1. 서 론
1.1. 연구 배경 및 중요성
전자폐기물에서 희토류를 회수하는 기술은 신규 자원 채굴·정제에 따른 환경 및 탄소 부담을 줄이고, 희토류를 순환자원화함으로써 탄소중립과 기후위기 대응에 기여한다[1-13]. 특히 회수된 희토류는 풍력발전과 전기차 등 재생에너지･저탄소 기술의 핵심 소재로 재활용될 수 있어, 청정에너지 전환과 핵심광물 공급망 안정성을 동시에 지원한다[14-24]. 뿐만 아니라 희토류는 첨단 산업의 성능을 좌우하는 핵심 전략자원이기도 하다.
그러나 희토류 공급망은 여전히 높은 지역 편중성을 보인다(Fig. 1). 미국지질조사국(USGS)에 따르면 2024년 전 세계 희토류 광산 생산(mine production)은 약 3억 9,000만 kg REO (Rare Earth Oxide, 희토류 산화물 환산량) 이였으며, 이 가운데 중국은 약 2억 7,000만 kg을 생산하였다. 이는 광산 생산 단계에서만 보더라도 중국의 비중이 약 69%에 이른다는 뜻이며, 공급망 취약성은 채굴뿐 아니라 분리･정련･자석 제조 역량의 중국 집중에서도 비롯된다. 이러한 구조로 인해 글로벌 희토류 공급망은 지정학적 리스크에 매우 취약한 상황이다[25].
또한 전통적인 희토류 채굴 및 정제 과정은 심각한 환경 문제를 야기한다. 광산 개발로 인한 대규모 산림 훼손뿐만 아니라, 화학 약품을 사용하는 과정에서 토양과 수질 오염, 방사성 폐기물 발생 등의 문제가 필연적으로 동반된다. 이러한 환경적 부담은 글로벌 환경 규제 강화 추세와 맞물려 지속 가능한 자원 확보 방식이라고 보기 어렵다. 따라서 전자폐기물로부터 희토류를 친환경적으로 회수하는 기술은 안정적인 자원 확보 수단이 될 뿐만 아니라 중장기적으로 탄소중립 실현과 자원 자급자족 체계 구축에 크게 기여할 것이다[26].
1.2. 연구 목적 및 범위
전자폐기물은 심각한 환경 오염원이지만, 동시에 고농도의 희토류를 포함한 유가 금속을 함유한 도시 광산으로서, 가치가 매우 높다. 폐기된 스마트폰, 노트북, 배터리 등, 전자폐기물에서 희토류를 회수하는 기술은 폐자원을 재활용하여 전자폐기물 폐기 과정에서의 환경 문제를 해결하는 동시에, 자원의 해외 의존도를 낮추고 국내에 새로운 공급망을 구축할 수 있는 핵심적인 방안이다. 이는 자원의 선순환 구조를 만드는 ‘순환 경제’ 체계 구축에 필수적인 요소다[27].
국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 에너지 전환이 진전될수록 희토류를 포함한 핵심광물 수요가 확대될 것으로 전망하며, 특히 전기차 구동모터와 풍력발전기용 영구자석 수요 확대에 따라 네오디뮴, 디스프로슘 등 자석용 희토류의 수요 증가세가 두드러질 것으로 예측된다[28]. 실제로 시장조사기관에 따르면 2024년 희토류 수요는 전년 대비 6~8% 증가한 것으로 보고되고 있다[29,30]. 이러한 수요 확대는 전자폐기물로부터 희토류를 회수하는 기술의 중요성을 높이고 있다. 따라서 본 연구는 전자폐기물로부터 희토류를 회수하는 주요 기술의 친환경성을 종합적으로 비교･분석하는 데 그 목적이 있다. 이를 통해 각 기술의 환경적･기술적 장단점을 체계적으로 규명하고, 향후 환경성과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 지속 가능한 기술의 발전 방향 및 상용화 전망을 제시하고자 한다.
2. 희토류와 전자폐기물의 기초적 이해
2.1. 희토류의 정의와 특성
희토류란 화학 원자 번호 57에서 71까지 15개 원소에 스칸듐과 이트륨을 더한 17개의 원소를 통틀어 이르는 말로, 화학적 성질이 비슷하여 보통의 화학 분석 조작으로는 분리하기 어렵고, 천연으로 서로 섞이어 산출되며 양이 아주 적다[31]. 사실 희토류는 지각에 꽤 널리 퍼져있으나, 매장량이 적게 모여 있거나, 다른 광물과 섞여 있어 분리, 정제가 어렵고 비용이 많이 든다는 특징을 가지고 있다.
2.2. 전자폐기물과 희토류의 관계
스마트폰, 컴퓨터, HDD, 디스플레이, 조명기구 등의 전자폐기물에는 형광체, 배터리 합금 등의 형태로 다양한 첨단 기술 응용에 필수적인 귀중한 희토류 원소가 포함되어 있으며, 따라서 이러한 전자폐기물로부터의 희토류 회수는 지속 가능한 자원 관리에 있어 매우 중요하다[31].
희토류는 고성능 자성체(네오디뮴, 디스프로슘), 광학 또는 발광 소재(유로퓸, 이트륨), 충전지 합금(란타넘, 세륨), 정밀 촉매 등 첨단 산업 전반에서 핵심적인 기능을 담당하며, 대체가 어려운 전략적 자원으로 분류된다.
특히 전자제품의 소형화, 고성능화가 가속화되면서 제품 단위당 희토류 사용량은 증가하고 있으나, 제품 폐기 이후의 회수율은 여전히 매우 낮아 상당량의 자원이 사용 후 버려지고 있다. 이로 인해 전자폐기물 중 일부 부품･제품군, 특히 영구자석과 형광체를 포함한 흐름은 희토류 회수의 유망한 도시광산 자원으로 평가되며, 안정적인 공급망 확보와 자원순환 측면에서 중요한 2차 자원으로 간주된다.
2.5. 전자폐기물 내 희토류의 존재 형태
전자폐기물에 포함된 희토류는 제품의 종류와 용도에 따라 다양한 화학적 형태로 존재한다. 회수 기술의 선택과 공정 설계는 이러한 존재 형태에 따라 크게 달라지므로, 주요 형태를 사전에 파악하는 것이 중요하다. 전자폐기물 내 희토류의 대표적인 존재 형태는 Table 2에 정리하였다.
3. 희토류 회수 기술
3.1. 건식 회수 기술
3.1.1. 용융염 전해법
용융염 전해법은 희토류 금속 및 합금 제조에 사용되는 대표적 고온 전해 기술 가운데 하나이며, 일부 자석 스크랩 재생 공정에서 적용 가능성이 검토되고 있다. 이는 고온에서 용융된 염을 전해질로 사용하여 금속을 환원 및 추출하는 방식으로, 수용액 전해로는 환원하기 어려운 희토류 금속 회수에 활용된다. 특히 네오디뮴(Nd), 디스프로슘(Dy) 등 영구자석용 희토류 금속의 제조 및 회수에 검토되어 왔다. 일반적으로 전처리(산화 및 탄소열 환원)와 본 공정인 전해 환원으로 나뉘며, 폐자석을 산화시켜 얻은 산화물 혼합물에서 탄소열 환원을 통해 철(Fe) 성분을 먼저 제거하고, 남은 희토류 산화물이 농축된 슬래그를 전해질에 용해시켜 전기분해를 진행한다. 전해질로는 주로 불화물 계열 또는 염화물 계열의 용융염이 사용되며, 일반적으로 불화물계는 염화물계보다 흡습성이 낮고 전류 효율과 전해질 안정성 측면에서 유리한 것으로 평가된다. 다만 이러한 특성은 전해질 조성, 온도, 전극 조건에 따라 달라질 수 있어, 단일한 표준 공정으로 일반화하는 것은 적절하지 않다.
용융염 전해법은 가장 먼저 폐자석 분말을 1,000℃의 대기 중에서 3시간 동안 가열하는 산화 과정을 거쳐, 자석을 산화철(Fe2O3)과 산화네오디뮴철(NdFeO3) 등이 포함된 물질로 만든다. 한 보고 사례에서는 이 산화된 자석을 1,150~1,200℃의 고온 진공 유도로에서 녹여 철 성분을 제거하는 탄소열 환원 단계를 진행하면, 철이 대부분인 금속 부분과 희토류 산화물이 풍부한 슬래그로 분리된다고 보고되었다. 이렇게 분리된 희토류 산화물 슬래그는 용융염 전해 공정을 통해 금속으로 환원될 수 있다. 희토류 원소는 수용액계에서 매우 환원되기 어렵기 때문에 고온에서 액체 상태로 존재하는 용융염을 전해질로 사용해야 한다. 이때 전해질로는 주로 불화물 계열의 염이 사용된다. 염화물계열은 녹는점이 낮아 경제적이나 흡습성이 강하고 전해 과정에서 전류 효율을 저하시킬 수 있는 반면, 불화물 계열은 흡습성이 낮고 산화물을 직접 원료로 사용할 수 있으며 전류 효율 측면에서 유리한 것으로 알려져 있어 산업적으로 선호되어 왔다. 다만 이러한 수치와 조건은 공정 설계에 따라 달라질 수 있다. 한 사례에서는 슬래그를 분말로 만든 뒤 특정 염(NdF3-PrF3-LiF)과 섞어 1,110℃에서 전기 분해하는 용융염 전해를 통해 최종적으로 순수한 희토류 합금을 추출한다[34].
3.1.2. 금속열 환원법
금속열 환원법은 산화물이나 불화물 등 화합물 상태로 존재하는 희토류를, 산소나 할로겐 원소와의 화학적 친화력이 희토류보다 더 강력한 금속(환원제)과 고온에서 반응시켜 순수한 희토류 금속을 분리해 내는 기술이다. 이 공정은 희토류 화합물의 높은 안정성을 극복하기 위한 열역학적 원리에 기반한다. 희토류 산화물은 표준 생성 자유 에너지가 매우 낮아 화학적으로 극히 안정하기 때문에, 일반적인 환원제로는 금속으로 환원시키기 어렵다. 따라서 칼슘(Ca), 리튬(Li)과 같이 희토류보다 더 낮은 생성 자유 에너지를 가지며 반응성이 뛰어난 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 환원제로 사용해야만 자발적인 환원 반응을 유도할 수 있다. 공정은 일반적으로 희토류 산화물을 직접 환원하기보다, 반응 효율을 높이기 위해 불화물(REF3)이나 염화물(RECl3)과 같은 할로겐 화합물로 우선 변환시킨 후 환원 공정을 수행하는 2단계 접근법을 취한다. 이때 전구체로 사용되는 희토류 할로겐 화합물의 수분 제거와 정제 과정은 최종 금속의 순도를 결정짓는 핵심적인 전처리 단계이다. 준비된 희토류 불화물은 고온 반응기 내에서 환원제와 반응하게 되는데, 가장 대표적인 환원제인 칼슘(Ca)을 이용한 네오디뮴(Nd)의 환원 메커니즘은 다음 반응식과 같다.
이 반응은 900℃에서 표준자유에너지 변화(△G˚)가 약 -160 kJ/mol로 음의 값을 가지며, 반응이 열역학적으로 진행되기 위해 900℃의 고온 환경이 필수적으로 요구된다. 반응 결과물로는 액체 상태의 순수한 네오디뮴 금속과 부산물인 플루오린화 칼슘(CaF2) 슬래그가 생성된다. 이때 두 물질은 서로 섞이지 않는 비혼화성을 가지며, 밀도 차이에 의해 금속은 하부로 가라앉고 슬래그는 상부로 떠오르게 되어 물리적인 층 분리가 가능해진다. 금속열 환원법은 이러한 원리를 통해 네오디뮴뿐만 아니라 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb), 가돌리늄(Gd) 등 고융점 희토류 금속을 고순도로 제조하는 데 탁월한 성능을 발휘한다[35].
본 건식제련 공정은 희토류 합금을 효과적으로 회수할 수 있는 가능성을 제시하지만, 산업적 규모로 적용하기 위해서는 다음과 같은 경제적 및 환경적 한계에 대한 고찰이 요구된다. 첫째, 에너지 효율성 및 경제성 문제이다. 공정의 모든 핵심 단계가 1,000℃를 초과하는 고온에서 진행되므로, 반응 온도를 유지하기 위한 막대한 에너지 투입이 불가피하다. 이는 높은 운용 비용으로 직결되어 재활용 공정의 전반적인 경제성을 저해하는 주요 요인으로 작용한다. 또한, 고온 환경을 구현하기 위한 특수 설비는 높은 초기 투자 비용을 요구하여 상업화의 장벽이 될 수 있다. 둘째, 환경적 부담이다. 탄소열 환원 단계에서 환원제로 사용되는 탄소는 철 산화물과 반응하여 필연적으로 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)와 같은 온실가스를 배출한다. 이는 공정의 화학반응 원리에 내재된 문제로, 재활용의 친환경적 취지와 상충할 수 있다. 더불어, 용융염 전해 공정 이후 발생하는 불순물이 축적된 폐용융염은 별도의 처리가 요구되는 2차 화학 폐기물로써 추가적인 환경적 과제를 남긴다.
3.2. 습식 회수 기술
습식회수는 희토류 함유 원료를 수용액 또는 유기 용매와 반응시켜 금속 이온을 용출한 뒤, 분리･정제･침전 과정을 거쳐 희토류 화합물을 회수하는 공정이다. 이 회수법은 건식회수에 비해 낮은 온도에서 운전되며, 침출 후 용매 추출, 이온교환, 침전, 소성 등의 단계를 통해 희토류를 분리･정제하는 체계를 갖춘다. 희토류 금속 자체를 얻기 위해서는 이후 별도의 환원 공정이 추가로 필요한 경우가 일반적이다[36]. 전자폐기물 내 희토류 원소들은 대체로 합금, 산화물, 인광체 화합물 형태로 존재한다. 습식회수 공정에서는 이들을 먼저 산 침출을 통해 용액상으로 이동시킨다. 이후 용매 추출이나 이온 교환법을 사용해 서로 성질이 유사한 희토류 원소들을 선택적으로 분리, 정제하게 된다[37].
3.2.1. 산 침출법
희토류 광석(주로 탄산염 광석이나 인산염 광석)이나 재활용 원료에서 희토류를 추출하기 위해 산침출을 사용한다. 희토류 광석의 산침출은 주로 황산(H2SO4) 또는 염산(HCl)을 사용한다. 모나자이트와 같은 인산염 광석은 황산으로 침출할 때 효과적이다. 고온, 고농도 황산을 사용하여 광석을 처리하면, 희토류 원소는 황산(RE2(SO4)3)형태로 녹아 나오며, 용해도가 높고 반응 속도가 빠른 장점이 있으나 산 소비량이 많다는 단점이 있다[38].
바스트나사이트와 같은 불화탄산염 광석은 염산으로 침출하는 것이 일반적이며, 희토류와 같은 난용해성 금속의 침출에 효과적이다. 침출 과정을 거치면 희토류 원소는 염화물(RECl3) 형태로 용액에 녹아 나오나, 공정 중 염소계 부식 문제가 발생할 수 있다는 단점이 있다[39].
이 단계에서 얻어지는 것은 희토류가 황산염 또는 염화물 형태로 녹아 있는 용액이며, 순수한 희토류 금속을 얻기 위해서는 이후 용매 추출, 이온교환, 침전, 환원 등의 후속 공정이 필요하다.
3.2.2. 용매 추출법
용매 추출은 전자폐기물로부터 희토류 원소를 선택적으로 회수하기 위해 널리 적용되는 습식제련 기술의 일종이다. 이 과정은 수용액에 녹아 있는 희토류 이온을 친유성 추출제와 결합시켜 유기상으로 이동시킨 뒤, 역추출 과정을 통해 다시 수상으로 회수하는 방식이다. 즉, 서로 섞이지 않는 수상과 유상 간의 분배 차이를 활용하여 희토류를 분리 및 정제하는 원리이다.
용매 추출의 전체 공정은 크게 세 단계로 설명할 수 있다. 첫째는 추출 단계로, 특정 추출제 분자가 희토류 금속 이온과 선택적으로 결합하여 안정적인 착화합물을 형성하고, 극성이 낮아진 복합체가 유기상으로 분배된다. 둘째는 역추출(탈거) 단계로, 유기상에 존재하는 희토류를 강산 용액 또는 다른 리간드 용액과 접촉시켜 추출제와 희토류를 분리하고 수상으로 회수한다. 셋째는 정제 단계로, 침전, 전기분해 등의 공정을 통해 고체 금속 형태로 최종 정제할 수 있다.
용매 추출은 장치 및 공정 방식에 따라 여러 유형으로 나눌 수 있다. 가장 널리 사용되는 방식인 Mixer-Settler 공정은 대량 처리와 단계적 확장이 용이해 산업적으로 보편적이다. Centrifugal extractor는 원심력을 이용하여 짧은 공정 시간과 높은 효율을 보장하지만 설비 비용이 크다는 단점이 있다. 또한 Spray column과 Pulse column 방식은 단순하고 비용이 낮지만, 역혼합 문제나 맥동 조건에 따른 제약이 있다. 최근에는 Rotating disk contactor(RDC)와 이를 개선한 Perforated rotating disk contactor(PRDC) 같은 방식도 연구되고 있으며, 에멀전 플로우 공법과 같이 유기상･수상의 접촉 면적을 극대화하여 효율을 높이고 유기용매 사용을 줄이는 친환경적 접근도 연구 중에 있다.
용매 추출은 희토류 원소별 선택적 분리와 고순도 화합물 생산이 가능한 핵심 분리 기술이다. 그러나 원소 간 화학적 유사성이 매우 크기 때문에, 산업 공정에서는 원하는 순도에 도달하기 위해 수십 단계에서 많게는 수백 단계의 연속 추출 공정이 요구될 수 있어 공정 복잡성과 비용 부담이 크다. 또한 강산이나 유기용매의 대량 사용으로 인한 폐용매 처리와 같은 환경오염 문제가 발생한다.
현재의 한계를 극복하기 위해 친환경적인 고효율 추출제 개발이 진행되고 있다. 가장 대표적인 것은 이온성 액체, DES, 생체 유래 리간드 등이 있다. 또한 에멀전 플로우 공정이나 막-추출 융합공정과 같이 용매 사용량을 줄이고 추출제 유출을 방지하는 기술도 연구되고 있다. 더 나아가 전기화학적 보조 추출을 통해 선택성을 개선하거나 AI를 활용하는 스마트화 전략도 추진 중이다. 결론적으로, 전자폐기물 기반 희토류 회수에서 용매 추출은 핵심적 기술이지만, 친환경성과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 개선이 필요한 실정이다.
3.4. 친환경 대안 기술
3.4.1. 바이오리칭
바이오리칭이란, 전자폐기물 기반 물질에서 금속을 침출할 수 있는 미생물의 대사산물을 이용하여 유기금속을 회수하는 습식제련법의 일종이다. 이는 미생물이 분비하는 유기산과 리간드가 금속 융해를 유도하는 방식이 활용된다.
바이오리칭에 사용되는 미생물의 종류에 따라 침출되는 희토류 원소의 조성이나 효율이 달라진다. 또한 희토류 회수 과정에서 미생물의 특성에 따라 특정 원소의 선택적 용출이 가능하다. 바이오리칭에 사용되는 미생물은 주로 산성 세균과 유기산 생성 곰팡이로 구분된다. 먼저 산성 세균은 Fe2+와 황을 산화시켜 에너지를 얻고, 부산물로 황산과 Fe3+를 생성한다. 이때 생성된 황산은 용액의 pH를 낮춰 금속 용출을 돕고, Fe3+는 강력한 화학적 용출제로 작용하여 희토류를 포함한 금속을 용해시킨다. 이 방법은 전자폐기물에 포함된 황화물 형태의 금속을 추출하는 데 효과적이며, 황화물이 없는 경우 황 또는 황철광을 첨가하여 세균의 대사 활동을 유도해야 한다. 따라서 직접적으로 희토류를 추출하기보다는 강산성 환경을 만들어주는 세균에 의한 간접적인 방법에 해당된다[40].
이와 반대로 미생물의 대사산물로 인해 추출해내는 유기산 생성 곰팡이는 pH를 낮추거나 황을 추가할 필요가 없다. 이는 포도당과 같은 유기 탄소원을 먹고 자라면서 구연산, 옥살산 등의 유기산을 만들어 낸다. 이 유기산은 전자폐기물에 포함된 희토류와 복합체를 형성하여 희토류를 용액 속으로 녹여낸다. 유기산 생성 곰팡이를 이용한 바이오리칭은 희토류를 침출할 때 광범위한 환경 조건에서 유용하며, 특히 황화 광물이 아닌 자원에서 금속을 추출하는 데 강점을 가진다. 또한, 산성 세균 방식에 비해 공정이 비교적 온화하고, 부산물로 인한 환경오염 가능성이 적다는 장점이 있다.
바이오리칭에 적용되는 미생물에 의한 두 가지 메커니즘을 다음과 같이 설명할 수 있다. 복합체 촉진 용해는 미생물이 생성하는 구연산과 옥살산 등과 같은 유기산으로 금속이온과 복합체를 형성한다. 이는 금속 이온이 용액 내에서 안정하게 존재할 수 있도록 하여 침전을 방지하고, 용해된 금속을 지속적으로 유지시킨다. 특히 이 반응은 다자리 리간드를 통한 킬레이트 효과로 침출 효율을 높일 수 있고, 거대고리 효과로 특정 희토류를 선택적으로 회수할 수 있게 한다. 양성자 촉진 용해는 미생물의 대사 과정에서 생산된 유기산이 용액의 pH를 낮추어 결합 구조를 직접적으로 약화시켜 금속 이온을 방출한다. 즉, 산이 고체 표면 결합을 끊어내어 금속을 용해시키는 원리이다[40].
이 두 과정은 독립적으로 작동할 수 있지만, 실제 바이오리칭에서 복합분해(Complexolysis)와 산분해(Acidolysis)가 동시에 작용할 때 금속 회수율이 극대화된다. 산분해(Acidolysis)는 금속이 고체에서 이탈하도록 도와주고, 복합분해(Complexolysis)는 이때 방출된 금속 이온을 빠르게 리간드와 결합시켜 용액 내에 안정적으로 존재하도록 한다. 이 이중 메커니즘은 일반적인 산용액 추출법에 비해 저온환경에서 작동이 가능하며 에너지 소비가 적다는 장점이 있다. 그러나 바이오리칭은 낮은 운전 온도와 상대적으로 낮은 유해 시약 사용 측면에서 유망하지만, 느린 반응 속도, 공정 민감성, 규모 확대의 어려움 때문에 화학적 침출의 보편적 대안으로 일반화하기는 이르다.
바이오리칭으로 희토류를 회수하는 방법으로 크게 접촉식과 비접촉식으로 구분한다. 접촉식 바이오리칭은 다시 원스텝과 투스텝 방법으로 나뉜다. 원스텝 방식은 미생물 배양액과 희토류 함유 물질을 동시에 반응기에 투입하여 같은 배지에서 배양하면서 침출한다. 반면, 투스텝 방식은 미생물을 먼저 최적 조건에서 선배양한 후 희토류 함유 물질을 첨가하는 방법으로, 미생물이 활성화된 상태에서 침출제를 생산하도록 하여 희토류 용출 효율을 높인다. 접촉식 바이오리칭은 미생물은 전자폐기물 기반 물질 표면에 부착하여 생체 산화제를 직접 생산함으로써 질량 전달의 한계를 줄이고, 미생물이 기반 물질에서 용출된 인산염을 소비함으로써 용해된 희토류가 다시 침전되는 것을 억제할 수 있다. 그러나 이 방식은 전자폐기물 내에 존재하는 독성화합물이 미생물의 성장과 대사 활동을 저해하여 침출 효율을 떨어뜨릴 수 있다는 점에서 한계를 지닌다[40].
비접촉식 바이오리칭은 희토류가 포함되지 않은 상태에서 미생물을 배양하여 최대량의 침출제를 생산한 뒤 세포를 제거한 배양액을 희토류 함유 물질과 접촉시켜 금속을 용출하는 방법이다. 미생물과 금속이 직접 접촉하지 않기 때문에 물질의 독성에 관계없이 침출이 가능하며, 침출제 생산 단계와 용출 단계를 분리하여 각각 최적화할 수 있다는 장점이 있다. 특히 원스텝 방식에서 흔히 나타나는 미생물 성장 지연 문제를 회피할 수 있어 리칭 시간을 단축하는 데 유리하다. 접촉식과 비접촉식 방식은 각각 장단점이 있으며, 적용 원료와 미생물 시스템에 따라 유불리가 달라지므로 어느 한 방식이 보편적으로 더 낫다고 단정하기는 어렵다.
향후 연구에서는 접촉식 바이오리칭이 가지는 표면 흡착 및 질량 전달 개선과, 비접촉식 바이오리칭이 제공하는 미생물 성장 지연 문제 회피의 장점을 동시에 활용할 수 있는 융합적 개발이 요구될 것으로 예상된다.
3.4.2. 이온성 액체
이온성 액체(Ionic Liquid, IL)는 100℃ 이하에서 액체로 존재하는 이온성 염[41]으로, 구성 이온의 종류와 조합을 조절함으로써 물리화학적 특성을 자유자재로 설계할 수 있다는 특징을 갖는다. 이는 ILs가 맞춤형 용매로 불리는 이유이며, 특히 희토류 원소의 선택적 회수에 최적화된 용매로 활용될 수 있다. 또한 앞서 언급한 특성 외에도 증기압이 10-5 Pa 이하로 매우 낮아 휘발성이 없으며 비가연성이며, 100-200℃ 범위에서도 액체상으로 안정하게 존재한다. 이온 전도도는 10-3 S·cm-1 이상으로 높으며 유·무기 화합물의 용해도는 1 mol·L-1 이상에 이르기 때문에 다양한 물질을 효과적으로 용해할 수 있다는 특성을 가진다.
이온성 액체는 앞서 언급한 듯이 종류와 조합을 조절하여 특정 희토류 이온에 대한 선택적 회수에 최적화된 용매로 활용될 수 있다. 실제로 천연 아미노산 유래 화합물인 베타인(betaine)이 양성자화된 양이온(Hbet+)과 불소계 음이온인 bis(trifluoromethylsulfonyl)imide(Tf2N-)로 구성된 기능성 이온성 액체 [Hbet][Tf2N] 과 물(H2O)로 이루어진 2상 시스템을 사용한 폐형광등 회수에서는 5wt%의 물 함량, 90℃ 조건에서 24시간 이내에 Y2O3:Eu3+를 99%까지 용해하였다. 또한 ILs는 가연성이 낮으며 증기압이 무시할 수 있기 때문에 대기오염 위험이 낮고 용매 재사용이 가능하다는 장점이 있다. 다만 이온성 액체는 독성, 수상 손실, 비용, 공정 규모 확대 문제를 함께 고려해야 하며, REE 회수 분야는 여전히 대체로 실험실 단계에 머무는 사례가 많다.
이온성 액체를 활용한 희토류 추출 방법은 크게 비기능성 이온성 액체와 기능성 이온성 액체로 구분된다. 비기능성 이온성 액체는 기존 추출제와 함께 사용하여 금속을 분리하는 방식으로, 주로 양이온 교환 메커니즘, 음이온 교환 메커니즘, 또는 중성 메커니즘을 통해 작동한다.
양이온 교환 메커니즘에서는 희토류 이온이 IL의 양이온과 직접 교환되어 유기상으로 추출되며 양이온의 수상 손실이 발생한다. 양이온 교환 메커니즘의 일반적인 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있다[42].
음이온 교환 메커니즘에서는 희토류가 음이온성 착물을 형성하여 IL상으로 추출되고 IL 음이온의 수상 이동이 일어난다. Jensen’s group이 실험한 방정식을 소개하자면 다음과 같다[42].
중성 메커니즘은 IL 성분의 손실 없이 프로톤 교환을 통해 희토류를 추출하여 가장 효율적이고 경제적인 방식으로 평가된다. N,N-dioctyldiglycolamic acid(DODGAA, HL)를 사용한 Eu3+ 및 Y3+와 같은 REE3+ 이온의 추출 방정식은 다음과 같다[42].
추출 방식에 따라 비기능성 이온성 액체는 기존 추출제인 Carbamoylmethylphosphine Oxide(CMPO), Di-(2-ethylhexyl) phosphoric acid(DEHPA) 등과 함께 사용하여 주로 용매 역할을 한다. 기능성 이온성 액체는 금속과 특이적인 결합을 할 수 있는 관능기를 이온 구조에 도입하여 용매와 추출제의 역할을 동시에 수행하는 방식이며 단일 기능성과 이기능성으로 나뉜다. 단일 기능성 IL으로 CMPO 관능기를 포함한 이온성 액체, DEHPA 기반 이온성 액체, 카복실기를 포함한 betainium 기반 이온성 액체 등이 있다. 이기능성 이온성 액체는 quaternary ammonium 또는 phosphonium 양이온과 인산기 또는 카복실기를 포함한 음이온으로 구성된다. 이러한 시스템에서는 양이온과 음이온이 모두 추출 과정에 참여하여 내부 시너지 효과가 발생하며 trioctylmethylammonium chloride(Aliquat 336, [(C8H17)3(CH3)N]Cl)와 2-ethylhexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester(PC-88A, C16H35O3P)로 구성된 이기능성 이온성 액체 [A336][P507]의 분배비는 전구체보다 최대 70배 이상 높게 나타나는 등 높은 추출 효율을 보인다. 이와 같이 이온성 액체 기술은 선택적 회수 가능성, 친환경성, 그리고 높은 효율을 바탕으로 희토류 등 금속 자원의 지속 가능한 회수에 적합한 혁신적 용매 기술로 자리 잡고 있다. 다만 경제성 확보와 대규모 공정 최적화를 위한 연구는 지속적으로 필요한 상황이다.
3.4.3. Deep Eutectic Solvent (DES)
DES는 준이온성 친환경 용매로 수소결합 공여체(Hydrogen Bond Donor, HBD)와 수소결합 수용체(Hydrogen Bond Acceptor, HBA)를 섞어 강한 수소결합을 만들고 이를 이용해 낮은 융점을 이끌어 낸다. 예를 들어 콜린 클로라이드와 요소를 섞으면 녹는점이 302℃에서 12℃로 감소한다. 이는 성분 간 수소결합이 결정을 흐트러뜨려 안정한 고체 격자를 형성하지 못하게 하기 때문이다. 그 결과 낮은 독성과 높은 생분해성을 가지고 환경부담을 낮춘다. 또 원하는 금속에 맞게 성질을 조절하기가 쉽고 금속 산화물 구조를 무너뜨려 금속 용출을 돕는 환원제 역할도 하며 재사용이 가능하여 친환경적이다.
이러한 DES 중 가장 많이 쓰는 3가지는 ChCl 기반 DES, 금속염 기반 DES, 자연 유래 NADES이다. ChCl 기반 DES는 Choline chloride + HBD로 친환경, 저독성, 생분해성을 가진다는 특징이 있다. 이러한 이유로 희토류나 귀금속 등에 많이 사용된다. 금속염 기반 DES는 ZnCl2, FeCl3 기반 액체로 금속 산화물 구조 붕괴 효과가 크다. 자연 유래 NADES는 HBD로 유기산, 당류, 아미노산을 사용하며 생체적합성이 높다는 특징이 있다. DES는 단순히 금속을 용해시키는 용매 역할을 넘어, 금속 산화물의 구조를 실제로 변화시키는 다양한 작용 메커니즘을 가진다. 먼저, DES는 구성 성분 간의 수소결합과 전자 이동에 의해 금속 산화물 표면을 부분적으로 환원시켜 단단한 산화물 격자를 약화시키고, 금속 이온이 떨어져 나오기 쉬운 환경을 조성한다. 동시에 DES를 구성하는 HBD 분자는 금속 이온과 안정적인 착화합물을 직접 형성하여, 금속을 고체 표면에서 용액으로 끌어내리는 역할을 한다. 또한 DES는 자체적으로 산･염기 특성이 조절된 준이온성 용매이기 때문에, 금속 산화물의 표면 산-염기 반응성을 변화시켜 특정 금속만 선택적으로 용해시키는 데 유리하다. DES는 점성이 높은 편이라 초기 용출 속도는 다소 느릴 수 있으나, 온도가 상승하면 점성이 급격히 낮아지면서 확산·용해 속도가 크게 증가하여 전체 침출 효율이 향상되는 특징이 있다. 이러한 복합적인 작용으로 DES는 특정 조건에서 선택성 향상 가능성을 보이지만, 실제 성능은 대상 원료와 조성에 따라 달라질 수 있어 점도와 반응 속도, 후단 분리 공정 최적화가 함께 필요하다. 이에 따라 DES는 조건부 장점이 있는 희토류 침출을 가능하게 한다.
이러한 DES는 주로 액체로 금속을 추출하는 습식야금 공정에 사용되는데 크게 침출, 침전, 전기증착, 용매추출 이렇게 4가지 단계로 나눌 수 있다. 침출 단계에서는 특정 금속만 녹이는 DES의 특성을 이용해 기존 강산보다 선택적으로 용해시킬 수 있으며 이 용매는 재사용이 가능하다. 침전 단계에서는 용해된 금속을 불용성 물질로 만들어 회수시킨다. 즉, 용액 속의 금속을 걸러내는 과정이다. 다음으로 전기증착 단계에서 전기를 걸어 금속을 표면에 붙여서 회수한다.
이러한 DES의 활용은 고순도의 희토류를 회수하고 기존의 산 사용 공정에 비해 적은 환경부담과 높은 선택도를 가질 수 있다는 장점이 있다. 그러나 점성이 높아 교반·질량전달이 느리고 가격은 저렴하지만 산보다 반응 속도가 느리다는 단점 또한 가진다.
3.4.4. 기타 친환경 침출 기술
바이오리칭, 이온성 액체, DES 외에도 시안화물 등 강독성 침출제를 대체할 수 있는 침출 시스템으로 요오드-요오드화물(Iodide-Iodine) 계열과 티오요소(Thiourea) 기반 침출법이 전자폐기물 금속 회수 분야에서 주목받고 있다.
요오드-요오드화물(I-/I2) 침출법은 중성 또는 약산성 조건에서 작동하며, 비시안계 친환경 침출제로 평가된다. 요오드(I2)가 산화제로, 요오드화물 이온(I-)이 착화제로 동시에 작용하여 금속 이온을 안정적인 착이온 형태로 용액 내에 유지시키며, 비독성･비부식성이고 귀금속에 대한 높은 선택성과 빠른 반응 속도를 갖는 것으로 보고된다. 그러나 희토류 원소에 대한 직접 적용 사례는 아직 매우 제한적이며, 주로 전자폐기물 내 금(Au), 은(Ag) 등 귀금속 회수에 적용되어 왔다. 또한 요오드의 높은 단가와 공정 중 소비량이 많다는 점이 상용화의 주요 장벽으로 지적된다[43].
티오요소(Thiourea, CS(NH2)2) 침출법은 약산성(pH 1~3) 조건에서 산화제(Fe3+ 등)와 함께 사용하는 침출 시스템으로, 시안화물 대비 상대적으로 낮은 급성 독성을 갖는다. 전자폐기물 내 귀금속 회수에 주로 적용되어 왔으나, 전자폐기물과 같이 복합 금속이 혼재된 원료에서 선택적 분리 가능성이 검토되고 있다. 다만 티오요소는 산화 조건에서 분해되기 쉬워 시약 소비량이 많고 공정 안정성 유지가 어려우며, 장기적 환경 영향과 규제 프레임워크 측면에서 여전히 과제가 남아있어 친환경 대안으로의 평가는 신중히 이루어져야 한다[44].
두 기술 모두 전자폐기물 희토류 직접 회수를 위한 상용화 수준에는 이르지 못하였으나, 기존 강산·시안화물 기반 공정의 대안적 침출 시스템으로서 향후 연구 확대가 기대된다.
4. 주요 기술의 전과정 평가 비교
전자폐기물 기반 희토류 회수 기술의 환경적 우열을 객관적으로 비교하기 위해, 본 장에서는 전과정 평가(Life Cycle Assessment, LCA) 방법론을 활용한 선행 연구들을 종합 분석한다. 3장에서 검토한 건식･습식･차세대 친환경 회수 기술들은 각각의 기술적 특성에 따라 서로 다른 환경 부하를 수반하며, LCA는 이를 정량적으로 비교하는 데 적합한 방법론이다. 주요 연구의 개요와 핵심 결과는 Table 4에 정리하였다.
4.1. LCA 연구 현황 및 방법론적 한계
전자폐기물로부터 희토류를 직접 회수하는 공정에 대한 LCA 연구는 여전히 제한적이며, 이온성 액체･DES 등 일부 차세대 기술은 아직 실험실 단계에 머무르고 있어 신뢰할 수 있는 산업 규모의 LCA 데이터가 존재하지 않는다. 또한 기존 연구들은 원료 종류, 시스템 경계, 기능 단위, 환경영향 평가 모델이 서로 달라 연구 간 수치의 직접 비교가 어렵다. 이러한 방법론적 한계를 이해하는 것이 이하의 비교 결과를 올바르게 해석하는 데 필수적이다.
Zhen Li et al. (2019)[46]은 전자폐기물 투입부터 금속 회수까지를 포함하는 grave-to-gate 방식을 채택하였으며, 기준 기능 단위는 1kg 금(Au) 회수로 설정하였다. 본 연구에서 참조하는 건식･습식 공정의 희토류 관련 수치는 경제적 할당을 적용하여 1 kg REE 회수 기준으로 환산한 Scenario 1 결과이다. 해당 연구는 귀금속을 주된 회수 대상으로 설계된 공정을 평가한 것으로, 희토류는 부산물로 회수되는 구조임을 유의해야 한다.
Thompson et al. (2018)[45]은 폐촉매가 투입되는 시점부터 희토류 추출액이 생산되는 시점까지의 Gate-to-Gate 방식을 채택하였다. 전자폐기물은 폐FCC 촉매보다 성상이 훨씬 복잡하고 비균일하므로, 이 연구의 바이오리칭 결과를 전자폐기물에 직접 적용할 때는 수거･해체･파쇄 등 전처리 단계의 환경 부하가 별도로 고려되어야 한다는 한계가 있다.
Ippolito et al. (2022), van Nielen et al. (2024), Alipanah et al. (2024), Sharifian et al. (2025) 등 최신 연구들은 특정 공정 흐름을 모델링하여 TEA와 LCA를 동시에 수행하거나, 파일럿 실험 데이터와 기술 전망치를 결합한 ex-ante LCA 방식을 채택하고 있다. 이는 기술의 상용화 가능성과 환경성을 함께 평가할 수 있다는 점에서 방법론적으로 진일보한 접근이나, 연구마다 시스템 경계와 가정이 상이하므로 결과의 직접 비교에는 주의가 필요하다.
4.2. 기술 유형별 환경 영향 비교
선행 LCA 연구들을 종합하면, 전자폐기물 기반 희토류 회수 기술의 환경성은 기술 유형에 따라 뚜렷하게 구분되는 경향을 보인다(Table 4).
건식 공정은 경제적 할당 기준 1kg REE 회수당 온실가스 배출량이 약 70.9kg CO2로 습식 공정(26.3 kg CO2) 대비 약 2.7배 높아 온실가스 측면에서 가장 불리하다. 지구 온난화 범주에서는 천연가스 연소가, 기타 범주에서는 구리 스크랩 투입이 주요 기여 인자로 분석되었다[46]. 반면 화학 시약을 사용하지 않아 산성화 영향(0.056kg SO2/kg REE)은 습식 공정 대비 낮다.
습식 공정은 에너지 소비 면에서 건식보다 유리하나, 강산 및 산화제의 대량 사용으로 인해 산성화 영향이 0.247kg SO2/kg REE로 건식 공정 대비 약 4.4배 높다. 과산화수소(H2O2)가 거의 모든 환경 범주에서 지배적인 기여 인자이며, 황산(H2SO4)은 산성화 및 호흡기 영향 범주에 추가적으로 기여한다. 폐형광등을 원료로 한 Liu & Keoleian (2020)은 습식 REE 회수 공정의 온실가스 배출량이 약 74kg CO2/kg REE에 달하며, 에너지 믹스와 시스템 경계에 따라 1차 생산보다 높은 환경 부하가 발생할 수 있음을 보고하였다[47]. 반면 Ippolito et al. (2022)는 동일 원료에서 2차 REO 생산이 1차 생산 대비 환경적으로 유리한 결과를 보고하여[48], 공정 설계와 시스템 경계 설정이 LCA 결론에 결정적 영향을 미침을 보여준다.
두 공정을 종합하면, 건식과 습식 공정은 환경 영향 범주에 따라 뚜렷한 상충 관계를 보이며 어느 한 공정이 전반적으로 우월하다고 단정하기 어렵다. 같은 연구에서 함께 비교된 전기화학적 회수 공정은 귀금속 회수 기준으로 TRACI 및 ILCD 거의 모든 범주에서 두 공정보다 낮은 환경 부하를 보였으나, HCl이 대부분의 환경 영향 범주에서 지배적인 기여 인자로 나타나 특히 오존 고갈 범주에서 전체 부하의 약 90%를 차지하여, 시약 저감을 위한 추가 최적화가 요구된다.
친환경 대안 기술들은 전반적으로 기존 공정 대비 개선된 환경 성과를 보인다(Table 4). 바이오리칭은 폐FCC 촉매를 원료로 한 연구에서 화학적 침출 대비 온실가스 3.8배, 스모그 4.5배, 산성화 2.9배 낮은 환경 영향을 나타내었으며, 전력 생산과 포도당 생산이 바이오리칭 공정의 주요 환경 부하 기여 인자로 분석되었다[45]. 무산 용해 공정은 1차 REO 생산 대비 최대 73%의 온실가스 저감과 경제적 타당성을 동시에 확인하였으며[49], 수열 공정은 비교 대상 전처리 방식 중 가장 낮은 온실가스 배출량(8.8kg CO2/kg REE 염)과 가장 높은 투자수익률(187.1%)을 달성하는 것으로 나타났다[53].
에너지 전환 관련 신규 전자폐기물 원료로서 EV 구동모터·풍력발전기 등에 탑재된 NdFeB 자석은 향후 급증할 REE 함유 폐기물의 핵심 원료로 주목받고 있다. van Nielen et al. (2024)의 ex-ante LCA에 따르면, 파일럿 규모에서도 재활용 NdFeB 분말이 1차 생산 대비 거의 모든 환경 영향 범주에서 낮은 부하를 나타내며, 대규모화 및 기술 최적화가 실현될 경우 대부분의 환경 영향 범주에서 1차 생산 대비 80% 이상의 저감이 가능한 것으로 전망되었다[52]. 이는 에너지 전환 과정에서 발생하는 신규 전자폐기물 원료의 환경적 재활용 가능성을 정량적으로 뒷받침하는 중요한 결과이다. 다만 수소분해 공정은 연구에 따라 1차 생산 대비 전 범주에서 낮은 부하를 보고한 사례와[52], 높은 전력 소비로 인해 가장 불리한 것으로 평가한 사례가 공존하여, 에너지 믹스에 따라 상반된 결과가 도출될 수 있음을 보여준다.
한편 현재 결정질 실리콘 기반 태양광패널에는 REE 함량이 매우 낮아 REE 회수를 목적으로 한 전용 LCA 연구가 부재한 상황이며, 리튬이온 배터리 역시 일부 음극재에 희토류가 포함되어 있으나 REE 회수에 특화된 LCA 연구는 아직 초기 단계이다. 이는 향후 전자폐기물 기반 REE LCA 연구가 확장되어야 할 중요한 공백으로 지적된다.
4.3. 종합 및 향후 연구 방향
선행 LCA 연구들을 종합하면, 전자폐기물 기반 희토류 회수 공정의 친환경성은 기술 선택만큼이나 원료 전처리 방식, 에너지 공급 구조, 시스템 경계 설정에 따라 크게 좌우됨을 알 수 있다. 건식과 습식 공정은 환경 범주에 따라 서로 다른 상충 관계를 보이는 반면, 바이오리칭･무산 용해･수열 공정 등 친환경 대안 기술들은 온실가스와 산성화 부하 모두에서 개선된 성과를 나타내며 차세대 유망 기술로 부상하고 있다. EV 모터･풍력발전기 폐자석 등 에너지 전환 관련 신규 원료를 대상으로 한 연구에서도 재활용 공정의 환경적 우위가 확인되고 있어, 향후 이 분야의 LCA 연구 확대가 기대된다.
현존하는 LCA 연구들의 상당수가 침출 단계에 국한된 Gate-to-Gate 또는 귀금속 회수를 주 목적으로 한 시스템 경계를 채택하고 있어, 희토류 회수를 직접 목적으로 하는 Cradle- to-Gate 또는 Cradle-to-Cradle 범위의 포괄적 연구가 절실히 요구된다. 특히 태양광패널･리튬이온 배터리 등 에너지 전환 핵심 제품의 폐기물 흐름에서 REE를 회수하는 공정에 대한 LCA 연구는 현재까지 매우 제한적으로 수행되었으며, 이는 향후 반드시 보완되어야 할 연구 공백으로 지적된다. 이와 같은 친환경성 평가 결과는 기술 개발 방향뿐 아니라 국가 차원의 희토류 자원 정책 수립과도 긴밀히 연결되며, 다음 장에서는 주요국의 희토류 정책 현황과 전략적 시사점을 분석한다.
5. 국가별 희토류 정책 분석
5.1. 미국
미국은 청정에너지 전환 과정에서 희토류를 포함한 핵심광물의 공급 불안정성을 국가적 위험요인으로 인식하고, 이를 완화하기 위한 전략을 체계적으로 구축해 왔다. 미국의 정책 기조는 공급망 취약성 평가를 기반으로 한 위험 관리, 국내 생산 확대, 동맹국 중심의 공급 다변화, 재활용과 대체기술 개발을 핵심 축으로 구성된다. 정부는 희토류와 관련 산업을 국가안보 및 첨단제조 경쟁력과 연계되는 전략 분야로 규정하고, 광물 공급망 전반을 규제･지원･투자정책으로 포괄하는 다층적 정책 틀을 마련하였다. 미국은 국내 생산 기반이 오랫동안 약화된 구조적 문제를 해결하기 위해, 탐사･채굴･정제 프로젝트에 대한 연방정부의 금융 지원과 인허가 절차 개선을 추진하고 있으며, 특히 공급망 병목으로 지적되는 정제·분리 공정의 국산화를 중점 과제로 설정하였다. 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)는 2024년부터 E-SCRAP Prize를 운영하여 전자폐기물로부터 회수된 핵심소재의 활용을 장려하고 있으며, 아울러 동맹국 중심의 국제 파트너십을 확대해 특정국 의존도를 줄이려는 전략을 강화하고 있다. 또한 미국은 장기적으로 자급도를 높이기 위한 기술 전략도 병행하고 있다. 재활용 기술 투자, 대체 소재 연구개발, 희토류 소비량을 줄이는 제조혁신 등은 공급망의 구조적 회복력을 높이기 위한 정책 수단으로 활용된다. 이 과정에서 미국 정부는 민간 부문과의 협력체계를 강화하여 산업 전반의 기술 경쟁력 확보를 추진하고 있으며, 이는 희토류 기반 산업의 미래 안정성 확보와 직결되는 조치로 평가된다. 종합하면 미국의 희토류 정책은 공급망 위험을 줄이기 위해 국내 생산–동맹국 협력–기술혁신을 축으로 한 다층적 접근을 취하며, 이러한 전략은 에너지전환 가속화와 제조업 경쟁력 유지를 위한 핵심적 자원안보 체계로 기능하고 있다[54].
5.2. 유럽연합
유럽연합은 재생에너지 확대, 기후중립 목표, 첨단 제조업 경쟁력 강화에 따라 희토류를 포함한 전략광물의 안정적 확보를 매우 중요한 정책 의제로 설정하고 있다. 특히 2030년까지 재생에너지･전기차･풍력 산업이 급격히 확대될 것으로 예상되면서, Nd, Dy, Tb 등 영구자석용 금속의 수요가 크게 증가할 것으로 전망되고 있다[55]. 이러한 상황에서 EU는 중국 중심의 공급망 구조가 산업 전체의 리스크 요인으로 작용한다고 판단하여, 채굴･정제･재활용･수입 다변화･전략적 비축 등 공급망 전 주기에 걸친 강력한 제도 개혁을 추진하고 있다. 우선 EU는 핵심원자재법(Critical Raw Materials Act, CRMA)을 통해 희토류를 포함한 전략광물 공급망 관리를 법제화하였다. 동 법은 2030년까지 연간 소비 기준 역내 채굴 10%, 가공 40%, 재활용 25%를 달성하고, 단일 제3국으로부터의 수입 의존도를 65% 이하로 낮추는 양적 목표를 제시하며, 전략 프로젝트에 대해서는 인허가 기간 단축과 단일 연락 창구 제도를 제공한다[56]. 또한 EU는 재활용 중심 순환경제 체계를 희토류 공급망 구축의 핵심 축으로 설정하고 있다. EU는 폐전기전자제품(Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE) 지침을 통해 회원국이 자국 내 전자폐기물 회수･분리･재활용을 법적으로 촉진하고 있다[57]. 그러나 EU의 희토류 전략은 여전히 몇 가지 구조적 제약을 안고 있다. 역내 광산 개발은 강도 높은 환경 규제와 주민 참여 절차로 인해 개발 속도가 매우 더디며, 정제･금속 제조 단계 또한 심각한 외부 의존성을 보인다. IEA(2026)에 따르면 전 세계 희토류 정제 생산의 약 91%가 중국에서 이루어지고 있으며, EU가 사용하는 마그네슘의 97%가 중국에서 공급되는 등 핵심 금속의 가공･정제 공정은 사실상 역외에서 수행되는 구조가 지속되고 있다[28]. 재활용 기술의 성숙도와 경제성도 향후 확대의 중요한 변수로 남아 있으며, 회원국 간 산업 기반 격차, 규제 복잡성, 공급망 투자 속도 차이 등도 정책 효과를 제약하는 요인으로 지적된다[56]. 또한 EU의 지속가능성 규제는 기업에게 높은 비용 부담을 발생시키고 있어, 단기적으로는 투자 유인을 약화시킬 가능성도 존재한다. 종합하면 EU의 전략은 강한 환경 기준과 순환경제를 중심에 두고 있지만, 정제･가공 단계의 구조적 외부 의존이 자립성·경제성의 핵심 제약으로 남아 있다.
5.3. 중국
중국은 희토류의 생산과 수출을 더욱 엄격히 통제하기 위해 여러 정책을 시행해 왔다. USGS(2025) 기준 2024년 중국의 희토류 광산 생산량은 약 2억 7,000만 kg으로 전 세계 채굴량의 약 69%를 차지하며[25], IEA(2026)에 따르면 정제 단계에서는 전 세계 생산량의 약 91%, 영구자석 제조 단계에서는 약 94%를 점유하는 등 공급망 전 주기에 걸쳐 독보적인 지배력을 유지하고 있다[28]. 중국은 희토류를 국가 전략의 핵심 요소로 간주하며 산업 전반에 대해 국가 주도의 통제 체계를 구축해 왔다. 희토류 공급이 국제 경쟁과 국가안보와 연계된 자원이라는 인식 아래, 중국은 생산･분리･정제･유통 과정 전반을 정부가 직접 조정하는 방식으로 산업 구조를 재편하였다. 이러한 접근은 희토류 산업을 단순한 자원 부문이 아니라 전략적 산업군으로 발전시키는 기반이 되었다. 정부는 난립하던 중소기업과 불법 채굴 문제를 해결하기 위해 국유기업 중심의 산업 통합을 추진하였다. 대표적인 국유기업들이 지역별 생산 기업을 흡수하면서 희토류 산업은 소수의 대형 그룹 중심 구조로 개편되었고, 이는 생산 질서 유지와 시장 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 하였다. 그러나 산업 규모 확대와 함께 환경 부담이 심화되면서, 중국 정부는 환경 규제를 산업정책의 또 다른 축으로 강화하기 시작하였다. 장기간 축적된 폐수·방사성 물질·토양 훼손 문제를 해결하기 위해 환경 기준이 크게 강화되었고, 기준을 충족하지 못하는 기업은 시장에서 자연스럽게 퇴출되었다. 중국은 또한 희토류를 전략적 교역 수단으로 활용하며 수출 흐름을 관리해 왔다. 2025년에는 중희토류 7개 원소 및 관련 자석류에 대한 수출 통제를 신규 도입하여 국제 공급망에 직접적인 영향을 미쳤다. 특정 품목에 대한 수출허가제 및 관세 조정은 국내 제조업의 부가가치 향상에 기여했으며, 동시에 국제 희토류 공급망의 조정력을 높였다. 종합적으로 볼 때, 중국의 희토류 정책은 생산관리･환경규제･기업 통합･수출제도를 단일한 정책 체계 안에서 결합해 산업 전 주기를 국가적으로 관리하는 특징을 가진다. 이러한 통합적 조정 구조는 중국이 국제 희토류 시장에서 지속적으로 영향력을 유지하는 핵심 배경으로 평가된다[58].
5.4. 일본
일본은 제조업 중심의 산업 구조에서 희토류를 포함한 희유금속의 안정적 확보가 국가 경쟁력과 직결된다고 판단하며, 이를 국가 차원의 자원안보 정책으로 관리해 왔다. 일본은 국내 자원 기반이 거의 없다는 구조적 한계 때문에 공급 리스크가 높아, 해외 의존도를 줄이는 방향으로 정책 체계를 발전시켜 왔다. 이러한 배경 속에서 일본 정부는 희토류를 포함한 중요 광종을 대상으로 위험도를 평가하고, 공급망의 취약 지점을 단계별로 진단하여 광종별 대응전략을 수립하는 체계를 구축하였다. 이 전략은 해외 광산 지분 확보, 비축제도 강화, 리사이클 정책 확대, 소재 절감형 제조기술 개발, 공급원 다변화와 같은 정책 도구들을 결합하는 방식으로 추진된다. 특히 일본은 국영 및 민간 투자기관을 통해 해외 상류 광산 개발 프로젝트에 참여하여 안정적 조달 기반을 확보하는 한편, 희토류 사용량을 줄이거나 재활용률을 높이는 기술 개발을 적극 지원하였다. 2010년 중국의 희토류 수출 제한 이후 일본은 공급망 안보를 더욱 중시하게 되었고, 수입 구조 다변화와 국내 리사이클 기술의 고도화를 통해 특정국 의존을 줄이는 정책 방향을 강화하였다. 또한 일본은 배터리･자석 등 첨단 제조 분야의 전략적 중요성을 고려하여, 중요 광종에 대한 비축기준을 유지하면서도 리스크가 높은 광종에 대해서는 추가적 비축 확대를 검토하는 등 맞춤형 관리 방식을 적용하고 있다. 이러한 정책들은 단기적 수급 대응을 넘어, 희토류를 포함한 중요 광물의 안정적 확보를 산업정책･기술정책과 연계하는 중장기적 자원안보 체계를 형성하고 있다[59]. 종합하면 일본은 자원 부존도가 매우 낮다는 구조적 한계를 기술혁신.재활용.공급원 다변화 전략으로 보완하며 장기적 자원안보 체계를 구축하는 방향으로 정책을 전개해 왔다.
5.5. 한국
한국은 희토류를 포함한 희유금속을 미래 제조업 경쟁력과 직결되는 전략 자원으로 인식하고, 공급 안정성을 확보하기 위한 국가 차원의 정책체계를 꾸준히 고도화해 왔다. 국내에는 주요 광물의 자원 기반이 매우 제한적이기 때문에, 한국의 정책은 수급 구조의 취약성을 완화하고 공급망 리스크를 최소화하는 방향에 초점이 맞추어져 있다. 이를 위해 정부는 2009년과 2021년에 희유금속 정책을 발표하며 산업적 수요 증가, 지정학적 불확실성, 자원 편중 문제 등에 대응하는 중장기 전략을 마련하였다. 한국 정부의 정책은 희유금속을 산업군･용도별로 체계적으로 분류하고, 이를 바탕으로 전기자동차용 희토류, 반도체･디스플레이용 내열금속, 이차전지용 핵심양극재 등 국가전략산업의 핵심 소재를 우선 관리 대상으로 설정한다. 특히 2021년에 발표된 「희유금속 산업발전전략 2.0」은 핵심기업 육성, 안정적 공급망 구축, 해외 자원 확보를 중심축으로 운영되며, 탐사·정련·재활용까지 산업 전주기 정책을 포괄하는 구조로 설계되었다. 이러한 전략은 장기적으로 국내 기업이 희유금속 기반 소재·부품·장비 분야에서 자립도를 높일 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. 정책적 기반을 강화하기 위한 법･제도 정비도 동시에 이루어졌다. 2023년에는 희유금속 산업을 지원하기 위한 최초의 법적 근거가 마련되었으며, 해당 법안은 산업 경쟁력 강화를 위한 5년 주기의 국가 계획 수립, 희유금속 정책 추진 기관 지정, 국가 희유금속센터 설치 등을 포함한다. 특히 한국생산기술연구원(Korea Institute of Industrial Technology, KITECH)은 희유금속 산업의 기술개발과 기업 지원의 핵심 기관으로 지정되어, 국내 재활용·정련 기술 고도화와 공급망 회복력 강화에 중요한 역할을 담당하고 있다. 한국은 또한 글로벌 공급망 불안정성을 정책의 핵심 변수로 고려한다. 코로나19 기간 발생한 요소수 대란과 같은 사례는 특정국 수입 의존 구조의 취약성을 보여주었고, 이에 따라 한국은 희유금속 재활용 확대, 해외 자원개발 협력 강화, 정련 기술 내재화 등을 통해 공급 다변화와 순환경제 체계 구축을 중점 과제로 추진하고 있다. 하지만 국내 기업의 다수는 규모가 작아 대형 수요기업의 요구를 충족하기 어렵다는 구조적 한계를 지니고 있어, 정부는 기술·자금 지원을 통해 중소기업 중심의 산업 기반을 강화하는 정책을 병행하고 있다[60]. 종합적으로, 한국은 제한된 자원 기반을 고려하여 공급망 안정성 확보, 정련･재활용 기술 내재화, 해외 자원개발 협력, 전략산업 중심의 소재 관리 등 다층적 정책 수단을 결합하는 구조적 접근을 취하고 있다.
5.6. 국가별 전략 비교 및 한국에 대한 시사점
미국, 유럽연합, 중국, 일본, 한국의 희토류 정책은 에너지전환과 첨단 제조산업 확대라는 공통된 배경에서 출발하지만, 전략적 방향과 정책 수단에서는 뚜렷한 차이를 보인다. 각국의 핵심 전략과 주요 과제를 Table 5에 정리하였다.
국가별 희토류 전략은 자원 부존도·제조업 구조･정치경제적 환경에 따라 ‘자립성 중심(중국) – 회복력 중심(미･EU) – 기술혁신･재활용 중심(일･한)’의 세 가지 축으로 재편되고 있다. 중국은 채굴부터 정제･가공까지 전주기를 국가 차원에서 통합적으로 관리하며 독보적인 공급망 지배력을 유지하고 있다. 반면 미국과 EU는 공급망 취약성을 국가안보 및 산업 리스크로 인식하고 각각 동맹국 협력 확대와 순환경제 규제 강화를 중심으로 구조 전환을 시도하고 있으나, 정제 공정의 중국 의존도를 단기간에 해소하기 어렵다는 구조적 한계를 공유한다. 일본과 한국은 국내 자원 기반이 거의 없는 제약 속에서 재활용 기술 고도화와 공급원 다변화를 통해 자립성의 구조적 한계를 보완하는 접근을 취하고 있으며, 글로벌 공급망 재편 흐름 속에서 상호 협력의 여지가 큰 국가군으로 평가된다[61]. 이러한 국가 전략 비교는 결국 한국이 직면한 기술적･경제적 과제를 보다 구체적으로 규정하며, 특히 전자폐기물 기반 회수･정제 기술의 내재화가 향후 정책의 핵심 축이 되어야 함을 시사한다.
6. 결론
전자폐기물에서 희토류를 회수하는 기술은 신규 자원 채굴의 환경부담을 줄이고, 재생에너지 및 저탄소 기술 및 첨단 기술의 핵심 소재이다[26, 27, 62-80]. 본 연구에서는 전자폐기물을 새로운 자원 공급원으로 바라보고, 이를 활용한 희토류 회수 기술의 현황과 발전 방향을 종합적으로 분석하였다. 특히 건식･습식 공정에서부터 바이오리칭, 이온성 액체, DES, 요오드-요오드화물, 티오요소 기반 기술과 같은 친환경 대체기술까지 폭넓게 검토함으로써, 기술별 장단점과 환경적 지속가능성의 차이를 명확히 규명하였다.
기술별 검토 결과를 종합하면 다음과 같다. 건식 공정은 80~90%에 달하는 높은 회수율을 달성할 수 있으나, 1,000℃ 이상의 고온 운전에 따른 막대한 에너지 소비와 CO2･CO 등 온실가스 배출이 주요 환경 부담으로 작용한다. 습식 공정은 건식 대비 낮은 에너지 소비와 고순도 희토류 회수가 가능하다는 강점을 지니나, 강산 및 유기용매의 대량 사용과 이에 따른 복잡한 폐수 처리 문제가 핵심 과제로 남는다. 바이오리칭은 상온･상압 조건에서의 운전이 가능하고 유독성 화학물질 사용을 저감할 수 있다는 점에서 차세대 친환경 기술로 유망하나, 느린 반응 속도, 미생물 안정성 확보, 대규모 공정화 측면에서 추가적인 연구가 필요하다. 이온성 액체(IL)와 심공융매(DES)는 맞춤형 선택성과 낮은 휘발성을 강점으로 하지만, 높은 제조 비용과 일부 독성 문제가 상용화의 장벽으로 작용하고 있다. 요오드-요오드화물 및 티오요소 기반 침출법은 시안화물 대비 낮은 독성을 갖는 대안적 침출 시스템으로 주목받고 있으나, 희토류 직접 회수에의 적용은 아직 초기 단계에 머물러 있다.
전과정평가(LCA) 결과는 바이오리칭이 일부 환경영향 범주에서 기존 화학적 침출 대비 유리한 성과를 보임을 시사하나, 이는 특정 원료･기능단위･시스템 경계 조건에 기반한 사례 연구 결과로 일반화에는 주의가 필요하다. 또한 국내 기술이 실험･파일럿 단계에서 머물지 않고 산업 수준으로 확장되기 위해서는, 기술 효율성 향상(LCA 기반 검증), 경제성 확보(공정 자동화･비용 절감형 설계), 지속가능한 시장 구조 구축, 정책금융 및 세제 인센티브를 통한 투자 촉진이 병행되어야 한다.
아울러 국내 희토류 회수 산업이 경쟁력을 확보하기 위해서는, 특정 국가에 과도하게 의존하는 기존의 해외 공급 구조를 실질적으로 개선하는 것이 중요한 과제이다. 현재 한국은 대부분의 희토류를 소수 국가로부터 수입하는 구조이기 때문에, 지정학적 변화나 수출 규제와 같은 외부 요인에 따라 공급망이 쉽게 흔들릴 위험이 크다. 따라서 국내 전자폐기물로부터 회수하는 희토류의 순환도를 높이고, 다양한 국가와의 연계를 통해 공급선을 다변화하는 노력이 반드시 필요하다. 나아가 희토류 회수에 그치지 않고 기업의 국내 희토류 활용도를 높이기 위한 정책 수립 및 수요 연계형 공급망 구축이 함께 추진되어야 한다. 이러한 공급망이 갖춰져야만 해외에 의존하지 않고 국내에서 안정적으로 희토류를 조달할 수 있으며, 동시에 회수된 희토류를 국내 산업이 직접 활용함으로써 친환경성과 시장성을 동시에 확보할 수 있다.
또한 희토류를 국가 전략자산으로 지정하여 공공비축 제도를 강화하고, 주요 기업과 정부 간의 장기 구매계약을 확대하는 방안은 공급 안정성 확보 차원에서 검토할 필요가 있는 정책 옵션이다. 이러한 제도가 마련된다면 회수된 희토류의 일정 수요가 보장되어 기업의 투자 유인이 강화될 수 있고, 정부는 국가 차원의 자원 안보를 강화하는 데 기여할 수 있다.
따라서 향후 한국의 희토류 전략은 단순한 자원 확보를 넘어, 친환경 회수 기술의 발전을 통한 자원 순환 생태계 구축으로 전환되어야 한다. 특히 전자폐기물 내 희토류를 효율적으로 회수·정제할 수 있는 바이오 기반 기술과 저유해 용매 기술의 고도화는 필수적이며, 이를 뒷받침할 산･학･연･관 협력체계가 마련되어야 한다. 정부는 공공 R&D 펀드 확대, 녹색분류체계와 연계된 금융지원, 환경기준 기반의 인증제도를 통해 기술의 상용화를 촉진해야 하며, 기업은 자발적 ESG 전략과 연계하여 순환경제 전환을 가속화할 필요가 있다.
결론적으로, 본 연구는 전자폐기물 기반의 친환경 희토류 회수 기술이 단순한 재활용 단계를 넘어 국가 전략산업으로 발전할 잠재력을 지니고 있음을 확인하였다. 향후에는 기술 효율성과 경제성, 환경성을 아우르는 통합적 연구와 제도적 지원이 병행될 때, 한국은 지속가능한 희토류 순환체계 구축과 글로벌 공급망 리스크 완화를 동시에 달성할 수 있을 것이다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation 
Print 
