희토류자석의 자원순환 활성화를 위한 폐자원흐름의 분석

Abstract

The unique physical and chemical properties of rare earth elements (REE) make them indispensable and irreplaceable in the field of green energy technology. Despite rapid increases in our REE demand, the restricted and instable supplies of raw resources highlight the importance of recycling. In particular, neodymium-permanent magnets (Nd(Dy)-Fe-B Magnets) have the necessity and potential to be recycled given their high criticality and important roles in various high-tech fields as well as the characteristics of being selectively disengaged from the assemblies in which they are used. This study focused on secondary material flow (downstream) of Nd(Dy)-Fe-B Magnets, albeit rather approximately, in South Korea. The quantitative information includes the primary data of each category (Emission - Collection - Disengagement - Resource Recovery - Remanufacturing) with domestic recycling situations of the magnets, which can contribute to more effective policy-making. The target wastes selected in this study primarily include large-sized waste electrical and electronic equipments such as air-conditioners, washing machines, refrigerators, and end-of-vehicles including hybrid electric vehicles (HEVs). As a result of secondary material flow analysis, this study provides the primary data of Nd and Dy at each stage and inhibiting factors (bottle-neck) of Nd-Fe-B Magnets recycling in South Korea. At the stage of Emission, Nd 55.2t~83.7t, Dy 10.4t ~ 13.5t was emitted in 2012. In particular, the sum of the Nd and Dy from air-conditioners and washing machines account for a large proportion(54.0 to 61.0% of the total quantity). The amount of Nd and Dy that can be collected within institutional recycling systems is only half of the total Emission amount. It is assumed that the remaining Nd and Dy are collected by non-institutional business like junk shops or air-conditioner installers. At the Disengagement stage, there is no company that disengages Nd-Fe-B magnet from collected electric appliances or ELVs. This is regarded to be a main bottle-neck of Nd-Fe-B magnets recycling due to the complex designs of Nd-Fe-B magnets, which also involve various components and high labor cost. In addition, the high magnetic force of Nd-Fe-B magnets makes automatic disengagement difficult and non-economic. At both the Resource Recovery and Remanufacturing stage, there is no company participating in the recovery or remanufacturing of Nd-Fe-B magnets. Some urban mining companies are preparing for REE magnet recycling, but they have difficulties in maintaining a stable supply of materials (like Nd-Fe-B magnet solid scrap or powder scrap) required for recycling.

희토류는 첨단 제품에 필수적으로 들어가는 소재로서 산업 측면뿐만 아니라 자원의 편중성에서 비롯된 국가 차원의 자원안보 면에서도 그 중요성이 거듭 강조되고 있다. 이를 얼마나 잘 확보하느냐가 국가 경쟁력 강화에 중요한 관건이라 할 수 있으며, 미국, 중국, 일본, 유럽에서는 희토류가 갖는 다양한 차원의 중요성에 주목하여 자원의 원활한 확보와 이를 통한 공급리스크 완화를 위해 전략적인 움직임을 보이고 있다. 주요국 별로 희토류 자원 리스크를 극복하고자 하는 노력은 각 국이 직면한 자원 부존 상황 및 기술력 등에 따라 조금씩 차이가 있으나, 크게 세 가지 - ① 광산 발굴 및 채취, ② 희토류 저감 및 대체기술 개발, ③ 폐희토류 제품에서 희토류 금속 회수 및 재활용 - 로 요약할 수 있다. 국내외 희토류 수급 특징 및 희토류자원 위기관리 상황 등을 종합해 보면 미국과 일본은 자원 매장량이나 대체재 개발과 같은 다른 선택대안이 있는 반면, 우리나라는 선택권이 매우 제한적이며 희토류자석 재활용을 위한 자원순환 관리 인프라 구축이 상대적으로 매우 중요함을 확인할 수 있다. 하지만, 국내에는 희토류 순환자원에 대한 통계가 부족하여 희토류 수급과 가격불안에 대응하기 위한 관리 기반이 열악한 상황이므로 폐자원흐름(하부흐름)에 대한 보다 구체적인 접근이 필요하다. 현재 폐희토류 금속이 국내에서 어떻게 재활용되며 유통 및 수급되는지에 대한 현황자료가 거의 전무하며, 대부분의 재활용 통계는 폐기 부문으로 투입되는 기점을 기준으로 하고 있어 실제 어느 정도가 재활용품으로 생산되어 어느 부문에 사용되는지에 대해서는 파악이 어려운 상황이다. 따라서 배출 이후 단계에서의 폐자원흐름 분석을 통해 기초통계 자료를 확보하고, 이를 바탕으로 향후 폐희토류의 자원순환을 활성화하기 위한 정책 마련에 기여하고자 한다. 현재 국내 희토류는 영구자석에 대한 수요가 대부분이며, 중장기적으로도 응용분야가 많아 금후에도 발전이 기대되는 소재이다. 이에, 17종 희토류(국내 분류기준) 중 특히 네오디뮴(Nd)과 디스프로슘(Dy)을 대상으로 하여 희토류자석의 폐자원흐름에 대한 기초자료를 구축하고 각 단계별 현황 분석을 기반으로 폐희토류 재활용 육성을 위한 토대 및 여건을 파악하였다. 또한, 재활용 저해인자를 찾아 폐희토류의 관리통계 기반을 개선하고 향후 현장을 반영한 재활용 활성화 정책방안 설계에 기여하는 것을 목표로 한다. 본 연구에서는 희토류자석의 폐자원흐름 분석을 위해 개념적으로 (1) 배출 (2) 수거 (3) 분리/해체 (4) 자원회수 (5) 제품생산 다섯 단계로 구분하였다. 각 단계별로 희토류자석의 폐자원흐름을 파악하고 이를 Nd, Dy 물질과 관련한 기초통계 자료로 환산하였다. 또한, 희토류자석의 자원순환 활성화 차원에서 국내 산업 현장의 여건을 분석하고 희토류자석의 자원순환을 저해하는 인자를 살펴보았다. 우선, 배출 - 수거 - 분리/해체 - 자원회수 - 제품생산 각 단계별 현황 및 폐자원흐름을 분석한 결과는 다음과 같다. 첫째, 배출 단계에서는 가정과 사업장의 다종 소비자군에서 발생되는 폐가전 제품과 폐자동차 내 포함된 양과 단종 소비자군인 희토류자석 생산업체나 모터 제작업체에서 배출되는 스크랩 두 유형으로 구분하여 물질흐름을 조사하였다. 현재 우리나라 희토류자석의 주요 배출원은 다종 소비자군이다. 한편, 단종 소비자군의 경우 국내 Nd, Dy 사용 희토류자석(Nd 자석) 생산업체가 부재한 상황이며, 희토류자석을 원하는 모양으로 주문하여 성형을 마친 상태로 수입하여 모터 등에 바로 조립하므로 연삭분말 및 공정 스크랩이 거의 없음을 확인할 수 있었다. 다종 소비자군으로부터 배출되는 폐가전 제품으로는 냉장고, 세탁기, 에어컨과 같은 대형가전을, 폐자동차는 일반자동차와 하이브리드 자동차(HEV)를 대상으로 하였다. 이들을 대상으로 한 이유는 첫째, 국가통합자원관리시스템에서 분석한 Nd와 Dy의 상부흐름에 따르면 완제품의 형태로 수입되는 희토류자석이 주로 자동차와 일반가전용 모터에 사용되는 것으로 나타났으며, 둘째, 해당 제품군에 투입하는 희토류물질은 10g 이상으로 제품 한 대를 재활용할 때 폐희토류자석 투입 원료의 일정량을 회수할 가능성이 높을 것으로 판단되기 때문이다. 이들 제품을 대상으로 배출원별 Nd, Dy 물질량 환산을 위하여 먼저, 폐전기전자 제품과 폐자동차 각각의 배출량(Ai)을 추정하였다. 그 다음 폐제품 대당 Nd 자석을 사용하는 부품이 탑재되어 있는 제품의 비율(탑재율, Bi)을 추정하고 탑재한 폐제품 내 대당 Nd와 Dy 물질 함유량(원단위, Ci)을 추정하였다. 이를 바탕으로 국내에서 배출되는 각 제품별 Nd와 Dy의 물질 총량(Di = Ai × Bi × Ci)을 도출할 수 있었다. 폐전기전자 제품의 경우에는 각 품목별 가정과 사업장 배출비율을 이용하여 각각 배출원에서의 배출량을 추정하였다. 한편, 폐자동차의 경우 자동차관리법 상 자동차 소유자, 자동차해체 재활용업자, 수출업자 모두에게 등록의무를 부여하고 있어 국내 폐차 말소등록 현황을 통해 배출량을 추정하였다. 그 결과, 가정과 사업장에서의 폐전기전자 제품별 배출량 추정치는 폐에어컨, 세탁기, 냉장고의 순으로 많음을 확인할 수 있었다. 또한, 폐자동차의 경우에는 배출량 대부분 제도권에서 집계할 수 있었으며 ECOAS에서 집계하는 폐자동차 수거량과 거의 동일한 것으로 판단된다. 희토류자석 내 Nd와 Dy의 탑재율과 원단위 추정을 위하여 한국지질자원연구원, H자동차 등으로부터 확보한 국내 자료를 최대한 활용하였으며, 일부 구하지 못한 데이터는 일본 선행자료를 참고하였다. 그 결과, 배출 단계에서 Nd는 55.2t~83.7t, Dy는 10.4t~13.5t 가량 배출되는 것으로 추정할 수 있다. 특히, 에어컨과 세탁기의 총합이 전체의 54.0~61.0%로 큰 비중을 차지하고 있다. 본 연구에서의 추정 배출량은 국가통합자원정보시스템(k-mfa)에서 파악한 Nd 배출량(21t) 대비 최대 약 4배까지 높게 나타나는데, 이러한 차이는 본 연구에서 파악한 배출량이 ECOAS 통계상 파악되는 배출량(k-mfa에서의 수치) 이외에 파악하지 못하는 배출량을 포함하여 추정하였기 때문이다. 두 번째 수거 단계는 현행 재활용 제도 하에서 수거업무를 담당하는 지자체, 수집소, 재활용업자, 제조업자, 판매업자, 자동차 폐차업자, 고물상 등을 수거 단계의 주요 주체로 판단하였다. 폐가전 제품과 폐자동차의 수거물량은 ECOAS 자료를 바탕으로 수거 주체를 중심으로 파악하였으며, 배출 단계에서 환산한 것과 동일한 방식으로 Nd와 Dy 물질 환산량을 추정하였다.