서 론
텅스텐은 백색 또는 회백색의 단단한 금속으로 전기전도도와 열전도도가 양호하고, 녹는점이 3,422°C로 금속 중 가장 높으며, 내마모성 및 내식성이 강하고 1,650°C의 고온에서도 낮은 열팽창계수 등의 특성이 있다. 이와 같은 성질을 이용하여 특수강, 초경합금, 필라멘트 등으로 사용되고 있다(Das et al., 2023; Han et al., 2021; Ilhan et al., 2013; Jeon et al., 2018; Sohn, 2021; Wang et al., 2022; Yang, 2018). 그리고 첨단로봇, 반도체, 항공우주공학 분야 등 4차 산업혁명 시대에 필수 소재로 여겨지고 있어 수요가 증가할 것으로 예상된다.
텅스텐은 지각 내 평균 1.25-1.5ppm 정도 함유되어 있으며(Yang, 2018), 부존량은 적지만 널리 분포된 자원이다(Go et al., 2018). 텅스텐의 매장량은 약 380만 톤으로 중국, 오스트리아, 러시아 3개국에 전체의 약 73%가 부존되어 있으며, 생산의 경우 중국이 전체 생산량의 85%를 공급하고 있어 중국에 대한 의존도가 큰 자원이다(USGS, 2023). 텅스텐을 함유하고 있는 광물은 약 20여 종으로 알려져 있으나, 이 중 경제성이 있는 광물은 회중석(Scheelite, CaWO4), 철망간중석(Wolframite, (Fe,Mn)WO4), 망간중석(Huebnerite, MnWO4)과 철중석(Ferberite, FeWO4)이다(Choi et al., 2008; Han et al., 2021; Go et al., 2018; Jeon et al, 2017; Mohammadnejad et al., 2018; Srinivas et al., 2000; Wang et al., 2022). 과거 강원도 영월 상동지역과 경북 울진지역에서 텅스텐광이 산출되어 생산하였으나, 채산성 악화로 인해 1980년대 이후 생산되지 않고 있다(Go et al., 2018; Jeon et al., 2018). 한국지질자원연구원에서 국내 텅스텐광 자원의 채산성을 향상시켜 이를 활용을 위한 선광 연구를 수행한 바 있다(Kim et al., 2015; Go et al., 2018; Jeon et al., 2013; Jeon et al., 2017). 텅스텐광의 비중이 주요 맥석광물에 비해 크고, 취성으로 인해 파분쇄 과정에서 미립자가 많이 발생되는 점을 고려하여 비중선별과 부유선별이 적용된 연구가 수행되었다. 국외에서는 새로운 포수제를 개발하여 적용하거나, 미립의 회중석 및 철망간중석을 회수할 수 있는 응집 부유선별 및 담체 부유선별(carrier flotation) 등에 대한 연구가 수행되고 있다(Huang et al., 2022; Lu et al., 2021; Mohammadnejad et al., 2018; Ni et al., 2020; Ni et al., 2023; Yang, 2018; Yue et al., 2018).
현재 국내에서 생산되는 텅스텐이 전무하며, 전량 수입에 의존하고 있다(Jeon et al., 2013; Go et al., 2018). 수입량은 매년 증가하고 있고, 코로나19로 인한 수요 감소에 따른 공급 과잉으로 인해 가격이 하락하였으나 2020년 이후 가격이 증가하는 추세를 보이고 있다(KOMIS, 2023). 따라서 본 연구에서는 4차 산업혁명 시대에 필수 소재 중 하나이자, 지속적인 가격 상승 및 지역 편재성으로 원료 확보가 어려운 텅스텐의 자원 현황과 국내외 연구 동향을 확인하였다.
본 론
텅스텐 특성 및 용도
텅스텐은 백색 또는 회백색의 전이금속으로, 주기율표 6A족에 속하며 원소 기호는 W로 표시된다. 금속 중 가장 무거우며, 녹는점이 3422°C로 가장 높다. 또한 전기전도도와 열전도도가 높고, 내마모성 및 내식성이 우수하며, 고온에서도 열팽창률(1650°C)이 낮은 특성을 보인다. 이러한 성질을 이용하여 특수강, 초경합금원료, 내마모성 공구, 필라멘트, 내열재료 등의 용도로 Table 1과 같이 활용되고 있다(Das et al., 2023; Han et al., 2021; Ilhan et al., 2013; Jeon et al., 2018; Sohn, 2021; Wang et al., 2022; Yang, 2018). 이처럼 다양한 합금의 원료로 활용되고 있는 텅스텐의 수요는 4차 산업 시대를 맞아 첨단로봇, 반도체, 항공우주 등과 같은 첨단산업이 발전하며 필수 소재로 각광받고 있어 그 수요가 점차 확대될 것으로 예측된다.
Table 1.
Application of tungsten (Das et al., 2023)
텅스텐 부존 특성
텅스텐은 자연상태에서 순수한 금속 형태로 존재하지 않고 다른 원소와의 화합물을 형성하며 존재한다(Yue et al., 2018). 지각 내 평균 1.25-1.5ppm 함유되어 있으며(Yang, 2018), 부존량이 많지 않지만 전 세계적으로 널리 분포되어 존재하는 희유금속 자원이다. 일반적으로 텅스텐 광상은 섭입과 관련된 판 구조의 충돌에 의해 생성되는 조산대 내 또는 그 근처에서 발생된다. 따라서 주요 텅스텐 광상의 유형은 화강암의 관입 또는 중온 또는 고온 고압 변성암과 연관되어 있으며, 주로 스카른 광상, 열수광상, 층상광상의 형태로 산출된다. 텅스텐은 전 세계적으로 약 380만 톤 정도 매장되어 있는 것으로 추산된다. 중국, 오스트리아, 러시아 3개국이 주요 부존 국가로 전체의 약 73%가 매장되어 있고, 생산량의 경우 중국이 전체의 85%를 생산하고 있다(Table 2, USGS, 2023). 한국도 텅스텐광의 주요 산지 중 하나로, 강원 영월 상동지역에 캄브리아시대의 변성퇴적층이 열수작용을 받아 고온교대광상이 형성되어 있는 것으로 알려져 있으며, 회중석이 광물로 산출된다. 최근 상동지역에 대한 정밀조사를 통해 원광의 품위가 0.5 WO3%인 텅스텐광이 3,000만 톤 가량 매장되어 있는 것을 확인되었다(Jeon et al., 2018).
Table 2.
World mine production and reserves of tungsten (USGS, 2023)
| Country | Mine production (t) | Reserves (MT) | |
| 2021 | 2022e | ||
| Austria | e900 | 900 | 560,000 |
| Bolivia | 1,563 | 1,400 | NA |
| China | e71,000 | 71,000 | 1,800,000 |
| Portugal | 502 | 500 | 3,100 |
| Russia | e2,300 | 2,300 | 400,000 |
| Rwanda | e1,340 | 1,100 | NA |
| Spain | e400 | 700 | 56,000 |
| Vietnam | 4,800 | 4,800 | 100,000 |
| Other countries | 973 | 1,400 | 1,400,000 |
| World total (rounded) | 83,800 | 84,000 | 3,800,000 |
텅스텐 시장 현황
과거 한국은 텅스텐을 수출하는 수출국이었으나, 채산성의 악화로 1980년대 이후 국내에서의 텅스텐 생산을 이루어지지 않고 있어 전량 수입에 의존하고 있다(Jeon et al., 2013; Go et al., 2018). 한국지질자원연구원(Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, KIGAM)의 통계자료에 따르면 텅스텐은 화합물의 형태(산화 텅스텐)로 많이 수입되며, 수출의 경우 정광, 금속, 화합물, 스크랩 등 다양한 형태를 보인다(Table 3). 텅스텐의 가격을 대표하는 APT의 최근 5년 가격을 살펴보면 코로나19의 영향으로 수요가 감소되어 2020년까지 가격이 하락하였으나, 2020년 이후 가격이 연간 큰 폭으로 상승한 것을 확인할 수 있다(Fig. 1, KOMIS, 2023).
Table 3.
Import and export status of tungsten (2020–2022; Kim and Lee, 2023)
텅스텐 선별 연구 개요
산화광물의 형태로 산출되는 텅스텐을 함유하고 있는 광물은 약 20여 종이 있으나, 회중석(Scheelite, CaWO4), 철망간중석(Wolframite, (Fe,Mn)WO4), 망간중석(Huebnerite, MnWO4)과 철중석(Ferberite, FeWO4)이 경제성이 있는 광물로 알려져 있다(Choi et al., 2008; Han et al., 2021; Go et al., 2018; Jeon et al., 2017; Mohammadnejad et al., 2018; Srinivas et al., 2000; Wang et al., 2022). 텅스텐광은 일반적으로 6 이상의 고비중을 띄고 있어 선별 시 비중의 차이를 이용하는 비중선별이 적용되고 있으나, 취성도가 높아 파분쇄 과정에서 발생되는 다량의 미립자로 인해 부유선별 또한 많이 적용되고 있다.
국내 텅스텐 선별 연구 동향
국내에서는 한국지질자원연구원에서 국내외 중석광을 대상으로 고품위 정광 회수를 위한 비중선별과 부유선별 연구를 수행한 바 있다(Kim et al., 2015; Go et al., 2018; Jeon et al., 2013; Jeon et al., 2017). Kim 연구팀은 몽골 에르덴솜 텅스텐 광산에서 채취된 철중석을 대상으로 Fig. 2와 같이 선별 비용을 줄이며 선별 효율을 향상시키기 위한 비중선별과 자력선별이 혼합된 공정을 개발하였다(Kim et al., 2015). 지그선별기(Jig separator)를 이용하여 조립자 크기인 원광으로부터 맥석광물을 우선적으로 제거하고 재분쇄하여 단체분리도를 높였으며, 이를 요동테이블(shaking table)에 투입하여 중광물만 선별한 후 마지막으로 자력선별법을 적용하여 WO3의 품위와 회수율이 각각 67.63%와 86.07%인 텅스텐 정광을 회수하였다.
Fig. 2.
Flowsheet of gravity-magnetic combined process for improving the grade of tungsten ore (Kim et al., 2015).
Jeon 연구팀은 강원도 영월 상동지역에서 채취한 회중석광을 대상으로 올레인산을 포수제로 선정하여 Fig. 3과 같이 부유선별 연구를 수행하였다(Jeon et al., 2017). 회중석에 대한 선택성을 높이기 위한 pH 조건 변화 실험을 통해 강염기영역에서 맥석광물인 규산염광물이 억제되며 부유선별에 최적 조건을 부여하는 것을 확인하였다. 실험에 사용된 주요 변수로는 포수제 첨가량 및 조건시간, 기포제 종류, 부선시약 첨가 순서, 정선횟수 등이 있으며, 이에 대한 실험을 통해 WO3 품위와 회수율이 67.6%와 88.16%인 부유선별 기술을 개발하였다.
그리고, 상기 연구를 수행한 Jeon 연구팀은 몽골에 대량으로 존재한다고 알려진 텅스텐 자원 확보를 위한 연구를 계속 수행하였다. 몽골에서 텅스텐은 주로 철망간중석으로 존재하고 있는데, 해당 시료는 망간중석으로 구성된 것이 특징이며, 해당 특성을 고려하여 자력선별과 부유선별이 아닌 습식 비중선별과 재분쇄공정을 통한 입도 제어를 활용하여 WO3 품위와 회수율이 각각 62.4%, 81.1%인 정광을 회수하였다(Fig. 4).
해외 텅스텐 선별 연구 동향
국외에서도 회중석과 철망간중석을 대상으로 특성을 고려하여 비중선별과 부유선별 연구가 수행되고 있다. 주로 부유선별법을 적용한 연구를 수행하였으며, 지방산 포수제를 대체할 수 있는 새로운 포수제를 개발하여 적용하거나, 미립의 회중석 및 철망간중석을 회수할 수 있는 응집 부유선별 및 담체부유선별(carrier flotation) 등에 대한 연구가 수행되고 있다(Huang et al., 2022; Lu et al., 2021; Mohammadnejad et al., 2018; Ni et al., 2020; Ni et al., 2023; Yang, 2018; Yue et al., 2018).
Huang 연구팀은 철망간중석 광미로부터 철망간중석을 회수하기 위해 비중선별과 부유선별 기술을 이용하여 재처리하는 연구를 수행하였다(Huang et al., 2022). 부유선별에 앞서 요동테이블을 이용하여 슬라임을 제거하였으며, 부유선별 시 새로운 철망간중석의 포수제로 2개의 하이드록삼산그룹이 “게(crab)” 구조를 가지는 SHA(Sebacoyl Hydroxamic acid)를 합성하여 사용하였다(Fig. 5). 또한 기존에 활용되던 1개의 하이드록삼산그룹을 가지는 BHA (Benzohydroxamic acid)와의 성능 비교 실험을 통해 철망간중석 입자의 소수성 응집체 형성을 촉진하는 것을 확인하여, SHA가 철망간중석 광미 처리를 위한 효율적인 포수제로 사용될 수 있음을 확인하였다.
Ni 연구팀은 회중석의 부유선별에서 저온에서 선택성을 증가시킬 수 있는 제미니형 포수제 연구를 수행하였다(Ni et al., 2023). 최근 두 광물의 표면전하 특성의 차이를 이용하여 회중석과 방해석을 분리하기 위한 포수제로 알킬아민 양이온 포수제가 도입되었으나, 전통적인 양이온 포수제인 도데실아민(Dodecylamine, DDA)의 경우 낮은 온도에서 부유선별 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 회중석의 저온 부유선별 포수제로 제미니형 포수제인HDDA(Hexane-1,6-didodecyldimethylammonium bromide)를 사용하여 흡착 메커니즘과 부유선별 특성연구를 수행하였으며, 저온에서도 포수제의 성능과 부유선별 효율이 높은 것으로 확인되었다(Fig. 6).
결 론
텅스텐은 초경합금과 특수강 원료로 많이 사용되는 자원으로, 첨단산업 및 4차 산업으로의 전환에 따라 그 수요가 증가될 것으로 예상된다. 텅스텐은 일부 국가에 편중되어 부존하고 있으며, 생산량의 경우 대부분이 중국에 집중되어 있어 중국에 의한 영향력이 큰 자원 중 하나이다. 특히 우리나라는 텅스텐 원료의 전량을 수입에 의존하고 있어, 텅스텐 자원 확보를 위한 기술개발 및 정책 수립이 필요한 실정이다. 국내에서는 상동지역과 울진지역에 부존되어 있는 텅스텐광을 개발하기 위해 선별 기술 연구가 수행된 바 있으며, 해외에서는 새로운 포수제 개발 및 미립자 처리를 위한 부유선별 연구가 수행되고 있다. 현재 기준 텅스텐 1차 자원의 가채매장량이 40년 정도로 예측되어, 텅스텐을 함유하고 있는 스크랩과 초경합금 등의 2차 자원을 활용하는 연구가 필요하다. 초경합금 스크랩 재활용 연구는 코팅되지 않아 복잡한 처리 과정이 요구되지 않는 초경합금 위주로 재활용이 이루어지고 있다. 또한 최근 첨단로봇, 항공우주 등과 같은 분야에서 수요가 증가하고 있는 텅스텐 제품의 재활용 연구와 재활용된 재생 텅스텐 소재의 고순도화 및 공구화에 대한 연구는 미진한 실정이다. 따라서 향후 1차 자원뿐만 아니라 2차 자원으로부터도 텅스텐을 회수하기 위한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단되며, 앞으로도 국내외 텅스텐 자원의 효율적인 개발과 확보를 위한 지속적인 관심 및 기술개발이 필요할 것으로 사료된다.
