니오븀 발견, 희귀금속산업 ‘기지개’

[산업일보]
첨단산업분야의 고부가가치 시장으로 주목받고 있는 신소재 개발이 전 세계적으로 붐을 일으키고 있는 가운데 최근 국내에서 희귀금속 니오븀(Niobium)이 발견되면서 이목을 집중시키고 있다. 니오븀은 어떤 광물이며, 니오븀 광물의 개발과 처리, 매장량과 가격 등 신소재 분야가 모처럼 활기를 띌 전망이다.

그리스 신화에서 명명된 이름

니오븀(Niobium, 화학기호 Nb)은 1801년 화학자 찰스 헤젯(Charles Hatchett)에 의해 ‘콜롬바이트(columbite)’라고 불리는 광석에서 발견됐다. 이 새로운 원소의 이름은 그리스 신화에 나오는 탄탈로스(Thantalos)의 딸 ‘Niobe’의 이름을 따 ‘niobium’으로 붙여졌는데, 이는 주기율표에서 탄탈륨이 니오븀과 가까운 곳에 위치했기 때문에 이렇게 명명된 것이라고 알려져 있다.

니오븀은 은백색의 광택을 지닌 금속으로, 육안으로 봤을 때는 그 산화막으로 인해 청색을 띈 광물이다. 화학적 성질이 탄탈륨과 아주 흡사해 초기에는 그 구별이 쉽지 않았으나 1884년 탄탈륨(tantalum)이라는 광물에서 분리되면서 오랜 논쟁 끝에 1950년 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry, 국제순수응용화학연합)에서 ‘niobium’이라 공식 명명했다.

1801년 처음 발견됐을 당시 콜럼븀(columbium, 화학기호 Cb)이라 이름 붙여지면서 미국 공업 분야에서는 콜럼븀으로 통용되고 있다. 이 때문에 일부 니오븀 광물이 ‘콜럼바이트(columbite)와 콜럼바이트-탄탈라이트로 쓰이기도 한다.

제강산업의 신소재, 필수광물 ‘자리매김’

화학적 성질과는 달리 물리적 성질은 탄탈륨과 큰 차이를 보인다. 니오븀의 융점이 2,468℃인 것에 비해 탄탈륨은 2,996℃로 더 높으며, 비중 또한 니오븀이 8.5g/cm3, 탄탈륨이 16.6g/cm3로 니오븀이 작다. 응용면에서도 두 금속은 차이를 보이는데, 니오븀의 경우 2%만이 순수 금속과 고니오븀함량의 합금에 사용되는 데 비해 탄탈륨은 65% 이상이 순수 금속형태로 사용된다. 이에 탄탈륨은 전기산업과 매우 밀접한 연관성을 가지고 있으며, 니오븀은 주로 고강도저합금(high strength low alloy, HSLA)강, 스테인리스강 등 제강산업과 밀접한 관련성을 보인다.

니오븀은 불용성(액체에 녹지 않는) 원소로서 비중, 경도 등이 구리와 비슷하나 부식에 강하며 변형이 쉬운 것이 특징이다. 융점이 높고(2,468℃) 내열성과 열전도성, 내석성이 양호하다. 지구화학적 결합력이 강해 산소 혹은 다른 금속과 결합된 상태로 존재하는 것이 일반적이며, 제강산업에서는 니오븀/철 합금(FeNb)의 형태로 사용된다.

전 세계 매장량 440만 톤 이상 ‘추정’

미국지질조사소(USGS)의 자료에 따르면 니오븀의 세계 매장량은 440만 톤 정도로 추정되고 있으나 실제로는 훨씬 많은 양의 니오븀이 매장돼 있다는 보고가 잇따르고 있다.

니오븀은 광산에서 파이로클로어(pyrochlore) 정광이나 함니오븀 형태로 채굴되며 가공을 통해 페오니오븀과 산와니오븀, 고순도의 니오븀 산화물로 거듭난다.

그 용도 또한 다방면에 걸쳐 이용되고 있다. 특히 페로니오븀은 철강첨가재로 사용되며 그 사용률이 미국은 90%, 일본은 80%에 달한다. 고강도저합금(high strength low alloy, HSLA)강에 많이 사용돼며 석유와 천연가스 수송을 위한 파이프라인용 대구경관에도 쓰인다. 이외에 초합금(superalloy), 광학렌즈, 초경공구 분야에 쓰이고, 향후 초전도, 내열합금, 광학렌즈 등 새로운 분야의 수요가 늘 것이라 전망되고 있다.

브라질, 니오븀 최대 매장 국가

니오븀은 독립적으로 존재하는 법이 없기 때문에 다른 원소들과 결합해 다양한 광물로 존재한다. 자원총람(2000)에 의하면 보고된 니오븀 광물은 150종에 이르나, 이는 크게 타이타노-니오브산염(titano-niobates)과 탄탈로-니오브산염(tantalo-niobates)의 두 가지로 나눠진다.

1960년대 대규모 광상 개발 이후, 타이타노-니오브산염 광물인 파이로클로어가 니오븀의 가장 중요한 광석이 되면서 파이로클로어 광산 지역이 상업적으로 주요한 위치를 담당하게 됐고, 브라질과 캐나다가 그 중심에 있다.

브라질에서는 섬장암-카보네타이트 암석의 풍화로 형성된 풍화잔류광상에서 파이로클로어가 산출되고 있으며, 이외에도 나이지리아와 노르웨이, 자이레에서도 유사한 카보네타이트 광상이 있는 것으로 알려져 있다. 또한 그린랜드, 러시아 등에서도 파이로클로어가 발견되고 있다.

파이로클로어 외에 니오븀의 주요 광석은 탄탈로-니오브산염 광물인 콜럼바이트-탄탈라이트다. 나이지리아와 콩고는 역사적으로 콜럼바이트 광석의 가장 중요한 공급원이며, 호주와 브라질, 중국, 가봉, 말레이지아, 타이, 베네수엘라 지역에도 존재하는 것으로 밝혀졌다.

콜럼바이트-탄탈라이트는 파이로클로어보다 광범위하게 분포하지만 니오븀 매장량과 생산량에서 파이로클로어만큼 중요하지는 않다고 한다.

가격 자료, 10년 전 자취 감춰

페로니오븀이 니오븀 생산량의 대부분을 차지하면서 페로니오븀의 가격이 니오븀 가격에 미치는 영향력은 아주 크다고 분석되고 있다. 그러나 페로니오븀 외의 니오븀 제품에 대한 가격 자료는 1997년 이후 나오지 않고 있으며, 생산업체들이 광석을 직접 페오니오븀으로 전환함에 따라 파이로클로어 가격 자료 또한 자취를 감춘 것이 현실이다. 콜롬바이트 광석 가격도 2001년 말 이후 정확한 자료가 없는 상태다.

극소수 국가에 편중된 매장량

한국광물자원공사에 따르면 세계에서 가장 큰 파이로클로어 광상은 브라질 Araxa에 부존돼 있으며 세계 니오븀 약 70%를 공급한다. 현재 CBMM(Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineracao) 사가 노천채광법으로 개발하고 있다.

다음으로 큰 광산은 브라질의 Catalao 광산이다. 이곳은 MCG(Mineracao Catalao de Goias) 사 개발 중에 있다. 지질학적으로 Araxa 광산과 유사하다.

세번째 규모의 파이로클로어 광산은 캐나다 퀘벡에 있는 Niobec 광산으로, 이 광산은 마케팅을 책임지는 Cambior 사와 광산 운영 및 페로니오븀 생산을 담당하는 Mazarin Mining Corp. 사가 공동 운영하고 있다.

잠재적으로 채광 가능성이 있는 대규모 광산으로 평가되고 있는 곳은 가봉(Cluff Mining)의 Mabouni 광상, 호주(Anaconda)의 Mt. Weld 광상 등을 꼽을 수 있다.

니오븀 성장 가능성 무궁무진


한국광물자원공사는 니오븀의 가장 중요한 성장분야를 HSLA 페로니오븀으로 보고 있다. 실제로 HSLA 페로니오븀 총생산량의 약 70%가 미국과 유럽에서 소비된다고 한다.

최근 초전도 합금부문의 수요가 감소함에 따라 화학부문과 배큐엄 등급(vacuum-grade) 페로니오븀 및 니켈니오븀 부문의 소비 성장률이 소폭 증가하고 있다는 평가도 내놓았다.

산화니오븀은 주로 고굴절율을 지닌 렌즈, 고유전율이고 다층 세라믹 콘덴서 및 전자회로에서 일반적으로 사용되는 Surface Acoustic Wave(SAW) 필터용 니오브산 리튬 제조용에 사용되고 있다. 탄화니오븀은 절단공구 제조 및 내마모성 용도에 주로 사용된다. 배큐엄 등급(vacuum-grade)의 페로니오븀과 니켈니오븀은 니켈 함유율 1-5% 정도의 니켈베이스 초합금 제조에 사용된다. 이들 합금은 우주선이나 항공기의 터빈에 주로 사용되며, 지상용 터빈 제조에도 상당량의 니오븀이 사용된다.

니오븀의 최종 산물은 순수금속과 판, 봉, 관 같은 금속의 가공형태로 내식성 설비, 스퍼터링 타깃(sputtering target), 음극보호시스템 분야에 이용되며 세계 총 니오븀 수요의 약 1%가 여기에 속한다.

고합금강 등의 철강재료, 정보기술 융합제품, 초전도체, 의료용구 등 신소재, 촉매성분에 필수적으로 사용되고 있는 니오븀은 어느새 산업 전반에 걸쳐 필수 광물로 자리 잡았다.

니오븀 관련 특허 증가

그 활용 가능성 또한 무궁무진해 니오븀에 관한 특허 출원 건수 또한 8,000여 건(2011년 12월 31일 기준)에 달하며, 2006년 이후 매년 평균 600건의 특허가 출원되고 있다. 이 중 국내 출원은 30%를 상회하는 것으로 확인됐다.

이에 대해 특허청은 니오븀 소재를 활용한 수소 저장 재료 제조 기술, 티타늄을 사용한 초고순도 니오븀 소재의 정련기술과 지르코늄과 니오븀 산화막을 포함하는 유전막을 구비한 반도체 소자 제조 기술 등 제품의 품질은 물론 가격 졍쟁력을 겸비한 것으로 평가되는 기술들이 최근 특허 등록되었을 뿐만 아니라, 니오븀 산화물의 나노 구조체, 니오븀이 코팅된 연료전지와 같은 최첨단 복합기술에 관한 연구성과가 속속 발표되고 있는 점은 최첨단 신소재 분야에 있어서 니오븀 활용 기술의 위상이 점차 높아지고 있음을 실감케 한다고 밝혔다.

희유금속 니오븀, 산업 원동력

한국생산기술연구원에 따르면 희유금속(rare metal)은 국가 주력산업 및 향후 성장동력산업의 필수소재로 국내 산업의 지속적인 경쟁력 확보와 경제성장에 있어 다양한 수급방안이 선결돼야 할 것으로 보인다.

또한 니오븀과 같은 희유금속은 천연자원의 보유량이 적고 자원보유의 지역적 편중성이 높아 근원적으로 수급의 불안정성을 갖고 있기 때문에 희유금속의 세계 시장은 석유와 마찬가지로 이미 공급자의 시장 지배력이 높은 상황에서 수요자간 수요확보를 위한 경쟁이 심화될 수밖에 없는 양상을 보이고 있다.

희유금속이란 지각 내에 존재량이 적거나 추출이 어려운 금속자원 중 현재 산업적 수요가 있고 향후 수요 신장이 예상되는 금속원소, 또는 극소수의 국가에 매장과 생산이 편재돼 있거나 특정국에서 전량을 수입해 공급의 위험성이 있는 금속원소로 정의된다. 현재 수요가 꾸준하거나 향후 기술혁신 수반에 새로운 공업용 수요가 예측되는 니오븀과 같은 금속원소는 인듐, 텅스텐, 코발트 등 35종에 불과해 상대적 가치가 높아지고 있다.

희유금속에 대한 가치 또한 높아지고 있는데, 최근 국내 최초로 니오븀이 발견되면서 신소재 기술개발에 대한 주요한 원동력으로 니오븀이 부상하고 있다.

국내 최초 니오븀 발견

전 세계적으로 자원 채국 가용연수는 45년밖에 남지 않았다. 우리나라의 경우 희귀금속은 현재까지 전량 수입에 의존하고 있기 때문에 이번 니오븀의 발견은 기술경쟁력과 가격경쟁력을 동시에 갖추기 위한 신소재 개발기술의 발전방향을 제시하는 데 충분히 상징적 의미를 지닌다고 평가되고 있다.

니오븀 광체가 발견된 지역은 춘천시와 화천군 경계에 솟은 용화산 자락으로 그곳의 옛 지명을 통해 광물이 풍부했던 지역임을 짐작케 한다. 최초 니오븀 발굴이 시작된 곳은 춘천시 사북면 고탄리 ‘새(쇠)밀골’이며, 그 인근 지역 역시 ‘쇠판이골’과 ‘큰 쇠가지골’, ‘작은 쇠가지골’ 등 대부분 ‘철(鐵)’을 뜻하는 지명이다. 또한 예부터 전해지는 이야기와 흔적들을 찾아 볼 수 있는데 이는 그곳이 철 생산지였음을 증명하고 있다. 또 다른 인근 지역에서는 쇠 가마터가 발견되기도 했다.

고려대학교 지구환경과학과의 발표에 따르면 이번에 발견된 니오븀 광체는 브라질 Araxa 광산과 유사한 마그마 기원의 광상형이라는 결과를 발표해 한국이 니오븀 부존국으로 자리매김할 것인지에 대해 광산업계의 이목이 집중되고 있다.

한국광물자원공사는 올해 광체 규모 파악 및 매장량 확보를 위한 정밀탐사를 추가로 실시할 계획이다. 이에 대해 국내 일부 광산업체도 깊은 관심을 나타내는 것으로 알려져 있으나, 고부가가치 희유금속 광산 개발을 위해 정부가 발 벗고 나서야 한다는 지적도 나오고 있다.

한편 우리나라는 현재 철강산업에 사용되는 니오븀을 100% 수입에 의존하고 있다. 지난해에 세계 소비량의 10% 정도 분량인 5천 톤을 소비했으며, 올해는 그 소비가 더 늘어날 것이라 전망되고 있다. 올해 1월말 페로니오븀은 톤당 4만 3천 달러에 거래가 이뤄졌다.