇴적암 내의 유기물이 퇴적작용(속성작용), 변성작용 및 변질작용을 받아 석탄의 형성 조건보다 고온과 고압 환경에서 흑연화작용이 초래되어 형성된다. 형성되는 흑연은 온도 및 압력에 지배되어 결정질(고결정질, 미정질, 잠정질) 흑연과 비정질 흑연으로 분류된다. 대체적으로 결정 크기가 큰 결정질 흑연을 인상(flaky) 흑연, 결정 크기가 매우 작은 비정질, 미정질, 잠정질 흑연을 토상(earthy) 흑연으로 구분한다. 또한 천연 흑연에 상대적인 합성 흑연도 있다. 흑연은 고전적으로 제철, 내화 및 주물용 등 다양한 용도로 활용되어 왔다. 인상흑연은 요업용, 내화용, 필기구, 탄소봉, 라이닝, 주형 재료 등에 주로 사용되고 토상 흑연은 제강용, 주물용, 전기로용, 내화물용 및 건전지용으로 사용된다. 특히 최근 부상되고 있는 첨단산업 활용 분야는 전기 자동차용 배터리, 대규모 전기 에너지 저장장치, 그래핀과 같은 흑연 유도체, 구상 흑연, 팽창 흑연 등이며, 이들 부문들이 시장에서 가장 빠른 성장세를 보이고 있다(Simandl et al., 2015).

2.2. 광상특성과 부존 및 생산·개발현황

흑연 광상은 고전적으로는 광체의 형태에 따라 성층상(stratiform), 광염상(disseminated), 맥상(vein) 및 페그마타이트형(pegmatite)으로 구분하였으며(Clark, 1921), Simandl et al.(2015)은 미정질 흑연광상, 맥상 흑연광상 및 인상 흑연광상으로 분류하였다. Mo(1989)는 광상 형성의 지질환경에 따라 광역변성광상, 접촉변성광상 및 열수변질광상으로 분류하기도 하였다. 이러한 분류를 종합해 본다면 광역변성광상은 성층상 또는 광염상 형태를 보이는 결정질 인상 흑연이 우세하게 산출하며, 열수변질광상은 맥상 형태를 보이는 고결정질 인상 흑연이 우세하고, 접촉변성광상은 비정질 또는 미정질(잠정질) 토상 흑연이 우세하게 산출하는 것으로 정리된다. 따라서 천연 흑연은 천연의 결정질 인상 흑연, 비정질 토상 흑연 및 고결정질 맥상 흑연으로 나눔이 일반적인 분류이다. 결정질 인상 흑연광상은 분리된 수 mm-수 cm 크기의 판상(flake)으로 구성되며 두껍고 길다란 렌즈형 광체로 산출하기 때문에 다양한 품위(C 3~60%)와 소규모의 특성을 보임이 특징이고(Fig. 2), 비정질 토상 흑연광상은 석탄층의 잔유물로서 무연탄층 내에 분포하고 유기물이 많은 퇴적암이 접촉변성작용을 받아 형성되기 때문에 품위는 모암의 탄소 함량에 지배되지만 대체적으로 25~60%의 탄소 함량을 보인다(Fig. 2). 맥상형 흑연광상은 고온-고압에서 고온-고압의 백립암상 변성암이 형성된 이후에 확장(extensional) 구조대(tectonic belt)에 페그마타이트맥이나 석영맥에 수반되어 안행상 구조로 산출함이 특징이며 황철석, 황동석, 석영과 흑운모가 수반된다(Luque et al., 2013).

Figure 2. Grade-tonnage diagram of global representative amorphous and crystalline graphite deposits(UKDiss, 2022).

흑연광상은 변성작용이 초래되는 조산대에서 주로 형성되기 때문에 여러 대륙의 고원생대 지괴 내에 주로 분포한다(Fig. 3). 2022년 기준으로 집계된 세계 매장량은 총 3억3,000만톤이며 브라질 7,400만톤(22.4%), 중국 5,200만톤(15.7%), 마다가스카르 2,600만톤(7.9%), 모잠비크 2,500만톤(7.6%), 러시아 1,400만톤(4.2%)순이다(Table 1). 생산량 순위는 매장량과는 다소 차이가 있는데 2022년 연간 생산량은 총 130만톤이며 중국 85만톤(65.3%), 모잠비크 17만톤(13.1%), 마다가스카르 11만톤(8.5%) 순이다(Table 1). 우리나라에서도 2020년 이전에는 연간 수백톤 생산에 불가했지만 점차 증가하여 2022년 생산량은 약 24,000톤(인상 흑연 7,040톤, 토상 흑연 16,758톤)에 달한다(KIGAM, 2023). 전기차 생산이 늘어나면서 배터리 셀 음극재에 들어가는 흑연은 수요가 급증하고 있으며, 주로 중국에서 채굴 및 가공되었지만 현재는 다른 여러 국가(주로 동부 아프리카, 스칸디나비아 지역, 북미 및 호주)에서 프로젝트가 확대되고 있는 추세이다(Fig. 4). 또한 배터리에 사용하기 위해서 인상 흑연을 코팅된 구형의 정제 흑연으로 처리하는 시설들이 여러 지역에서 건설하고 있으며, 특히 아프리카 동남부 모잠비크와 탄자니아에서는 흑연 채굴 프로젝트가 붐이 일고 있다(Fig. 4).

Figure 3. Global distribution map of graphite deposits(Baker Steel Capital Managers LLP, 2022).

Figure 4. Map showing the global distribution of graphite projects, battery anode facilities and capacity(S&P Global, 2022).

Table 1

Global graphite production and Reserves(USGS, 2023).

Country	Production (ton)		Reserves (ton)
	2021	2022
China	820,000	850,000	52,000,000
Brazil	82,000	87,000	74,000,000
Mozambique	72,000	170,000	25,000,000
Madagascar	70,000	110,000	26,000,000
Russia	15,000	15,000	14,000,000
Canada	12,000	15,000	NA
South Korea	10,500	17,000	1,800,000
Ukraine	10,000	3,000	NA
North Koea	8,100	8,100	2,000,000
Turkey	2,700	2,900	90,000,000
Others	30,400	24,900	45,200,000
Total	1,130,000	1,300,000	330,000,000

3.1. 특성 및 활용분야

희토류는 독특한 화학적, 전기적 및 광학적 특성을 지니고 있어, 소량을 사용해도 소재의 기능을 향상시키는데 탁월한 효과가 있기 때문에 전기차, 풍력발전 등 친환경 산업에 필수적인 영구자석의 핵심원료로서 수요가 급증하고 있을 뿐만 아니라, 반도체용 연마제, 석유화학 촉매, 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode) 광원, 레이저, 전투기 등 첨단산업에 폭넓게 사용되고 있다(Kim and Park, 2021).

희토류 금속과 산화물의 원소별 활용분야는 Figure 5와 같이 영구 자석용은 Nd, Dy, Sm, Tb, Pr-금속, 합금용은 경희토류(LREE: Light Rare Earth Element)인 La, Ce, Pr, Nd과 Y-금속이 주로 활용되고, 형광체용은 Eu, Y, Tb, Nd, Er, Gd-산화물이, 화학촉매용은 경희토류인 La, Ce, Pr, Nd-산화물이, 세라믹과 유리용은 경희토류인 La, Ce, Pr, Nd-산화물뿐만 아니라 중희토류(HREE: Heavy Rare Earth Element)인 Gd, Er-산화물이 활용된다. 희토류는 다양한 활용분야를 가지고 있으나 중량면에서 보면 영구자석이 29%, 촉매용이 21%를 차지하지만, 영구자석만의 희토류 시장가치(2019년 22억불)가 79%를 차지한다(Fig. 6). 영구자석의 주요 원료인 Nd, Pr은 전체 희토류 시장가치의 75%, 중량의 20%를 차지하고, La과 Ce은 수요량의 70%를 차지하나 금액으로는 8%에 불과하다. 향후 청정기술의 개발에 따라 풍력발전기, 선형램프(LFLs: Linear Fluorescent Lamps), 소형형광램프(CFLs: Compact Fluorescent Lamps), 발광다이오드, 전기자동차, 전기자전거, 니켈수소전지(NiMH: Nickel Metal Hydrate) 등에 시용되는 모터, 밧데리와 촉매전환제의 용도가 증가 될 것으로 예측되고 있으며, 특히 Nd, Dy의 수요 급증은 2025년 중반기부터 뚜렷해 질 것으로 전망하고 있다(Zhou et al., 2017).

Figure 5. REE metals and oxides for utilization(Kim and Park, 2021).

Figure 6. 2019 utilization ratio of rare earths by use(A: volume-based, B: price-based)(Kim and Park, 2021).

3.2. 광상특성과 부존 및 생산·개발현황

세계적으로 희토류를 생산하는 광산은 10여개에 불가하다(Fig. 7). 가행 광상 중에서 중국 Bayan Obo, Weisan, Maoniuping 광상과 미국 Mountain Pass 광상은 화성기원의 탄산염암인 카보나타이트(carbonatite)형에 속한다(BGS, 2011). 카보너타이트형 광상은 중원생대 지괴의 알카리 화성복합대에 주로 분포한다. Figure 7에 도시된 호주의 Mount Weld 광상은 카보나타이형 광상으로도 취급 하기도 하였지만(Van Gosen 외, 2017), 카보너타이트 모암의 라테라이트(laterite)형 풍화광상으로 구분한다(BGS, 2011). 가행되는 광상에서 과알카리암형에 속하는 광상은 러시아의 Lovozero 광상이며, 점토광물에 흡착되어 산출하는 이온흡착형은 중국 Longnan, Xunwu, Xinfeng 광상, 베트남 Dongpao 광상과 미얀마 Daluxiang 지역 광상들이다(Fig. 7). 현재 프로젝트로 진행되는 광상들은 아프리카 남부 지역과 미국, 캐나다, 호주 등 여러 나라에서 진행되고 있지만 카보나타이트형 광상이 가장 우세하게 분포한다(Fig. 7).

Figure 7. World map showing locations of active or recently active rare-earth-element(REE) mines and ongoing advanced exploration projects(Van Gosen et al., 2017).

세계 희토류 매장량은 희토류산화물(REO: Rare Earth Oxide) 기준으로 1억3천만톤으로 집계(2022년)되어 있으며, 중국 4,400만톤(34%), 베트남 2,200만톤(17%), 브라질 2,100만톤(16%), 러시아 2,100만톤(16%), 인도 690만톤(5.3%) 순이다(Table 2). 생산량은 매장량 순위와는 일치하지 않는다. 2022년 기준 총 생산량은 30만톤이며 중국 21만톤(70.0%), 미국 43,000톤(14.3%), 호주 18,000톤(6.0%), 미얀마 12,000톤(4.0%) 순이다(Table 2). 이는 중국은 세계적 대규모 광산인 Bayan Obo 광상, 미국 역시 세계적 Mountain Pass 광상, 미얀마는 2017년부터 개발되기 시작한 Daloluxian 광상, 호주는 Mountain Weld 광상에서 활발히 생산되는 연유이다. 2021년에 비해 2022년 베트남에서 생산이 증가하고 있는 것도 특징이다.

Table 2

Global Rare Earth Oxides(REO) production and Reserves (USGS, 2023).

Country	Production(REO ton)		Reserves (REO ton)
	2021	2022
China	168,000	210,000	44,000,000
USA	42,000	43,000	2,300,000
Myanmar	35,000	12,000	NA
Australia	24,000	18,000	4,200,000
Thailand	8,200	7,100	NA
Madagascar	6,800	960	NA
India	2,900	2,900	6,900,000
Russia	2,600	2,600	21,000,000
Brazil	500	80	21,000,000
Vietnam	400	4,300	22,000,000
Total	290,000	300,000	130,000,000

2018년 희토류 생산량인 17만톤(REO 기준) 이후 계속 증가하여 2022년에는 30만톤을 생산하였다(Fig. 8). 국가별로는 미얀마가 2018년 1,000톤 생산 이후 2020년에는 30,000톤 생산하면서 급부상함이 특징이며(Fig. 8), 이는 미얀마 북부 Kachin 지역의 이온흡착형 광상들이 개발되면서 중희토류를 생산하기 때문이다. 아직까지는 중국이 최고 매장량과 생산량을 차지하고 있으나 2017년부터 2021년까지는 생산량 비율이 현저히 감소하다가 2022년에는 다시 70%(2016년 83.3%→2017년 70.5%→2020년 58.3%→2021년 57.9%→2022년 70.0%)로 다소 증가되었다. 세계적인 희토류 생산 증가는 세계적인 전기차 및 풍력발전기에 사용되는 영구자석의 수요 증가에 기인된다.

Figure 8. 1994-2022 global production currency of REO(Metric tons-rare earth oxide equivalent) (Geoscience News and Information, 2023).

4.1. 특성 및 활용분야

니켈은 다양한 공업 용도로 사용되는 구조용 금속이다. 전성과 연성이 매우 우수하고 대부분의 환경에서도 높은 내식성을 가질 뿐만 아니라, 고온 및 저온 강도 또한 우수하다. 따라서 화학산업이나 원전 등의 공업용 구조용강으로 니켈만한 소재를 찾기 어렵다. 합금의 형태로 화폐(동전 주조)를 만드는데 쓰이고 있으며, 수소첨가 반응에서 촉매로의 사용, 비행기, 항공 우주선, 의료용 기구, 각종 전자 기기의 충전용 배터리 등 다양한 용도로 사용되어 왔다.

2020년 전 세계 니켈 소비량에서 스테인리스가 차지하는 비중은 약 70%인 반면 전기차 배터리는 10% 미만이었지만, 2030년에는 탄소배출량 감축 움직임이 본격화되면서 전기차 판매량수가 증가하여 스테인리스 비중이 약 55%로 감소하고 밧데리 비중이 약 25%로 증가할 것으로 전망한다(Fig. 9).

Figure 9. Global nickel consumption by first use 2020 and 2030(Reuters, 2021).

4.2. 광상특성과 부존 및 생산·개발현황

세계 니켈 광상은 초염기성암에서 유래된 유화광상(sulfide deposit)과 초염기성암이 풍화되어 형성된 풍화토에 배태된 라테라이트형 광상으로 구분한다. 부존량 규모로 본다면 유화광상이 약 60%, 라테라이형 광상이 약 40%를 차지한다(Geoscience Australia, 2023). 세계적으로 Ni-Cu-(PGE) 유화광상은 광상의 형성 환경에 따라 범람현무암형(flood basalt type: 30%), 기저배태형(basal type: 20%), 운석충돌형(meteorite impact type: 20%), 코마티아이트형(komatiite type: 18%), 층준규제형(stratabound type: 12%) 광상으로 분류한다(Hoatson et al., 2006). 세계 니켈 광상은 유화형과 라테라이트형 광상의 두 유형에 따라 극명히 차별적인 분포를 보여주며, 유화형 광상은 호주, 미국, 캐나다, 남아공, 짐바브웨, 중국, 러시아 및 핀란드 등에 분포하며, 라테라이트형 광상은 열도 및 아열대 기후를 가지는 인도네시아, 필리핀, 호주, 뉴칼레도니아, 브라질 및 쿠바 등에 분포한다(Fig. 10). 유화형 광상은 호주에 가장 풍부하게 분포하고, 라테라이트형 광상은 인도네시아가 압도적인 분포를 보인다. 호주의 유화형 니켈광상은 화강암-녹색암대의 열곡대에 정치된 시생대 코마티아이트와 시생대 지괴의 열곡대와 원생대 조산대에 정치된 토레아아트질 초염기성-염기성 관입암체와 관련되어 일간(Yilgarn) 지괴 내에 주로 분포한다. 인도네시아 라테라이트형 니켈 광상은 중앙 슬라웨시(Sulawesi)에서 올리고세에 압등(obduction)된 오피올라이트와 관련된 페리도타이트 내에 주로 위치한다(Villeneuve et al., 2002; Ito et al., 2021).

Figure 10. World distribution map of significant sulfide and laterite nickel deposits. Sulfide deposits containing important by-products of PGEs or have associated PGE–Ni deposits are also shown(modified from Elias, 2002; Hoatson et al., 2006).

니켈 광상이나 프로젝트의 잠재성은 과거와 현재 개발되고 있는 광상이나 광산의 품위 및 매장량이 도시된 품위-매장량도를 비교하여 평가해 볼 수 있다. 유화형 광상 중 매장량 백만톤(Ni 금속 기준) 이상에 달하는 대규모 광상은 세계적으로 염기성암-초염기성암 관련 광상이 가장 많으며, 호주에서만 코마티아이트형 광상이 가장 우세하다(Fig. 10). 중국을 제외한 지역에서 개발된 광상들은 매장량 천만톤(광석 기준) 이상, 품위 Ni 0.5-3.0%이지만 중국에서는 매장량도 다소 적고 품위도 Ni 0.2 -1.0%로서 세계적인 기준보다는 다소 낮다(Fig. 11). 라테라이트형 광상은 전반적으로 유화형 광상보다 매장량과 품위가 다소 낮으며, 품위 Ni 1.0% 내외, 매장량은 1백만-1억톤(광석 기준) 내외이다(Fig. 11). 유화형 광상의 부존 현황을 고려한다면 호주에서 공급이 지속적으로 증가 할 것으로 예측되며, 라테라이트형 광상은 인도네시아에서의 개발이 촉진 될 것으로 보인다.

Figure 11. Logarithmic plot of nickel grade(wt.%) versus global resources of nickel ore(production plus reserves and resources in million tonnes) for the major nickel sulfide deposits of the world(Hoatson et al., 2006). Australian deposits are shown with filled symbols and the major foreign deposits with open symbols. The gray diagonal lines indicate contained nickel metal in tonnes. The field enclosed by the dash line corresponds to the major nickel laterite deposits of the world(Elias, 2002). World-class deposits shown in large symbols are defined as those containing more than one million tonnes of contained nickel metal. Data for Australian deposits compiled from OZMIN, and other deposits from Naldrett (2002) and Eckstrand(1995).

2022년 세계 매장량은 Ni 금속 기준 1억톤 이상으로 호주 2,100만톤(21.0%), 인도네시아 2,100만톤(21.0%), 브라질 1,600만톤(16.0%), 러시아 750만톤(7.5%), 뉴칼레도니아 710만톤(7.1%), 필리핀 480만톤(4.8%)이며, 2022년 기준 연간 생산량은 Ni 금속 기준으로 총 330만톤으로서 인도네시아 160만톤(48.5%), 필리핀 33만톤(10.0%), 러시아 22만톤(6.7%), 뉴칼레도니아 19만톤(5.7%), 호주 16만톤(4.8%) 및 캐나다 11만톤(3.9%) 순이다(USGS, 2023).

5.1. 특성 및 활용분야

리튬은 상온 상태에서 가장 가볍고(밀도: 0.354 g/cm³), 다른 원소들과 매우 쉽게 반응하여 화합물을 잘 이루며, 알카리 금속 중 가장 분극성(polarity)이 높고 수소보다 전기음성(electric negativity)이 높아 화학에너지를 매우 효율적으로 축적할 수 있는 능력을 가지고 있다(Kavanagh et al., 2018). 이러한 특성으로 리튬은 화학적 또는 기술적 용도로 다양하게 사용되고, 탄산리튬, 수산화리튬, 염화리튬과 같은 여러 화합물 형태로 전통적인 활용분야인 유리/세라믹, 그리스/윤활유, 화학촉매 등에 사용되어 왔으며, 에너지원과 에너지저장용 리튬 이온 배터리 용도가 최근 수요 증가를 촉발 시키고 있는 추세이다(Albemarle, 2016; Champion, 2018). 배터리는 전기차 뿐만 아니라, 휴대용 소형가전과 에너지저장장치, 도심항공교통(UAM: Urban Air Mobility) 등 차세대 모빌리티와 로보틱스의 확산에도 핵심 역할을 하기에 주목 받고 있는 품목으로서 세계적인 기후변화 대응에 부합되고 있는 용도이다(Jo and Park, 2021).

광산에서 채광된 리튬 광석으로부터 정광(concentrate), 수산화리튬, 탄산리튬이 제조되고, 염호원 리튬은 탄산리튬과 염화리튬 제조에 사용된다. 탄산리튬은 염화리튬 제조에도 사용되고 염화리튬은 리튬 금속(합금, 배터리, 의약품)과 기타 화학용(폴리머 등)으로 제조된다(CSA Global, 2019). 리튬 정광은 유리/세라믹용, 수산화리튬은 그리스/윤활제용, 2차 이온 배터리용, 탄산리튬은 리튬 이온 배터리용 등 다양하게 활용되고, 리튬 금속은 1차 배터리, 의약품 및 함금용으로 활용된다(CSA Global, 2019). 2020년에는 2017년 대비 리튬 수요가 2배 이상 증가하였으며 이는 배터리 활용도의 급증(전 용도 중 50% 이상 치지)에 의한 연유이다. 세계 리튬 시장 규모는 2020년 27억불로 평가되었으며 2021년부터 2028년까지 연평균 14.8%의 연평균성장률로 확대될 전망이며, 전기 자동차에 사용되는 리튬이온 배터리가 시장을 견인할 것으로 전망한다(Grand View Research, 2021).

5.2. 광상특성과 부존 및 생산·개발현황

세계 리튬 광상은 염호(재래식 염수, 지열염수, 유전염수) 78%, 암석/광물 19%, 헥토라이트[hectorite:R⁺_0.33(Mg_2.67Li_0.33)Si₄O₁₀(OH)₂]와 자다라이트[jadarite: LiNaSiB₃O₇(OH)]를 함유하는 점토에서 약 3% 생산되고 있다(CSA Global, 2019). 따라서 리튬 광상의 유형은 대규모-저품위 특성을 가진 염호형과 점토질 퇴적형, 소규모-고품위 특성을 가진 리튬-세슘-탄탈륨(LCT: Lithium-Cesium-Tantalum) 페그마타이트형과 비전통 염수형(지열 및 유전염수)으로 구분한다. 칠레, 아르헨티나, 미국에서는 염호형 광상을 주로 개발하고 있으며, 호주와 중국에서는 염호 및 암석/광물 두 근원으로부터 리튬을 추출하고 있으며 캐나다에서는 암석/광물로부터만 생산한다

염호형 리튬 광상의 부존 지역은 남미 리튬 트라이앵글로 불리는 칠레-아르헨티나-볼리비아 및 중국에 분포하며 칠레에서는 SQM사가, 아르헨티나에서는 Leverton사가, 중국에서는 Tianqi Lithium 사가 주로 생산하고, 암석/광물형 스포듀민[(spodumene: LiAl(Si₂O₆)]형은 호주에 주로 분포하며 중국 Tianqi사와 Ganfeng사가 개발한다(Fig. 12). 리튬의 총 매장량은 Li 금속 기준 2,600만톤으로서 칠레 930만톤(35.8%), 호주 620만톤(23.8%), 아르헨티나 270만톤(10.4%), 중국 200만톤(7.7%), 미국 100만톤(3.8%), 캐나다 93만톤(3.6%) 순이며, 2022년 생산량은 매장량 순위와 다소 차이가 있는데 2022년 금속 기준으로 13만톤이며 호주 61,000톤(46.9%), 칠레 39,000톤(30.0%), 중국 19,000톤(14.6%), 아르헨티나 6,200톤(4.8%) 순이다(USGS, 2023).

Figure 12. Map of world Li production in 2020 and location of lithium mining and refining companies(Desaulty et al., 2021). World mine production in 2020 is from USGS(2021).

리튬 광상이나 프로젝트의 잠재성도 과거와 현재 개발되고 있는 광상이나 광산의 품위 및 매장량이 도시된 품위-매장량도를 참고하여 평가해 볼 수 있다. 리튬은 염호에서 78%, 암석(리튬 광물)에서 19%를 생산하기 때문에 염호형과 암석형을 구분하여 고려해야 한다. 대체적으로 암석형 광상이 염호형 광상보다 품위는 다소 높지만 매장량이 보다 적고, 페그마타이트에 주로 배태되며 주로 스포듀민 리튬광물이 분리된다. 알려진 광상의 품위 범위가 Li 0.1-2.0%이고 매장량 범위는 10억톤(광석 기준) 미만이다(Fig. 13). 최근 들어 리튬-운모인 레피돌라이트[lepidolite: K(Li,Al)₃(Si,Al)₄O₁₀ (OH,F)₂] 의 개발도 검토되고 있으며, 리튬-스멕타이트인 헥토라이트가 함유된 점토와 리튬 함유 점토광물인 자다라이트가 함유된 점토층을 대상한 프로젝트들도 진행되고 있다(Fig. 13). 염호형은 대규모-저품위, 페그마타이형은 고품위-저규모, 점토형은 중규모-중품위의 특성으로 요약된다(Fig. 13).

Figure 13. The four main types of lithium deposit form a grade-size distribution(Sykes and Schodde, 2019).

현재 개발되고 있는 세계 최고의 칠레 Atacama 염호는 평균 Li 농도 1,840 ppm, 920만톤의 염수가 부존되어 있는 것으로 알려져 있으며, 전 세계 리튬 매장량의 37%를 차지한다. 포스코 홀딩스가 참여하고 있는 아르헨티나 Hombre Muerto 염호는 Li 735 ppm, 자원량은 1.5백만톤(탄산리튬 기준)에 달한다(Fig. 14) (Lithium power, 2017;

Figure 14. Grade-tonnage diagram of global brine type lithium deposits(Lithium power, 2017).

Lithium South Development Corporation, 2023). 전반적으로 개발되고 있는 광상이나 개발이 추진되고 있는 염호형 Li 광상은 Li 농도가 500 ppm이상이고 탄산리튬 기준으로 자원량이 백만톤 이상이어야 현 시점에서 경제성이 있다고 볼 수 있다(Fig. 14).

6.1. 특성 및 활용분야

바나듐은 단단하고 연성과 전성이 뛰어난 전이금속으로서 대부분의 금속과 강철보다도 단단하며, 염기나 황산, 염산 등의 부식작용에 저항성이 강하기 때문에 여러 가지 기술적 활용에 적합한 금속으로서 전통적으로 강철 합금에 주로 활용되어 왔다. 2022년 강철 합금의 활용이 89%, 에너지저장소 4.3%, 화학 촉매제 3.9%, 티타늄 합금 2.8%이다(Mining Review Africa, 2023). 대규모 전력 저장을 위한 바나듐 레독스 흐름배터리(VRFBs: Vanadium Redox-Flow Battery) 제조에 사용되기도 한다(Kelly et al., 2017). 바나듐 레독스 흐름배터리의 경우 양극/음극 전해질로 바나듐 이온을 사용하여, 산화/환원으로 전해질을 순환시켜 충전과 방전을 하는 전지로서, 사이클 및 보관 수명이 현재 많이 사용되고 있는 리튬이온 전지, 나트륨 전지보다 매우 길고, 안전성이 높은 특징을 가지고 있다(Gilligan et al., 2020). 바나듐의 90% 활용도를 가지는 강철용은 바나듐이 고강도(high strength), 내마모성(wear resistance)을 부여하기 때문이며, 4% 활용도를 가지는 Ti-V-Al 합금은 다른 합금보다 가장 탁월한 강도-중량비 때문에 항공우주분야에 활용되는 연유이고, 그 외 촉매, 세라믹, 전자제품, 화학물에 사용된다(Australian Vanadium Limited, 2020). 바나듐 레독스 흐름배터리가 재생 가능한 시스템의 에너지 분배를 안정화하는데 점점 더 채택되고 있는 배터리 기술 중 하나이기 때문에 친환경 기술, 특히 배터리 기술에 더 많이 사용되고 있다(Australian Vanadium Limited, 2020).

6.2. 광상특성과 부존 및 생산·개발현황

세계 바나듐의 공급원은 광산에서 생산하는 바나듐을 함유한 철광석(81%)과 부산물에서 회수하는 바나듐(2차 근원, 18%)으로 양대분 된다(Fig. 15). 81%를 차지하는 바나듐-철광석 근원은 제강공정에서 유래된 바나듐 슬래그가 70%를 차지하고 광산에서 생산하는 1차 근원인 광석은 30%에 불가하다(Fig. 14). 이러한 공급원으로부터 중간재인 바나듐 산화물이 제조되어 제강합금용 85~90%(고강도 저합금강, 특수강, 스테인리스강, 탄소강), 항공우주분야 고성능 합금(Ti-Al-V 합금)용 5~10% 및 화학물(촉매 빛 배터리) 3% 정도로 활용된다(Fig. 15). Figure 16은 세계 바나듐 광상의 분포도이며, 함바나듐 티탄자철석(VTM: Vanadiferous Titanomagnetite)형 광상, 사암 모암형(Sandstone-hosted) 광상, 셰일 모암형(Shale-hosted) 광상과 바나듐산염형(Vanadate) 광상으로 구분되는데 VTM형 광상이 가장 우세하게 분포하고 경제적으로 가장 중요한 유형이다. 세계적으로 바나듐 광석을 생산하는 1차 공급원인 광상은 남아공 Vametco 광상(Bushweld Minerals)과 Rhovan 광상(Glencore), 캐나다 Campbell 광상(Largo Resources)이다.

Figure 15. Global supply chain of vanadium(Ecclestone, 2020).

Figure 16. Global distribution map of vanadium deposits(Kelly et al., 2017).

2019년부터 2026년까지 바나듐 시장의 연평균성장률은 6.6%로 예상되어 2026년에는 560억불에 달할 것으로 전망하고 있다(Acumen Research and Consulting, 2019). 레독스 흐름배터리만의 세계 시장 규모는 2018년 1억 2,780만 달러에서 2026년까지 3억 990만 달러로 성장하여 13.5%의 연평균증가율이 예상되며, 아시아태평양 시장은 2018년 5,260만 달러에서 2026년에 1억 6,690만 달러의 급성장을 예측하고 있다(Bloomberg, 2020). 2017년 이후로 리튬이온 배터리용과 바나듐 레독스 흐름배터리용의 수요가 지속적으로 증가하는 추세이며 공급 부족 현상이 나타나고 있다.

세계 바나듐의 1차 공급원(광산)은 남아공 Vametco 광상과 Rhovan 광상 및 캐나다 Campbell 광상으로 이들은 함바나듐 티탄자철석형((VTM) 광상이다. 현재 활발하게 가행되고 있는 남아공의 Rovan 광상은 확정 매장량 4,400만톤(0.5% V₂O₅)이며 예상 매장량은 6백만톤(0.7% V₂O₅)이고 추정 및 예상 자원량은 1억3천9백8십만톤(0.5% V₂O₅)으로서 매장량과 품위면에서 압도적인 우위에 있다. 광상 유형별로 품위-매장량 관계도를 보면 VTM 광상 유형이 타 유형에 비해 매장량이 압도적으로 우세하며 품위도 높다. 매장량 1백만톤과 V₂O₅ 0.3% 이상에 속하는 광상들은 호주, 러시아와 앙골라에 주로 분포하고 그에 근접하는 미국, 잠비아, 남아공 및 중국 광상들의 개발도 예측되고 있다(Fig. 17).

Figure 17. Plot of grade and tonnage of vanadium deposits for which data were available (Kelly et al., 2017).

최근 들어 첨단산업에 활용되는 핵심광물의 공급망이 불안정해지면서 미국, EU 및 일본과 같은 광물 수요국에서는 확보전략을 마련하는데 전력을 다하고 있다(JOGMEC, 2020; Grohol et al., 2023). 최근 배터리 공급망 리스크가 커지고 있는 현실에서 상류부문인 원료 확보는 우리나라가 해결해야 하는 국가적 현안이다. 이를 위해서는 원료 광물자원의 특성과 물질흐름을 파악해야 대책 방안을 마련할 수 있을 것이다. 이러한 점에서 본 논문은 4대 배터리 원료광물인 흑연, 니켈, 리튬 및 바나듐과 청정 에너지산업에 필수적인 희토류 자원에 대해 원료의 특성과 활용현황, 광상 유형별 지질학적 부존현황 및 개발현황을 보고 하고자 한다.

최근까지 흑연은 중국 생산량이 전년도까지 약 65%를 차지할 정도로 압도적 우위에 있지만, EV 배터리 부문의 기하급수적인 성장에 따라 글로벌 공급에서 변화가 초래되고 있으며 그 변화 중에서 모잠비크와 탄자니아에서 흑연 채굴 프로젝트가 증가하고 있는 점은 눈여겨 볼 대목이다. 우리나라에서도 2020년 이전 연간 생산량이 수백톤에 불가했지만 2022년에는 약 24,000톤에 달하기도 하였다(KIGAM, 2023). 흑연광상은 여러 대륙에서 분포가 많지만 브라질, 중국, 마다가스카르, 모잠비크 및 러시아 광상들이 매장 규모가 크다(USGS, 2023). 천연 흑연은 결정질 인상 흑연, 비정질 토상 흑연 및 고결정질 맥상 흑연으로 구분되는데 각각의 특성이 매우 다르기 때문에 활용을 위해서는 광물학적 특성 파악이 우선시 되어야 한다.

희토류는 반도체용 연마제, 석유화학 촉매, LED 광원, 레이저, 전투기 등 첨단산업에 폭넓게 사용되고 있는 원료이고 특히 Nd, Pr 및 Dy은 전기차, 풍력발전 등 친환경 산업에 필수적인 영구자석의 핵심원료이다. 세계적으로 희토류를 생산하는 광산은 10여개에 불가하며, 주로 카보너타이트형 광상(중국 Bayan Obo 광상과 미국 Mountain Pass 광상 등), 라테라이트형 광상(호주 Mount Weld 광상) 및 이온흡착형 광상(중국 Longnan, Xunwu, Xinfeng 광상 등)이다. 현재 프로젝트로 진행되는 광상들은 아프리카 남부 지역과 미국, 캐나다, 호주 등 여러 나라에서 진행되고 있지만 카보나타이트형이 가장 우세하다. 세계 희토류 매장량은 중국(34%), 베트남(17%), 브라질(16%), 러시아(16%), 인도(5.3%) 순이며, 2022년 기준 연간 생산량은 중국(70.0%), 미국(14.3%), 호주(6.0%), 미얀마(4.0%) 순이다. 이는 중국은 세계적 대규모 광산인 Bayan Obo 광상, 미국 Mountain Pass 광상, 미얀마는 2017년부터 개발되기 시작한 Daloluxian 광상, 호주는 Mountain Weld 광상에서 활발히 생산되는 연유이다. 2021년에 비해 2022년 베트남에서 생산이 증가하는 것도 특징이다. 우리나라 성림첨단산업(주)에서 베트남에 공장을 설립하여 Dongpao 광상에서 원료를 공급받아 희토자석 생산을 준비 중이다(personal communication). 최근 수년간 희토류 생산의 급격한 증가는 전기차 및 풍력발전기에 사용되는 영구자석의 수요 증가 때문이다.

니켈은 다양한 공업 용도로 사용되는 구조용 금속으로서 화학산업이나 원전 등의 공업용 구조용강으로 사용되어 온 중요한 금속으로서 수소첨가 반응에서 촉매로의 사용, 비행기, 항공 우주선, 의료용 기구, 각종 전자 기기의 충전용 배터리 등 다양한 용도로 사용되어 왔다. 2020년 스테인리스 비중은 약 70%인 반면 전기차 배터리는 10% 미만이었지만, 2030년에는 밧데리 비중이 약 25%로 증가할 것으로 전망된다. 세계 니켈 광상은 초염기성암에서 유래된 유화광상과 라테라이트형 광상으로 구분되는데 부존량 규모로는 유화광상이 약 60%, 라테라이형 광상이 약 40%를 차지하고 유화형 광상은 호주에 가장 풍부하게 분포하고, 라테라이트형 광상은 인도네시아에 압도적인 분포를 보인다. 중국을 제외한 지역에서 개발된 광상들은 매장량 천만톤(광석 기준) 이상, 품위 Ni 0.5-3.0%이지만 중국에서는 매장량도 다소 적고 품위도 Ni 0.2-1.0%로서 세계적인 기준보다는 다소 낮다. 라테라이트형 광상은 전반적으로 유화형 광상보다 매장량과 품위가 다소 낮으며, 품위 Ni 1.0% 내외, 매장량은 1백만-1억톤(광석 기준) 내외이다. 유화형 광상의 부존 현황을 고려한다면 호주에서 공급이 지속적으로 증가 할 것으로 예측되며, 라테라이트형 광상은 인도네시아에서의 개발이 촉진 될 것으로 보인다.

리튬은 독특한 화학적 특성을 가지고 있음으로서 유리/세라믹, 그리스/윤활유, 화학촉매 등에 다양하게 사용되어 왔으나 최근 들어 에너지원과 에너지저장용 리튬 이온 배터리 용도가 최근 수요 증가를 촉발 시키고 있는 추세이다. 세계 리튬 시장 규모는 크게 확대될 전망이며, 전기 자동차에 사용되는 리튬이온 배터리가 시장을 견인할 것으로 전망한다. 세계 리튬 광상은 염호형(78%)과 암석/광물형(스포듀민 19%), 점토형(3%)이 생산되고 있다. 칠레, 아르헨티나, 미국에서는 염호형 광상을 주로 개발하고 있으며, 호주와 중국에서는 염호 및 암석/광물 두 근원으로부터 리튬을 추출하고 있으며 캐나다에서는 암석/광물로부터만 생산한다. 대체적으로 암석형 광상은 염호형 광상보다 품위가 다소 높지만 매장량이 적고 페그마타이트에 주로 배태된다. 최근 들어 리튬-운모(레피돌라이트), 리튬-스멕타이트(헥토라이트)와 자다라이트가 함유된 점토층을 대상한 프로젝트들도 진행되고 있다. 현재 개발되고 있는 세계 최고의 칠레 Atacama 염호는 평균 Li 농도 1,840 ppm, 920만톤의 염수가 부존되어 있는 것으로 알려져 있으며 전 세계 리튬 매장량의 37%를 차지한다. 포스코 홀딩스가 참여하고 있는 아르헨티나 Hombre Muarto 염호는 Li 735 ppm, 자원량은 1.5백만톤(탄산리튬 기준)에 달한다. 전반적으로 개발되는 광상이나 개발이 추진되고 있는 염호형 Li 광상은 Li 농도가 500 ppm 이상이고 탄산리튬 기준으로 자원량이 백만톤 이상이어야 현 시점에서 경제성이 있다고 볼 수 있다.

바나듐은 단단하고 연성과 전성이 뛰어난 전이금속으로서 화학물에 대한 저항성이 강하기 때문에 전통적으로 강철 합금(2022년 기준 89%)에 이용되어 왔다. 최근 대규모 전력 저장을 위한 바나듐 레독스 흐름배터리 제조에 사용되면서 관심이 집중되고 있다. 세계 바나듐의 공급원은 광산에서 생산하는 바나듐을 함유한 철광석(81%)과 부산물에서 회수하는 바나듐(2차 근원, 18%)으로 양대분 된다. 81%를 차지하는 바나듐-철광석 근원은 제강공정에서 유래된 바나듐 슬래그가 70%를 차지하고 광산에서 생산하는 1차 근원인 광석은 30%에 불가하다. 이러한 공급원으로부터 중간재인 바나듐 산화물이 제조되어 제강합금용 85~90%(고강도 저합금강, 특수강, 스테인리스강, 탄소강), 항공우주분야 고성능 합금(Ti-Al-V 합금)용 5~10% 및 화학물(촉매 빛 배터리) 3% 정도로 활용된다. 바나듐 광상의 유형은 함바나듐 티탄자철석형 광상, 사암 모암형 광상, 셰일 모암형 광상과 바나듐산염형 광상으로 구분되는데 함바나듐 티탄자철석형 광상 광상이 가장 우세하게 분포하고 경제적으로 가장 중요한 유형이다. 세계 바나듐의 1차 공급원(광산)은 남아공 Vametco 광상과 Rhovan 광상 및 캐나다 Campbell 광상이다. VTM 광상 유형이 타 유형에 비해 매장량이 압도적으로 우세하며 품위도 높은 편에 속한다. 매장량 1백만톤과 V₂O₅ 0.3% 이상에 속하는 광상들은 호주, 러시아와 앙골라에 주로 분포하고 그에 근접하는 미국, 잠비아, 남아공 및 중국 광상들의 개발도 예측되고 있다. 레독스 흐름배터리만의 세계 시장은 크게 높은 성장률이 예상되며, 특히 아시아태평양 시장에서 급성장이 예측된다. 2017년 이후로 리튬이온 배터리용과 바나듐 레독스 흐름배터리용의 수요가 지속적으로 증가하는 추세로 공급 부족 현상이 나타나고 있다.

한국 배터리 산업의 특징은 소재·부품업체가 동반 성장하여, 4대 핵심소재 제조를 비롯해 안정적인 배터리 가치사슬을 구축하고 있으며, 배터리의 핵심소재 생산에 있어, 우리나라는 압도적 1위를 차지하고 있는 중국에 이어 일본과 경합 중으로 4대 소재의 국내 생산 비중은 양극재 20%, 음극재 4%, 분리막 17%, 전해질 14%이다(Jo and Park, 2021). 리튬이온 배터리와 바나듐 레독스 흐름배터리의 세계 시장은 급성장을 예측하고 있으며, 2017년 이후로 공급 부족이 나타나고 있다. 국내 배터리 공급망에서 가장 취약한 부분은 원료광물 수급으로, 급증하는 배터리 수요로 인한 공급 부족과 가격변동성 등의 리스크가 상존하고 있다.

탄소중립시대를 맞이하여 청정기술의 발전과 함께 수요 증가가 예측되는 영구자석과 배터리의 원료광물인 희토류, 리튬, 바나듐, 흑연, 코발트, 니켈 등의 안정적인 공급원을 확보하여 상류부문 공급망을 확보하는 것이 우리나라의 필수적인 선결 과제이다. 정부에서는 2021년 8월 “희소금속 산업 발전대책 2.0”을 수립하여 희소금속 산업생태계 구축사업을 기획 하였으며, 친환경, 고부가가치화 기술개발, 대체저감 기술개발, 물성정보구축, 스케일 업 기술지원 등이 주 내용이지만 1차 원료광물의 확보 방안 마련은 포함되어 있지 않다. 최상류부문 원료공급 없는 중류부문(mid-stream)과 하류부문(down-stream)만의 공급망 구조는 가장 취약할 수 밖에 없다.

결론적으로 향후 에너지원료 광물자원의 공급 불안정성이 커지고 있는 이 시점에서 우리나라에서 이러한 자원의 부재와 생산 제한성은 해외자원 확보라는 차선의 선택과 자원기술 개발을 위한 준비와 전략을 마련해야 할 것이다. 세계적 부존 현황 및 우리나라의 수입현황을 고려한다면 Ni의 경우는 뉴칼레도니아, 인도네시아 및 필리핀 라테라이트형 광상 개발을 위한 자원협력이 필요하다고 본다. 희토류는 최근 호주와의 협력이 진행 중에 있지만 여러곳에서 희토류 광상의 부존이 알려진 몽골과의 협력도 필요할 것이다. 인상 및 토상흑연은 주로 중국에서 수입하고 있지만 공급 다변화를 위하여 부존이 풍부하고 흑연 개발 붐이 일고 있는 모잠비크 또는 마다가스카르와의 협력 방안 마련이 요구된다. 정부의 정책수립과 실행도 중요하지만 기업이 앞서 나가지 않으면 자원환경이 급속하게 변화되고 있는 이 시점에서 안정된 자원산업의 구축은 쉽지 않기 때문에 기업의 선제적이고 도전적인 자세와 실행이 필요하며 정부는 기업 지원정책을 강화하여 주진해 나가야 할 것이다.

이 논문은 과학기술정보통신부에서 지원한 한국지질자원연구원 기본사업(GP2023 -004)으로 연구가 수행되었습니다.