희토류(Rare Earth)의 종류와 뜻

희토류란 무엇인가?

희토류란 무엇인가?

 

원소 주기율표를 보면 본문의 큰 주기율표 아래 두 줄의 표가 더 있습니다. 이 원소들은 란타넘족(원자번호 57)과 악티늄족(원자번호 89)이라고 부르는데 희토류는 이 원소들 중 란타넘족의 원소(원자번호 57번 ~71번)들과 스칸듐(Sc, 원자번호 21), 이트륨(Y, 원자번호 39)을 총칭합니다.

 

희토류 금속의 이름만 보면 희귀한 금속인 것 같지만 실제로는 희귀하지 않습니다. 다만 여러가지 광물에 조금씩 흩어져 존재하며 희토류끼리의 성질이 비슷하여 순수한 상태로 추출하거나 분리하기가 매우 어렵기 때문에 이러한 이름을 가지게 되었습니다. 참고로 희토류 원소들이 합금의 형태로 포함된 광물을 미시메탈(Mischmetal)이라고 합니다.

 

희토류 금속은 굉장히 독특한 성질을 가지고 있어 고성능 광학 및 레이저 부품부터 자석 및 초전도체까지 첨단 산업에 필수적으로 요구되는 중요한 물질이지만 특정 지역에 집중되어있어 많은 관심을 받고 있는 대표적인 전략자원입니다.

 

열악한 환경의 희토류 생산 공장

 

희토류의 채굴 및 생산에는 유해한 여러 화학물질과 많은 노동력이 필요하기 때문에 일반적인 금속보다 많은 비용이 필요합니다. 이러한 특성 때문에 많은 선진국에서는 직접 채굴과 생산을 하지 않으며 전 세계 희토류의 85% 이상을 중국에서 생산합니다. 중국이 정치적인 이유로 희토류 수출을 통제하자 다른 국가에서는 희토류의 탈중국화를 선언하며 희토류의 채굴과 생산을 시작하였지만 여전히 수익성을 확보하기 어려운 상황입니다.

 

희토류의 분류

 

주기율표에서 볼 수 있는 희토류 원소

 

사실 위에서 희토류은 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)과 란타넘족을 포함한 원소들을 칭한다고 말씀드렸지만 연구자마다 희토류의 구분을 각기 다르기에 악티늄족을 희토류 원소로 취급하는 경우도 종종 있습니다. 악티늄족 원소의 물리적, 화학적 특징이 란타넘족 원소와 유사한 면이 있기 때문입니다.

 

IUPAC(국제 순수 및 응용화학 연맹)에서는 희토류를 란타넘족의 원소들과 스칸듐 및 이트륨으로 구분하고 있습니다. 즉 원자번호 21번인 스칸듐(Sc), 39번인 이트륨(Y)과 원자번호 57번에서 71번에 이르는 란타넘족을 포함한 총 17개의 원소만 희토류로 인정하고 악티늄족의 원소들은 희토류에서 제외합니다. 이 글에서도 IUPAC 기준으로 설명을 드렸습니다.

 

일반적으로 희토류 원소는 원자량을 기준으로 구분합니다. 원자량이 작은 원소는 경희토류 원소(Light Rare Earth Element, LREE)로 구분하며 원자량이 큰 원소는 중희토류 원소(Heavy Rare Earth Element, HREE)로 구분합니다. 이러한 분류의 기준이 되는 원소는 원자번호 62번 사마륨(Sm) 또는 원자번호 64번 가돌리늄(Gd)인데 주로 원자번호 64번 가돌리늄(Gd)을 기준으로 구분하는 경우가 많습니다.

 

다시 말하면 원자번호 57번 란타넘(La)부터 원자번호 64번 가돌리늄(Gd)까지는 경희토류, 원자번호 65번 터븀(Tb)부터 원자번호 71번 루테튬(Lu)에 원자번호 21번 스칸듐(Sc)과 원자번호 39번 이트륨(Y)은 중희토류로 구분합니다. 여기서 스칸듐(Sc)과 이트륨(Y)은 원자량이 가돌리늄(Gd)보다 작고 가볍지만 물리적, 화학적 특성이 중희토류에 가까워 중희토류로 분류합니다.

 

참고로 이러한 희토류 원소의 구분은 각 원소의 전자배치와 관련이 있습니다. 모든 중희토류 원소들은 짝지어진 전자(paired electron)를 가지고 있지만 경희토류 원소들은 모두 짝지어지지 않은 전자(unpaired electron)를 가지고 있습니다.

 

희토류(Rare Earth)의 성질과 용도