서 론
희소금속 공급망 구조 및 글로벌 리스크 요인
3단계 가치사슬(Up-Mid-Down Stream) 집중도 분석
지정학적·제도적 변수와 공급망 병목현상
글로벌 핵심 원자재 규제 및 재생원료 사용 의무 동향
전방 핵심 청정에너지 기술의 제품군별 희소금속 내재량 산정
전기차 및 이차전지 시스템의 내재량 구조
신재생에너지(풍력·태양광) 및 수소 인프라의 내재량 분석
희소금속 재자원화 공정의 공학적 특성 및 LCA 기반 탄소저감 효과
물리적 전처리 및 건식·습식 제련 공정 비교
1차 생산 대비 도시광산 재자원화의 온실가스 저감률 평가
전 과정 비용 평가(LCC, Life Cycle Costing) 기반 재자원화 공정의 경제적 한계 및 과제
강원특별자치도 특화형 희소금속 재자원화 거점 구축 전략
해외 주요 재자원화 클러스터 성공 사례 및 시사점
권역별 산업단지 연계 및 전략 광종별 분업 모델
지속가능한 클러스터 운영을 위한 법·제도적 연계 전략
결 론
서 론
기후위기 대응과 2050 탄소중립 목표 달성을 위해 에너지 시스템의 패러다임이 화석연료에서 재생에너지와 전기화(Electrification)로 급격히 전환되고 있다(IEA, 2024; World Bank, 2020). 에너지 전환은 태양광 발전, 풍력 터빈, 전기자동차용 이차전지 등 청정에너지 기술의 확산을 견인하고 있으며, 결과적으로 리튬(Li), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 희토류(REEs)를 포함한 핵심 희소금속의 수요 급증으로 이어지고 있다(Fig. 1; IEA, 2024; IRENA, 2023). 세계은행에 따르면 저탄소 경제로 전환하기 위해 요구되는 핵심 광물의 수요는 2050년까지 2018년 대비 500% 이상 증가할 것으로 전망된다(World Bank, 2020). 그러나 핵심광물 자원은 지리적으로 극심하게 편중되어 있을 뿐만 아니라, 특정 국가가 채굴과 정련 단계를 독점하고 있다. 그 결과 자원 민족주의가 대두되고 글로벌 공급망 리스크가 커지면서 산업 전반의 불안정성을 키우고 있다(USGS, 2024; Valero et al., 2018).
Fig. 1.
Projected demand growth for critical minerals driven by the clean energy transition (IEA, 2024).
2023년 발생한 주요국의 광물 수출 통제 조치는 자원 안보가 국가 경쟁력의 핵심임을 명확히 보여주었다(European Commission, 2024). 이에 대응하여 주요 경제권은 미국의 ｢인플레이션 감축법(IRA, Inflation Reduction Act)｣ 및 유럽연합(EU)의 ｢핵심원자재법(CRMA, Critical Raw Materials Act)｣ 등을 통해 역내 조달 비율을 확대하고 있다. 나아가 안정적인 자원 확보를 위해 재자원화를 법적으로 의무화하는 강력한 규제와 지원 정책을 병행하는 추세다(MOTIE, 2023). 대한민국 정부도 2030년 핵심 광물 재자원화 비중을 20%로 대폭 확대하겠다는 구체적인 목표를 설정하였다(MOTIE, 2023). Table 1은 주요 경제권의 핵심 원자재 규제 및 공급망 전략을 비교하였다.
Table 1.
Comparison of regulatory frameworks and supply chain strategies for critical minerals across major economies
천연 광석으로부터 희소금속을 추출하는 1차 제련 공정은 대규모 토양 오염과 수자원 고갈, 그리고 막대한 양의 탄소 배출을 수반한다(Binnemans et al., 2013; Ghisellini et al., 2016). 반면, 폐배터리 및 산업 부산물을 활용하는 재자원화 공정은 전 과정 평가(LCA, Life Cycle Assessment) 측면에서 1차 생산 대비 탄소 발자국을 최대 90% 이상 저감할 수 있는 친환경적 대안으로 평가받고 있다(Binnemans et al., 2013; IEA, 2024). 따라서 도시광산(Urban mining)을 통한 자원 순환 체계의 구축은 탄소중립 달성을 위한 기술적 필수 요건이라 할 수 있다(Kim et al., 2024; Valero et al., 2018).
강원특별자치도는 국내에서 자원 순환 생태계를 성공적으로 구현하기 위한 최적의 거점으로 주목받고 있다. 강원특별자치도는 국내 최대 규모의 석회석 및 비금속 광물 자원 생산지이자 과거 금속 광산 운영의 역사적 경험과 인프라를 보유하고 있어 재자원화 산업 육성의 전략적 요충지로 평가받는다. 이 논문에서는 국제에너지기구(IEA, International Energy Agency), 미국 지질조사국(USGS, United States Geological Survey) 및 산업통상자원부의 핵심 자원 보고서와 자원·환경 분야의 주요 학술 문헌을 중심으로 최신 기술 및 정책을 종합 분석하였다. 글로벌 희소금속 수급 현황과 기술 로드맵을 고찰하고, 주요 전방 산업의 기술별 내재량(Embedded content) 분석을 통해 재자원화의 잠재적 가치를 산정한다. 그리고, 강원권의 지역적 특성을 반영한 희소금속 재자원화 거점 구축 전략을 제시함으로써 국가 자원 안보 확립과 지속가능한 순환경제 실현을 위한 학술적 및 정책적 토대를 마련하고자 한다.
희소금속 공급망 구조 및 글로벌 리스크 요인
3단계 가치사슬(Up-Mid-Down Stream) 집중도 분석
우리나라 국가희소금속센터에서는 기술혁신에 수반되는 산업적 수요를 고려하여 총 35종(56개 원소)을 희소금속으로 정의하고 있다(MOTIE, 2023). 희소금속의 가치사슬은 광석을 채굴하는 산업인 상류(Upstream), 원광을 정련·가공하여 중간재를 생산하는 중류(Midstream), 그리고 최종 소재·부품을 제조하는 하류(Downstream)의 3단계 구조로 분류된다. 현재 글로벌 희소금속 공급망의 가장 심각한 구조적 취약성은 가치사슬 전 단계에 걸쳐 특정 국가에 대한 지리적 편중도가 극단적으로 높다는 점이다.
상류 단계의 경우, 코발트는 전 세계 생산량의 약 74%가 콩고민주공화국(DRC) 단일국에 집중되어 있으며, 니오븀(Nb) 또한 브라질이 세계 공급량의 90% 이상을 독점하고 있다. 리튬은 호주의 스포듀민(Spodumene) 광산과 남미 리튬 삼각지대(칠레, 아르헨티나)의 염호에 채굴 기반이 양분되어 있다(USGS, 2024).
더욱 심각한 병목현상은 중류 부문인 정련·가공 단계에서 발생한다. 호주나 남미에서 채굴된 리튬 원광(염수 및 스포듀민)이 최종 배터리급 수산화리튬과 탄산리튬으로 정제되는 과정의 60% 이상을 중국의 제련 인프라에 의존하고 있다(IEA, 2021). 영구자석과 고강도 합금의 핵심인 희토류와 텅스텐(W)도 중류 부문의 가공 단계의 80~90%를 중국이 지배하고 있어 원광 생산지의 다변화 노력만으로는 가치사슬의 구조적 리스크를 해소하는 데 명확한 한계가 존재한다(IEA, 2021). 주요 핵심 광물별 공급망 독점 현황은 Table 2에 요약하였다.
Table 2.
Concentration of extraction (upstream) and refining (midstream) processes for major critical minerals
지정학적·제도적 변수와 공급망 병목현상
높은 지역 편중도는 지정학적 갈등이 발생할 때 자원 무기화 수단으로 직결된다. 2023년 중국 정부가 단행한 갈륨(Ga) 및 게르마늄(Ge)에 대한 안보 심사 목적의 수출 허가제 도입은 글로벌 반도체 및 광통신 공급망에 직접적인 충격을 가한 대표적 사례이다(IEA, 2024; MOTIE, 2023). 백금족금속(PGMs)의 일종인 팔라듐(Pd)은 러시아가 세계 공급량의 40%를 차지하고 있어 해당 국가의 지정학적 리스크가 자동차 촉매 시장의 불확실성을 크게 가중시키고 있다(USGS, 2024).
대외적 자원 무기화 외에도 환경·사회·지배구조 규제의 심화는 새로운 무역 장벽이자 공급망의 병목 요인으로 작용한다. 유럽연합의 기업 지속가능성 실사 지침(CSDDD, Corporate Sustainability Due Diligence Directive)과 OECD의 분쟁 광물 가이드라인은 콩고민주공화국의 코발트 채굴 과정에서 발생하는 아동노동과 같은 인권 침해 문제가 결부된 광물의 역내 유입을 원천 차단하고 있다(European Commission, 2024). 특히 유럽연합의 배터리 규제에 따른 원산지 탄소발자국 공개 및 재활용 원료 함량의 단계적 법정 의무화는 단순 자원 확보 비용 상승을 넘어, 원료 조달 체계 전반의 폐쇄고리형(Closed-Loop) 전환을 강제하고 있다. 따라서 대외 의존도가 90%를 상회하는 국내 전방 산업의 안정성을 담보하기 위해서는 국내 유휴 폐자원으로부터 자원을 상시 회수하는 도시광산 및 재자원화 인프라 구축이 시급하다(MOTIE, 2023). Fig. 2는 글로벌 공급망 병목 요인과 폐쇄고리형 시스템 구축의 전략적 필요성을 도식화하였다.
글로벌 핵심 원자재 규제 및 재생원료 사용 의무 동향
자원 민족주의의 확산에 대응하여 글로벌 주요 경제권은 역내 공급망 자립화를 위한 강력한 법적 규제를 앞다투어 도입하고 있다. 유럽연합은 2024년 핵심원자재법을 발효하여 역내 소비량의 15% 이상을 재활용을 통해 조달하도록 규정하였다. ｢EU 배터리법(EU Battery Regulation)｣을 통해 2031년부터 산업용과 전기차용 배터리 제조 시 코발트 16%, 납 85%, 리튬 6%, 니켈 6% 이상의 재생원료 사용을 법적으로 의무화하였다(European Commission, 2024). 이러한 재생원료 의무 함량 비율은 점진적으로 상향될 예정이다.
미국은 인플레이션 감축법을 통해 배타적인 공급망 블록화 전략을 취하고 있다. 자국 및 자유무역협정(FTA) 체결국에서 추출·가공되거나 북미 내에서 재활용된 핵심 광물을 일정 비율 이상 사용한 전기차에 대해서만 보조금을 지급하는 방식이다(IEA, 2024). 우리나라도 ｢국가자원안보 특별법｣을 제정하고 핵심 광물 재자원화 비중을 2030년까지 20%로 확대하는 목표를 수립하였다(MOTIE, 2023). 이와 같은 주요국의 입법 동향은 재자원화가 단순한 친환경 구호를 넘어 글로벌 시장 진출을 위한 필수 무역 기술 장벽(TBT, Technical Barrier to Trade)으로 작용하고 있음을 시사한다.
전방 핵심 청정에너지 기술의 제품군별 희소금속 내재량 산정
전기차 및 이차전지 시스템의 내재량 구조
도시광산의 잠재 가치를 정량적으로 평가하려면 제품 단위당 핵심 금속 내재량의 명확한 산정 기준이 필수적이다. 이 연구에서는 국제에너지기구의 청정에너지 기술 데이터베이스와 미국 아르곤 국립연구소의 배터리 성능·비용 산정 모델(BatPaC)을 기초 자료로 활용하였다. 이를 국가희소금속센터 및 한국자원순환정보센터의 기술 인벤토리(Inventory)를 통해 교차 검증하였다. 최종적으로 선행 연구들의 부품 구조 분해(BOM, Bill of Materials) 데이터와 양·음극 활물질의 화학적 조성비를 종합 및 재산정하여 단위당 핵심 희소금속 내재량을 분석하였다.
차세대 핵심 산업인 전기차 및 리튬이온 배터리 부문에서는 양극재(NCM811) 배터리를 대표적인 기준 시스템으로 설정하였다. 최근 상용화가 확대되고 있는 리튬인산철(LFP, Lithium Iron Phosphate) 및 NCA(Nickel Cobalt Aluminum) 양극재 등 다양한 배터리 시스템에 대해서도 향후 유사한 분석이 필요하나, 본 연구에서는 범용적인 60 kWh급 표준 전기차 배터리팩을 기준으로 중량 배분율과 구조재 품목을 역산하였다(Nelson et al., 2020). 그 결과, 배터리팩 1대당 핵심 금속 내재량은 리튬 8~10 kg, 코발트 8~9 kg, 니켈 35~40 kg, 망간(Mn) 8~10 kg으로 파악되었다. 전류집전체용 구리(Cu) 40~50 kg과 음극재용 흑연(Graphite)은 60~70 kg을 포함하면, 폐배터리팩 단일 품목만에서만 총 100 kg 이상의 고부가 자원이 내재되어 있음을 확인하였다(Nelson et al., 2020). 광물 품위 하락에 따른 기하급수적인 엑서지(Exergy) 파괴와 온실가스 배출을 고려할 때, 도시광산은 물리화학적 한계에 따른 자원 병목현상을 타개할 필수 대안이다. 또한, 산정 모델 기반의 내재량 분석은 향후 하이니켈(High-Ni) 및 코발트-프리(Cobalt-free) 양극재로의 패러다임 전환에 따른 금속 수요의 역동적 변동성을 내포하므로, 전방 산업 기술 진화에 즉각적으로 대응할 수 있는 동적 공정 설계가 요구된다.
이와 함께 구동축의 핵심인 영구자석 동기모터(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)의 BOM 데이터 분석을 병행하였다. 이를 위해 단위 출력(kW)당 요구되는 자석 중량과 고온 환경에서 보자력(Coercivity) 유지를 위한 중희토류 배분율을 고려하였다. NdFeB 영구자석형 모터 1대당 내재량을 재산정한 결과, 네오디뮴(Nd) 1.5~2.5 kg, 프라세오디뮴(Pr) 0.3~0.5 kg, 디스프로슘(Dy) 0.2~0.3 kg 수준으로 나타났다(Pavel et al., 2017). 이는 자원 순환 전략을 수립할 때, 이차전지뿐만 아니라 구동모터 내 희토류 회수 체계도 반드시 연계되어야 함을 시사한다. Table 3은 구동모터 및 주요 부품의 상세 내재량 수치를 요약한 것이다.
Table 3.
Quantified embedded metal content per unit of an electric vehicle based on a bill of materials (BOM) analysis
신재생에너지(풍력·태양광) 및 수소 인프라의 내재량 분석
대규모 재생에너지 발전 설비는 단위 발전 용량당 핵심 광물 소비량이 기존 화석연료 발전 대비 수 배에서 수십 배에 달한다. 향후 설비의 해체 주기가 도래하면 대규모 고부가 도시광산 자원으로 기능하게 된다.
국제에너지기구 및 글로벌 핵심 원자재 인벤토리를 분석한 결과, 3 MW급 직접구동형(Gearless) 풍력터빈 1기에는 막대한 양의 희소금속이 내재되어 있다. 영구자석용 희토류의 경우 네오디뮴 500~600 kg, 프라세오디뮴 100~120 kg, 디스프로슘 50~80 kg이 포함되며, 권선 코일용 구리는 4~5 t 규모에 이른다.
Carrara et al.(2020)의 연구에 따르면, 대표 사례인 태양광 발전 시설(1 MWp 기준)도 고가치 회수 잠재력이 매우 높다. 기본 반도체 기판이 되는 고순도 폴리실리콘(Si)은 3~5 t이 포함되어 있으며, 전극 페이스트용 은(Ag)은 30~50 kg 가량 내재된 것으로 파악되었다. 수소경제의 근간이 되는 100 kW급 수소연료전지 스택 1대당 내재량은 백금(Pt)은 10~30 g, 수전해용 촉매를 포함할 시 이리듐(Ir)은 2~10 g 수준으로 조사되었다(Carrara et al., 2020). 주요 설비별 핵심 광물 내재량은 Table 4에 요약하였다.
Table 4.
Quantified embedded metal and material content per unit of renewable energy and hydrogen infrastructure systems
희소금속 재자원화 공정의 공학적 특성 및 LCA 기반 탄소저감 효과
물리적 전처리 및 건식·습식 제련 공정 비교
희소금속 재자원화 기술 체계는 전처리와 후처리 공정으로 구분된다. 전처리 단계는 물리적 선별을 통해 유용 금속 농축물(Black Mass, 자석 분말 등)을 농축하는 과정이다. 이 단계에서는 파쇄물의 입도 제어와 비중·자력·정전 선별 기술을 조합하여 금속 농축률을 90% 이상으로 확보하는 광물처리공학적 최적화가 필수적이다. 이후 순도 금속 원소를 회수하는 후처리 핵심 제련 기술은 건식 제련법(Pyrometallurgy)과 습식 제련법(Hydrometallurgy)으로 구분되며, 각 공정의 주요 공학적 특성 및 장단점은 Table 5와 같이 비교할 수 있다(Harper et al., 2019).
Table 5.
Comparison of engineering parameters between pyrometallurgical and hydrometallurgical processes for critical mineral recycling
| Engineering Parameters | Pyrometallurgical Process | Hydrometallurgical Process |
| Operating temperature and energy |
High-temperature smelting (1,200–1,500℃) |
Low-temperature reaction (RT to < 100℃) |
| Metal separation selectivity |
Selective recovery of Co, Ni, and Cu (Li is lost into slag) |
Individual separation and purification of multiple metals (Li, Co, Ni, Mn, REEs, etc.) |
| Recovery purity and TRL |
Recovered in alloy form requiring further refining (TRL 8) |
Direct crystallization with high purity (≥ 99.9–99.99%) (TRL 8–9) |
| Environmental impact characteristics | Significant generation of air pollutants and GHG from coal-based reduction reactions | Generation of neutralized wastewater and acidic residues (Currently mitigated by eco-friendly solvents) |
최근의 공정 기술은 기존 무기산(황산, 염산 등) 침출 공정의 높은 환경 부하와 폐수 처리에 따르는 기술적 한계를 극복하기 위해 진화하고 있다. 이를 위해 건식 제련의 장점(대량 용융 처리)과 습식 제련의 장점(고순도 금속 회수)을 결합하거나, 고도화된 물리적 전처리와 다단 습식 침출을 연속적으로 연계하는 하이브리드 제련 공정이 적극 도입되고 있다. 세부적으로는 이온성 액체(ILs, Ionic Liquids) 및 심층 공융 용매(DES, Deep Eutectic Solvents) 등 저탄소·친환경 유기 용매를 습식 공정에 적용하는 추세이다. 이러한 하이브리드 공정을 통해 기존 무기산을 활용한 제련 방식 대비 공정 중 발생하는 폐수 및 화학적 유해 물질 배출을 70~80% 이상 저감할 수 있다(Tran et al., 2019).
그러나 친환경 습식 공정도 실증 단계에서 새로운 기술적 병목현상에 직면해 있다. 주된 원인은 전처리 과정에서 유입되는 알루미늄과 구리 포일의 미세 찌꺼기, 전극 바인더용 폴리불화비닐리덴(PVDF, Polyvinylidene Fluoride) 성분이다. 이 물질들은 용매의 침출 효율을 급격히 저하시키고 불순물 정제 공정의 부하를 가중시킨다. 앞서 언급한 심층 공융 용매는 친환경적 이점에도 불구하고 무기산 대비 점도가 매우 높다. 그 결과, 대량의 고체 분말을 처리하는 스케일업 과정에서 물질 전달 효율이 떨어지는 구조적 한계를 지닌다(Chen et al., 2015).
향후 핵심 광물 및 자원 순환 분야의 R&D는 다음 두 가지 핵심 기술의 상용화에 집중되어야 할 것이다. 첫째, 화공약품 사용을 최소화하면서도 물질 전달 저항을 극복할 수 있는 초음파 및 마이크로파 병합 침출 기술의 도입이다(Yan et al., 2021). 둘째, 양극재 구조를 파괴하지 않고 리튬만을 보충하여 즉시 재사용하는 직접 재활용 기술의 고도화이다(Harper et al., 2019).
1차 생산 대비 도시광산 재자원화의 온실가스 저감률 평가
공학적 공정 단순화를 통한 에너지 절감은 전 과정 평가 관점에서 획기적인 탄소 발자국(Carbon Footprint) 저감 효과와 직결된다. 천연 원광의 채굴 및 1차 광업 제련 공정은 광석 품위 저하로 인해 막대한 전력이 소모된다. 광석의 파·분쇄 및 부선 선별 공정이 강제됨에 따라 전력 집약도가 급증하며 대규모 온실가스를 배출하게 된다. 반면 도시광산에서 회수한 고농축 스크랩을 재자원화하면 원광 생산 단계의 극단적인 환경 부하를 완전히 배제할 수 있다. 결과적으로 회수 대상 금속의 종류와 적용된 세부 재자원화 공정에 따라 차이는 있으나, 1차 생산 대비 55~95% 범위의 온실가스 배출 저감률을 달성할 수 있다. Fig. 3은 천연 원광 기반의 1차 생산 공정과 폐자원을 활용한 도시광산 재자원화 공정 간의 환경 부하 및 에너지 소비 흐름을 비교하여 도식화한 것이다.
주요 희소금속별 전 과정 평가 선행 문헌(Ciez and Whitacre, 2019; Dunn et al., 2015)에 보고된 실증 데이터를 고찰하였다. 해당 문헌들은 시스템 경계를 광석 채굴부터 소재 출하(Cradle-to-Gate)로 설정하여, 천연 원광을 이용한 1차 제련과 습식 재자원화 공정 간의 환경 부하를 비교·분석하였다. 고찰 결과, 탄산리튬(Li2CO3) 1 kg을 1차 생산할 때는 약 15~18 kgCO2eq의 온실가스가 배출되는 것으로 나타났다. 반면 습식 재자원화 공정을 적용해 배터리급 리튬을 회수할 경우 배출량은 3~4 kgCO2eq 수준으로 급감하여 약 70~80%의 저감 효과를 보였다. 니켈과 코발트 역시 재활용 공정 도입 시 각각 55~66%, 55~65%의 높은 탄소 저감률이 확인되었다. 구동모터 및 풍력터빈용 NdFeB 영구자석의 핵심 희토류 원소들 또한 도시광산에서 회수할 경우 1차 생산 대비 약 60~70%의 온실가스 저감 효과를 갖는 것으로 분석되었다.
백금족금속은 천연 원광의 채굴 품위가 3~5 g/t에 불과하다. 낮은 채굴 품위때문에 백금 1 kg 생산 시 평균 25~30 t의 이산화탄소(tCO2eq)가 발생하는 극단적 탄소 집약적 구조를 지닌다. 그러나 폐연료전지 및 폐촉매의 용매 추출 공정을 거쳐 백금을 회수할 경우, 온실가스 배출량은 1.5 t 내외로 급감한다. 이는 약 95%의 탄소 절감 효과를 확보할 수 있음을 증명한다(Hagelüken, 2012).
전 과정 비용 평가(LCC, Life Cycle Costing) 기반 재자원화 공정의 경제적 한계 및 과제
재자원화 공정은 전 과정 평가 측면에서 압도적인 온실가스 저감 효과를 지닌다. 그러나 실제 산업 현장으로의 전면적인 스케일업을 가로막는 핵심 병목현상은 전 과정 비용 평가 관점의 경제성 변동성이다. 도시광산 산업의 채산성은 런던금속거래소(LME) 등 글로벌 원자재 시장의 1차 광물 가격 변동에 극도로 민감하게 반응한다. 리튬 및 니켈 가격의 급락은 폐배터리 파쇄물(블랙 매스)의 매입 단가와 회수 금속의 판매 단가 사이의 마진율을 급격히 축소시켜 재활용 기업의 수익성 악화를 초래하기도 하였다.
공학적 측면에서도 초기 투자비용(CAPEX, Capital Expenditure)과 운영비용(OPEX, Operating Expenditure)간의 트레이드오프(Trade-off)가 존재한다. 건식 제련 공정은 대규모 용융로 설비 구축에 막대한 투자비용이 소요되며 지속적인 전력 비용 부담이 크다. 습식 제련 공정은 초기 설비 투자비는 상대적으로 낮으나 다량의 무기산(황산, 염산 등) 사용에 따른 중화 및 폐수 처리 비용(운용비용)이 지속적으로 발생한다(Gaines, 2018).
따라서 강원권과 같은 광역 단위의 대규모 재자원화 클러스터를 조성할 경우, 경제적 자생력 확보가 최우선 과제이다. 1차 금속 가격 하락 시기에도 흔들림 없이 생존할 수 있도록 공정 효율을 극대화해야 하며, 슬래그나 폐수 등 부산물 처리 비용을 최소화할 수 있는 기술적·경제적 최적화 모델 구축이 반드시 수반되어야 한다.
강원특별자치도 특화형 희소금속 재자원화 거점 구축 전략
해외 주요 재자원화 클러스터 성공 사례 및 시사점
강원권 특화형 클러스터의 성공적인 구축을 위해서는 가치사슬이 완벽하게 집적된 글로벌 선도 사례를 벤치마킹할 필요가 있다. 대표적으로 유럽 최대의 배터리 기업인 스웨덴 노스볼트(Northvolt)의 사례를 들 수 있다. 이들은 북부 셀레프테오(Skellefteå) 지역에 리볼트(Revolt) 재활용 공장을 구축하였다. 이 과정에서 주목할 점은 인근의 수력 발전 등 100% 신재생에너지를 공정 전력으로 활용하여 세계 최고 수준의 저탄소 배터리 원료를 생산하고 있다는 것이다(Neumann et al., 2022).
벨기에의 유미코아(Umicore)는 안트베르펜(Antwerp) 항구 인근 호보켄(Hoboken) 단지에 대규모 하이브리드 제련 허브를 구축하였다. 이 허브는 건식과 습식 제련 공정이 통합된 형태이다. 이들은 항만 물류망을 통해 전 세계에서 스크랩을 대량으로 수입한다. 이후 단일 단지 내에서 용융 및 습식 침출을 연속적으로 수행하여, 물류비용과 열에너지 손실을 획기적으로 최소화하였다(Brückner et al., 2020; Hagelüken, 2012). 위의 해외 성공 사례는 강원특별자치도의 정책적 방향성에 중요한 시사점을 제공한다. 강원권은 풍부한 신재생에너지 인프라와 동해안의 핵심 항만 물류망(동해항, 옥계항 등)을 보유하고 있다. 물리적 인프라에 더해 광역 단위의 산학연 협력 체계 구축이 필요하다. 즉, 도내 소재한 대학 및 연구기관의 역량을 하나로 결집하여 산업계와 유기적으로 연계해야 한다. 산학연관의 역량을 하나로 결집하고 뒷받침할 실효성 있는 정책을 수립함으로써, 강원권이 글로벌 수준의 희소금속 재자원화 융복합 클러스터로 도약할 수 있는 기틀을 마련하고자 한다.
권역별 산업단지 연계 및 전략 광종별 분업 모델
강원특별자치도의 풍부한 비금속 광업 자산, 제련 인프라 그리고 동해안 항만 물류망을 유기적으로 결합하기 위해 권역별 산업단지와 연계된 ‘전략 광종별 분업화 클러스터 모델’을 제안하고자 한다. 이 논문에서 강원권의 지리적·산업적 특성을 고려하여 3대 특화 지구를 설계하였다. 이 클러스터는 전처리부터 최종 소재화까지 가치사슬 전반이 긴밀하게 연결되는 구조를 지니며, 구체적인 역할은 다음과 같다(Fig. 4).
첫째, 서부권(원주·횡성)은 ‘전주기 전처리 허브’ 기능을 수행한다. 이 지역은 수도권 폐자원 유입의 지리적 이점을 극대화하여 ICT 기반의 스마트 수거 및 집하 네트워크를 구축하기에 적합하다. 상호 인접한 전기차 모빌리티 산업 인프라와 융합하여 사용 후 배터리 및 고용량 ESS의 안전 방전, 정밀 해체, 물리적 전처리 공정을 집중적으로 담당하게 된다.
둘째, 동해안권(강릉·동해·삼척)은 ‘대규모 하이브리드 제련 및 청정에너지 자원화 실증 단지’로 기능한다. 서부권 공정을 통해 생산된 고부가가치 중간재(블랙 매스)는 동해안권으로 이송된다. 이곳에 집적된 대규모 비철금속 제련 단지와 항만 물류망을 기반으로 고순도 리튬·니켈·코발트를 최종 분리(습식·건식 제련)하게 된다. 나아가 하이브리드 제련 단지는 구연산(Citric acid)과 친환경 환원제 기반의 순환 침출(Circulatory leaching) 공정을 전면 도입하며, 침전 후 폐액을 재사용함으로써 부산물로 무해한 물과 산소만을 배출하는 넷제로(Net-Zero) 폐쇄고리를 실현해야 한다. 또한, 도내 풍부한 신재생에너지 인프라와 결합하여 폐태양광 모듈로부터 은을 선택적으로 용출하고 실리콘을 정제 및 업그레이드하는 자원화 단지를 일체화할 수 있다.
셋째, 남부권(영월·태백)은 ‘재생 텅스텐 순환벨트 및 차세대 영구자석 파일럿 라인’을 집적화한다. 영월 상동광산이 보유한 세계적인 텅스텐 매장량 및 천연자원 가치사슬을 국내 기계·공구 산업의 초경합금 스크랩 수거 공정과 결합한다. 이를 통해 저탄소 파라텅스텐산 암모늄 및 메타텅스텐 암모늄 화학 제련과 재생 분말 생산으로 이어지는 대규모 순환벨트를 구축한다(KIGAM, 2023). 순환벨트 구축과 함께 영구자석 폐자원을 수소박리(HDDR, Hydrogenation Disproportionation Desorption Recombination) 공법으로 처리하여 차세대 재생 자석으로 직결하는 ‘Magnet-to-Magnet’ 파일럿 실증 라인을 집적한다(Binnemans et al., 2013). 위의 세 가지 전략으로 각 세부권역이 상호 보완적으로 작동하게 함으로써 강원권은 완성형 희소금속 자원순환 생태계 정립에 기여할 수 있다.
지속가능한 클러스터 운영을 위한 법·제도적 연계 전략
강원권 3대 특화 지구가 공학적 청사진을 넘어 실제 산업적 성과로 이어지기 위해서는 파편화된 규제를 해소할 법·제도적 지원 모델이 반드시 결합되어야 한다. 현재 재자원화 공정의 주원료인 블랙 매스나 광물 스크랩은 현행 ｢폐기물관리법｣상 지정폐기물로 분류되는 경우가 많다. 이로 인해 권역 간 이송 및 보관에 엄격한 규제를 받게 되며 결과적으로 막대한 물류비용의 급증으로 이어진다.
이러한 구조적 한계를 타개하기 위해, 강원특별자치도는 2025년 본격 시행된 ｢국가자원안보 특별법｣ 제18조에 명시된 ‘재자원화산업클러스터’ 지정을 최우선 과제로 추진하여야 한다. 클러스터 지정을 통해 폐기물 운반 및 처리에 관한 규제 샌드박스 특례를 우선적으로 적용할 필요가 있다. 이와 연계하여 ｢순환경제사회 전환 촉진법｣ 상의 순환자원 인정제도를 선제적으로 도입함으로써 전처리 중간재를 폐기물이 아닌 자원으로 신속히 지위 전환(End-of-Waste)시켜야 한다.
마지막으로 강원권 소재 대학 및 지역 연구기관들을 하나로 묶는 연구개발 통합 거버넌스 구축이 필수적이다. 원천 기술 개발부터 까다로운 환경 인허가, 나아가 상용화 실증까지 원스톱(One-stop)으로 지원하는 제도적 마스터플랜이 조속히 확립되어야 한다.
결 론
이 연구는 글로벌 탄소중립 이행에 따른 핵심 원자재 공급망 리스크를 진단하고, 대응 수단으로 희소금속 재자원화의 필요성을 확인하였다. 재자원화 기술의 공학적·경제적 특성과 강원권 중심의 거점 구축 전략을 종합적으로 고찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 특정 국가의 광물 공급망 독점과 미국 및 유럽연합 중심의 강력한 핵심 원자재 규제(인플레이션 감축법, 핵심원자재법)는 국가 자원 안보와 전방 산업을 직접적으로 위협하고 있다. 이 위협을 극복하기 위해서는 핵심 원자재의 대외 의존도를 낮추고 가치사슬 전반을 국내 폐자원 기반의 폐쇄고리형 순환경제로 재편하는 도시광산 산업의 고도화가 시급하다.
둘째, 청정에너지 기술 제품군의 금속 내재량 분석을 통해 폐배터리와 모터, 신재생 설비가 고가치의 도시광산 자원임을 실증하였다. 친환경 유기 용매를 적용한 저탄소 하이브리드 제련 공정은 1차 제련 대비 온실가스 배출량을 60~95%까지 획기적으로 저감할 수 있다. 성공적인 상용화를 위해서는 광물 가격 변동성에 대응하는 전 과정 비용 평가 최적화와 불순물 유입 및 용매 점도 상승 등 기술적 병목현상을 타개하기 위한 혁신적인 연구개발이 지속되어야 한다.
셋째, 해외 선도 클러스터 벤치마킹과 강원특별자치도의 지역적 특성을 결합하여 3대 특화 지구(서부권, 동해안권, 남부권) 중심의 권역별 분업 모델을 제시하였다. 원주·횡성의 전주기 전처리 허브, 강릉·동해·삼척의 융복합 제련 및 항만 연계 단지, 영월·태백의 재생 텅스텐 벨트 및 영구자석 거점을 상호 연계한 이 모델은 공정 간 물류와 효율을 극대화한 자립형 순환경제 솔루션이다.
넷째, 강원권 3대 특화 거점은 단순한 지리적 분업을 넘어, 유기적인 법·제도적 융합을 통해 국가 자원 안보 및 경제적 시너지를 극대화해야 한다. 우선 ｢국가자원안보 특별법｣에 근거하여 동해항 등을 위기 시 핵심 자원을 통제하는 국가 전략 비축 기지로 격상시켜야 한다. 또한, 규제 샌드박스를 통해 전처리 중간재(블랙 매스 등)에 순환자원 인정제도를 적용함으로써 권역 간 물류에 수반되는 인허가 지연과 한계비용을 원천 소거해야 한다. 나아가 글로벌 핵심원자재법 등 무역 장벽을 역이용하여, 100% 친환경 제련을 거친 원자재를 글로벌 시장에 최고가로 공급하는 초저탄소 프리미엄 창출 허브로 도약해야 한다.
결론적으로 본 연구에서 고찰된 데이터 기반의 권역별 거점 구축과 공학적·제도적 통합 접근법은 향후 국가 핵심 원자재 자급률 제고는 물론, 강원권 특화 신산업 창출을 통한 지역 순환경제 활성화를 유도하는 데 중요한 학술적 이정표가 될 것이다.
