재료 과학
텅스텐 – 비밀 고기술 금속
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잊혀진 전략 금속
원자재 투자는 대체로 석유, 가스, 식료품, 철, 구리처럼 거래량과 총가치가 큰 품목이나, 배터리 금속인 리튬·코발트·니켈과 희토류처럼 신기술에 중요한 인기 원자재에 집중됩니다.
현대 산업 사회에 대한 그들의 막대한 중요성에도 불구하고, 원소 주기율표의 일부 중요한 요소들은 주목받지 못하고 있습니다.
그 좋은 예가 텅스텐입니다 – 반도체, 로켓 엔진 및 무기 제조에 필요한 금속입니다. 배터리에도 점점 더 많이 사용되고 있으며, 곧 핵융합 엔진에 사용될 가능성도 있습니다.
이 때문에 텅스텐은 매우 전략적인 금속이 됩니다. 공급량의 거의 90%가 중국과 러시아에서 나오기 때문에, 서방과 두 주요 유라시아 강대국 간의 급증하는 긴장 상황에서 중요합니다.
작성 시점에서 중국이 전 세계 공급량의 85%를 차지하고 있으며, 그 다음이 베트남과 러시아입니다.
출처: Almonty
지구상에서 가장 강한 금속
텅스텐은 강도 면에서 탁월합니다. 녹는점은 알려진 모든 원소 중 가장 높으며, 3,422 °C(6,192 °F)입니다. 또한 밀도가 매우 높아 우라늄과 같은 훨씬 무거운 원소와 비슷합니다.
기계적 저항성 외에도 텅스텐은 화학적으로 크게 반응하지 않습니다. 이는 일반적으로 가혹한 환경에 노출되어도 산화되거나 부식되지 않음을 의미합니다. 물과 반응하지 않으며, 대부분의 산과 염기에 대해 내성이 있고, 정상 온도에서는 산소와도 반응하지 않습니다.
또한 모든 금속 중 가장 높은 인장 강도를 가지고 있으며, 스테인리스강의 두 배에 해당합니다.
탄소와 결합하면 텅스텐 카바이드가 형성되며, 이는 다이아몬드를 긁을 수 있는 유일한 천연 물질입니다.
텅스텐 공급
텅스텐은 1750년대에 처음 발견되었습니다. 주요 원료는 철망간중석 (FeMnWO4)으로, 주기율표의 원소 기호 W도 여기서 유래합니다. 회중석 (CaWO4)에서도 발견됩니다. 텅스텐이라는 이름은 스웨덴어로 ”무거운 돌”을 뜻합니다.
텅스텐은 1750년대에 처음 발견되었습니다. 텅스텐의 주요 자원은 철망간중석 (FeMnWO4)이며, 여기서 주기율표의 W 기호가 유래되었습니다. 또한 회중석 (CaWO4)에서도 발견됩니다. 텅스텐이라는 이름은 스웨덴어에서 유래했으며, “무거운 돌”을 의미합니다.
지구 지각 1,000kg당 1.25g이라는 중간 정도의 희소성을 가지고 있으며, 고농축 매장량은 다소 희귀해 상업적 채굴이 어렵습니다.
텅스텐의 높은 강도 때문에 광석에서 정제하고 유용한 금속으로 가공하기가 어렵고 에너지도 많이 들어 생산비가 더욱 높아집니다.
텅스텐 응용 분야
텅스텐의 특성은 극도의 저항성이 비용을 정당화할 때 다양한 산업 분야에서 유용하게 활용됩니다.
이로 인해 전통적인 산업 응용 외에도 많은 신흥 분야가 빠르게 성장하면서 텅스텐에 대한 다양한 수요가 발생합니다.
출처: Almonty
하지만 텅스텐은 내열합금이라고 불리는 합금(금속 혼합) 개선 버전에서 더 많은 응용이 곧 나타날 수 있습니다. 이러한 합금은 매우 내열성이 높으며, 주기율표의 5주기와 6주기 금속인 몰리브덴, 나이오븀, 텅스텐, 탄탈럼, 레늄을 결합하여 만들어집니다.
과학자들은 최근 이러한 합금을 더 유연하고 덜 취성하게 만들어 활용도를 높일 수 있다는 것을 발견했습니다(이 연구에서 사용한 합금은 텅스텐이 없는 나이오븀–탄탈럼–타이타늄–하프늄, 즉 NbTaTiHf 합금입니다).
건설, 채굴 및 산업
텅스텐과 텅스텐 카바이드는 일반적으로 초경 드릴 비트 및 강철, 콘크리트 등을 절단할 수 있는 기타 공구를 제조하는 데 사용됩니다.
그 열 및 기계적 저항성 덕분에 광산에서 암석을 시추하는 데 특히 유용하며, 산업 공정에서 금속을 가공하는 데도 활용됩니다.
이 부문의 수요는 비교적 안정적이며 주로 전 세계 경제 활동에 따라 변동합니다.
출처: Planetary.org
방위
텅스텐은 탱크를 포함한 다양한 군사 장비의 장갑에 사용됩니다. 그 밀도는 소형 화기 탄약부터 방공, 탱크, 포병, 미사일용 탄약에 이르는 관통탄에도 활용됩니다.
이 중요한 역할 때문에, 이 금속은 오랫동안 전략 금속으로 분류되어 왔으며 미국 방위 물류청이 비축한 자원 중 하나였습니다. 이 기관은 앞으로도 시장에 텅스텐을 공급하는 주요 공급원으로서 재고를 감소시키는 중요한 역할을 할 수 있습니다.
2022년에 미국 정부는 방위 공급망에 필수적인 광물, 예를 들어 티타늄, , 텅스텐 및 코발트“를 전략 비축량으로 재구축하기로 방향을 전환했습니다.
이 매각에는 군용 동체 제작에 사용되는 3,000톤의 티타늄과 군용 터빈 엔진 및 관통탄에 사용되는 7,600만 파운드의 텅스텐 광석 및 농축물이 포함되었습니다.
우주항공
텅스텐의 뛰어난 내열성 때문에 우주 로켓과 미사일의 로켓 노즐에 널리 사용됩니다. 지금까지 이 분야는 세계 텅스텐 수요의 8%에 불과했지만, 새로운 달 탐사 경쟁과 Starlink 같은 우주 기반 인터넷 위성망의 발사·유지 수요 증가로 빠르게 확대될 수 있습니다.
우주 관광, 미래 소행성 채굴, 그리고 준궤도 비행을 통한 지점 간 극초음속 여행도 텅스텐 수요를 증가시킬 것으로 예상됩니다.
텅스텐은 항공기의 회전날개, 프로펠러, 관성 시스템 등에도 사용됩니다.
반도체
텅스텐은 반도체 제조에서도 중요하지만 종종 간과됩니다. 텅스텐은 육불화텅스텐이라는 기체로 만들 수 있습니다. 이는 알려진 기체 중 밀도가 가장 높으며 공기보다 11배 무겁습니다.
이 기체를 이용하면 ”화학 기상 증착” 공정으로 텅스텐을 10~15nm 두께의 얇은 층으로 증착할 수 있습니다. 텅스텐이 실리콘 기판과 반응하여 실리콘 층을 보호합니다.
미세한 텅스텐 바늘형 탐침은 반도체 소자를 시험하는 데도 사용됩니다. 텅스텐은 텅스텐(VI) 산화물(WO3)과 바나듐(IV) 산화물(VO2)을 이용한 산화환원 게이팅 같은 새로운 컴퓨팅 시스템에도 유용할 수 있습니다.
따라서 반도체 제조용 텅스텐 수요는 전반적으로 증가하는 반도체 산업의 총생산량을 따라가는 경향이 있습니다.
자동차
배터리 제조는 텅스텐 수요의 새로운 분야입니다. 전기차가 등장하기 전에는 자동차용 수요가 고성능 크랭크샤프트, 피스톤, 기어 및 기타 기계 부품에 한정되었지만, 이제 자동차 분야의 수요가 크게 늘고 있습니다.
전기차 한 대마다 텅스텐 2kg이 사용되며, 배터리의 양극과 음극, 반도체 등에 들어갑니다.
하이브리드 차량에는 높은 내구성의 기어 시스템이 더 많이 필요하므로, 텅스텐은 배터리 이외의 분야에서도 하이브리드 수요의 혜택을 볼 수 있습니다.
“주요 자동차 제조업체들이 전기차에서 물러나고 있으며, 하이브리드가 단기적으로는 더 큰 베팅으로 보입니다. 그리고 텅스텐은 기어 시스템에서의 중요성 때문에 하이브리드에 더욱 필수적입니다.
텅스텐은 그 뛰어난 강도와 내열성 덕분에 차량이 전기와 가솔린 또는 디젤 구동 모드 사이를 지속적으로 전환하는 상황에서도 견딜 수 있어 여기서 핵심적인 역할을 합니다.
에너지
수소
텅스텐은 배터리뿐 아니라 저탄소 에너지 생산에도 사용될 수 있습니다.
한 가지 응용은 수소 생산 촉매로 사용하는 것입니다. 최근 연구자들은 루테늄, 실리콘 및 텅스텐(RuSiW) 합금이 수소 생산에 활용될 수 있음을 발견했습니다.
이 방법에서는 텅스텐이 활성 부분(루테늄)을 안정화하고 내구성을 높입니다. 이 방법은 백금이나 이리듐과 같이 훨씬 비싸고 환경에 해로운 촉매를 대체할 수 있습니다.
핵융합
텅스텐은 실험적 핵융합 장치에서 플라스마를 마주하는 부품의 소재로 연구됩니다. 2024년 WEST 토카막은 고온 플라스마를 364초, 약 6분간 유지했습니다. 이는 순에너지 이득이나 전력 생산을 달성한 핵융합 반응 기록이 아닙니다.
“우리는 새로운 에너지원을 제공해야 하며, 그 원천은 지속적이고 영구적이어야 합니다. 이는 아름다운 결과이며, 텅스텐 벽으로 인한 어려운 환경에도 불구하고 우리는 정상적인 상태에 도달했습니다.” – CEA 과학자이자 CICLOP 의장 Xavier Litaudon
이는 핵융합 실현에 첨단 물리학과 자기장이 핵심이지만, 텅스텐 같은 첨단 소재도 큰 기여를 할 수 있음을 보여줍니다.
기타
텅스텐에는 기존 용도와 새로운 용도를 아우르는 여러 틈새 응용 분야도 있지만, 전체 수요에서 차지하는 비중은 상대적으로 작습니다.
예를 들어 다음과 같은 용도로 사용됩니다.
- 가상 현실용 새로운 렌즈.
- 엑스선 장비.
- 전자현미경.
- 수술 도구.
- 장신구.
- 전구 필라멘트.
- 소비재(골프채 등)
텅스텐 기업
1. Almonty Industries (AII.TO)
Almonty는 현재 주로 포르투갈의 광산에서 텅스텐을 채굴하고 있으며, 지난 125년 동안 가동 중인 텅스텐 광산업체입니다.
이 회사는 포르투갈 광산의 확장을 추진하고 있으며 스페인에 미개발 광상도 보유하고 있습니다.
출처: Almonty
회사의 가장 중요한 사업은 현재 진행 중인 한국 상동의 신규 광산 개발입니다.
이 광산의 추정 자원량은 회사의 다른 모든 광상을 합친 것보다 많습니다.
출처: Almonty
서구 국가에서 유일하게 활발히 운영되는 텅스텐 광산업체 중 하나인 Almonty는 방위 산업에 중요한 전략적 공급업체입니다.
따라서 중국 공급에 대한 의존도를 줄이는 데 중요한 기업입니다.
중국이 카자흐스탄에 대규모 텅스텐 광산을 개장할 준비를 하는 가운데, Almonty Korea Tungsten Project의 상동 광산이 몇 달 안에 가동되면 Almonty는 ”텅스텐 확보를 둘러싼 정치적 구도를 크게 바꿀” 준비가 되어 있습니다. 생산이 시작되면 세계 최대 텅스텐 광산 중 하나가 되어 중국을 제외한 공급량의 30%를 차지하게 됩니다.
상동 광산은 입지상 방위 산업에 적합한 공급처입니다. 한국은 전투기나 항공모함에 비해 상대적으로 기술 복잡도가 낮은 탱크, 포, 탄약 같은 군사 장비의 대량생산 강국으로 떠올랐습니다.
사실상 서방의 유일한 대규모 공급업체라는 전략적 지위 덕분에 Almonty는 Plansee로부터 보장 가격을 제안받았습니다. Plansee는 고성능 금속 제조업체이자 Almonty의 주요 고객 중 하나이며, 회사 지분 15%도 보유하고 있습니다.
최저 보장 가격은 MTU당 235달러이며 상한은 없었습니다. 상동 광산이 MTU당 현금원가 110달러를 목표로 하므로, 이는 사실상 높은 수익률을 보장할 것으로 예상됩니다.
2. China Molybdenum / CMOC Group (603993.SS)
Almonty가 유일한 비중국 텅스텐 제조업체 중 하나인 이유는 중국이 오랫동안 이 금속의 가장 저비용 생산국이었으며, 사실상 Almonty만이 보조금 없이 이 경쟁을 견뎌냈기 때문입니다. 또한 텅스텐 생산은 전략적 이유로 국가의 대규모 보조금을 받았습니다.
China Molybdenum은 중국에 몰리브덴 및 텅스텐 광산을, 콩고에 구리 및 코발트 광산을, 브라질에 나이오븀 및 인산염 광산을 보유하고 있습니다.
CMOC는 2023년 코발트 생산량 55,526톤을 기록했으며, 해당 연도 실적에서 세계 최대 코발트 생산업체가 됐다고 보고했습니다. 두 번째가 아닙니다.
브라질 사업은 현지에서 두 번째로 큰 인산염 비료 생산 사업이며, CMOC를 세계에서 두 번째로 큰 나이오븀 생산업체로 만듭니다.
출처: CMOC
이 회사는 또한 300명의 직원과 5백만 톤 이상의 금속을 거래하는 글로벌 비철금속 트레이더 IXM을 소유하고 있습니다.
회사는 생산비를 낮게 유지하기 위해 혁신을 추구하며, 특히 중국 광산이 ”자율 채굴 장비에 5G 기술을 도입한 세계 최초이자 전기 채굴 트럭 배치의 선구자”라는 점이 도움이 됩니다.
이 회사는 생산 비용을 낮게 유지하기 위해 혁신을 모색하고 있으며, 특히 중국 광산이 “자율 채굴 장비에 5G 기술을 도입한 세계 최초이자 전기 채굴 트럭을 배치한 선구자“라는 점이 큰 도움이 됩니다.
텅스텐만 취급하는 기업은 아니지만, 세계적인 틈새 금속 생산업체로 발전했습니다. 배터리 대기업 CATL과의 제휴를 통한 볼리비아 리튬 사업 진출은 이러한 입지를 강화할 것입니다(CATL은 2022년부터 CMOC 지분 25%를 보유하고 있습니다).
