세슘 루비듐 기본 성질 및 산업 사슬
세슘(Cesium), 원소 기호 Cs, 원자 서수 55, 밀도 1.88g/cm³，융해점 28.4도, 비등점 678.4도.금속 세슘은 옅은 황금색을 띠며 매우 부드럽고 연전성을 가지고 있다.
세슘의 화학적 성질은 매우 활발하며, 화합물에는 주로 탄산 세슘, 갑산 세슘, 브롬화 세슘, 염화 세슘, 불화 세슘, 요오드 세슘, 수산화 세슘, 질산 세슘, 산화 세슘, 황산 세슘, 세슘 등이 포함된다.
하류응용면에서 희귀광종으로서 세슘금속과 세슘염은 많은 업종에서 대체불가능성을 갖고있으며 현재 주요응용분야로는 원자시계, 에너지분야, 화학공업분야, 의료분야 등이 있다.

루비디움(Rubidium), 원소 기호 Rb, 원자 서수 37, 밀도 1.53g/cm3, 용해점 38.89 ℃, 비등점 688 ℃.금속 루비듐은 은백색의 왁스 모양으로 질이 부드럽고 가벼우며 연전성이 있다.
산업에서 사용되는 루비듐의 화합물은 주로 루비듐 산화물 (Rb2O, RbO2, Rb2O2 등), 수소 산화, 탄산, 황산, 질산 루비듐 등이다.
루비듐과 세슘은 비슷한 물리적 성질과 원자 반경을 가지고 있기 때문에 양자의 하류 응용은 유사하며 많은 응용에서 서로 교환하여 사용할 수 있다.
그러나 세슘은 루비듐보다 더 강한 양전성을 가지고 있고 독립된 광상이 없기 때문에 일반적으로 리튬과 세슘을 생산하는 부산물이며 세슘보다 쉽게 얻을 수 없기 때문에 세슘은 루비듐보다 더 광범위하게 응용된다.
전 세계적으로 세슘 자원이 부족하고 자원의 집중도가 높다
세슘은 자연계에 단질 형태가 없고 주로 소금 형태로 육지와 해양에 극히 적게 분포하며 전 세계 보유 광석량이 적다.
세슘은 독립광물인 세슘류석을 가지고 있으며 Cs2O 함량이 5~32% 로 세슘 추출의 주원료이다.
USGS에 따르면 2020년 전 세계 위정암형 세슘 광물 자원 매장량은 캐나다 12만t, 짐바브웨 6만t, 나미비아 3만t, 호주 0.71만t 등 21만7천100t이다.
전 세계 세슘 광자원은 매우 희소하며, 현재 규모화 채굴이 가능한 세슘 유석 자원은 주로 3대 광구에 집중되어 있다:
캐나다 Tanco 광구, 짐바브웨 Bikita 광구 및 호주 Sinclair 광구.
Tanco 광산은 2010~2013년 사이에 천정이 발생한 후 운영을 중단하고 2017~2018년 함몰 지역의 복구를 완료했기 때문에 USGS는 2016~2019년 동안 Tanco 광구의 보유 세슘 자원을 집계하지 않았다.
2019년 6월 중광자원그룹주식유한회사가 미국 CABOT사 특수유체사업부와 그가 소속된 Tanco광산을 100% 인수한후 2020년 USGS는 또 카나다가 보유하고있는 위정암세슘류석형세슘자원수치를 증가시켰다. 새로 증가된 카나다는 12만톤의 세슘산화물자원을 보유하고있는데 전부 Tanco광산에서 온것이다.
루비듐 자원은 독립된 광물이 없으며, 주로 리튬과 세슘의 부산물이다
루비듐 자원의 총 매장량의 90% 이상이 염호에 존재하지만, 보통 미량 농도(약 0∼20mg/L)에 있어 개발 이용 가치가 제한적이다.
현재 대부분의 루비듐은 화강위정암에서 추출되는데 담체광물은 주로 리튬운모, 철리튬운모, 세슘류석과 칼륨장석이다.
루비듐은 리튬과 세슘보다 지구 풍도가 높지만 부광물이 존재하지 않아 추출이 어려워 주로 세슘과 리튬의 가공 부산물로 발생한다.
전 세계 자원은 주로 나미비아, 짐바브웨, 캐나다 3국에 집중되어 있다.
USGS에 따르면 2020년 전 세계 자원 매장량은 10만 2000t으로 나미비아 5만 t, 짐바브웨 3만 t, 캐나다 1만 2000t, 기타 국가 1만 t으로 자원 집중도가 높다.
전 세계 소비량이 비교적 적어 최근 몇 년 동안 소비량이 10~12톤을 유지하고 있다.
미국은 세계에서 가장 먼저 생산되고 응용된 나라로서 2018년에 35가지 관건적인 광물목록에 포함시켰다.미국의 루비듐에 대한 응용은 80% 가 첨단기술을 개발하는데 사용되고 20% 가 특수유리, 촉매 등 분야에 사용되며 매년 소비량은 5~6톤이다.
일본은 최근 20년 동안 세계에서 생산과 응용이 가장 빠르게 발전한 국가이다. 2009년 7월에 일본이 내놓은"희귀금속보장전략"은 전략적 광산으로 삼을 것이다. 그 응용이 가장 빠르게 발전한 분야는 촉매제이다. 특히 유기합성촉매이다. 현재 매년의 소비량은 1~2톤이다.
중국에는 아직 독립적으로 채굴할 수 있는 세슘 루비듐 자원이 없다
국내의 세슘 자원 생산은 고체 광물 개발을 위주로 하고, 주로 반생 광산의 형식으로 존재하며, 주로 리튬 운모에서 나오며, 세슘 자원은 주로 신장의 알타이 지역과 장시성 이춘에 분포한다.
그중 초기에 개발된 신강 코코토해광구는 세슘류석정광이 Cs2O 18~25% 좌우를 함유하고있으며 리튬운모에는 Rb2O 0.9% 가 함유되여있어 국내의 중요한 세슘산지이다.
코코토해 3호 광산이 폐쇄된 이후 국내에서 채굴할 수 있는 독립적인 세슘 유석 광산은 아직 보도되지 않았으며, 국내에서 현재 필요한 세슘 원료는 주로 외국에서 수입되고 있다.
국내 주요 광구에서 누계로 탐지한 경암형은 총 6만1800톤의 세슘 자원량을 보유하고 있지만, 대부분 처리하기 어려운 리튬 운모에 수반되는 세슘 자원으로 독립적으로 개발 이용할 가치가 없으며, 일반적으로 리튬 운모를 처리하여 리튬을 추출한 후의 찌꺼기에서 다시 세슘을 추출하는 등 수반광산일 뿐이다.
현재의 기술 경제 조건 하에서 염호의 할로겐수에 부존하는 반생 세슘 자원도 독립적으로 개발 이용할 가치가 없다.
현재 가능하고 경제 개발에 이용할 수 있는 세슘 자원은 모두 웨이징암에 부존하는 세슘류석형 세슘 광산 자원에서 비롯된다.
현재 우리나라 Rb2O 매장량은 약 18만4000t, 기초매장량은 약 31만1000t이다.
밝혀진 자원량은 약 195만 8천 톤이며, 그 중 경암형 Rb2O는 약 190만 4천 톤으로 전국 Rb2O 자원량의 97% 를 차지한다.
우리 나라의 부존 상태에 근거하여, 광산은 운모에 부존하는 운모형 광산 자원과 장석에 부존하는 장석형 광산 자원으로 나눌 수 있다.
리튬 운모와 철 리튬 운모는 장시성과 후난 및 허난성에 비교적 많이 분포되어 있다;장석은 주로 신강과 산서성에 분포되여있다.세슘류석은 주로 신장, 쓰촨, 윈난, 장시, 후난 등 성에 분포한다.
환경 보호 및 신흥 과학 기술 분야는 세슘 소비의 핵심 추진력이다
세슘의 가장 큰 응용분야는 석유가스시추이다. 메틸세슘은 시추/완정액으로서 고온과 고압의 석유가스시추과정에서 고온에 견디고 효률이 높으며 환경친화 등 장점이 있다. 가격이 비싸기 때문에 현재의 응용은 주로 유럽에 집중되어 있다. 그러나 우리 나라의 환경보호에 대한 중시도가 높아지고 탐사분야가 깊은 물로 매진함에 따라앞으로 우리나라의 석유 및 가스 시추 분야에서 세슘 세슘에 대한 수요량은 세슘 수요의 거대한 성장 포인트가 될 것이다.
석유 가스 시추 외에 가장 광범위하게 응용되는 용도는 촉매이다. 황산을 생산하는 과정에서 황산 세슘을 촉매로 사용하면 SO2 배출을 현저하게 낮출 수 있다. 따라서 후속 배기가스 처리 비용을 낮출 수 있다. 중국의 황산 생산량이 증가하고 환경보호에 대한 요구가 더욱 엄격해짐에 따라 향후 황산 세슘 시장의 전망은 밝다.
또한 5G 시대가 도래하고 국가가 과학기술 발전을 중시함에 따라 원자시계, 자기유체발전기, 이온추진기 등 하이테크 분야도 세슘 수요의 성장점이 될 것이다.
세슘류석 자원의 희소성 및 비교적 높은 업계 기술 장벽으로 인해 전 세계적으로 세슘염 양산을 실현할 수 있는 회사는 둥펑신재, 카보트사 및 미국 야바오뿐이다.
독립된 광석이 없기 때문에 제품의 평균 가격은 세슘 제품의 5~6배이며, 양자의 주요 응용 분야가 유사하기 때문에 세슘 제품의 경쟁력은 루비듐 제품보다 훨씬 높다.
세슘염 시장의 기술 장벽과 공급업체의 집중도가 모두 높고 공급업체의 가격 협상 능력이 비교적 강하기 때문에 2020년 주요 세슘염 제품 가격은 전반적으로 안정 속에서 발전하는 추세를 보이고 있다.
세계 3대 주요 세슘류석 광산
캐나다 Tanco 광산
지분 구조:
Tanco 광산의 광산권은 캐나다 탄탈럼 주식회사 (Tanco) 에 귀속되며, 중국 광자원은 Tanco의 지분 100% 를 보유하고 있다.
광산 소개:
캐나다 매니토바주 위니펙에서 북동쪽으로 160㎞ 떨어진 버니크 호수 서북쪽 해안에 있는 탄코 광산은 리튬-세슘-탄탈륨(LCT)형 위정암 광상으로 리튬, 세슘,, 탄탈륨, 베릴륨, 갈륨 등 희귀 금속원소가 풍부하다.탄코 광산은 현재 발견된 가장 큰 세슘 유석 광산으로 전 세계 세슘 유석 자원 매장량의 80%를 보유하고 있으며 산화 세슘의 평균 품위는 23.3%에 달한다.
탄코 광산은 채굴하지 않은 세슘 광석 자원량 11만7천200t을 보유하고 있으며 이 중 산화세슘 함량은 1만6천200t이다.세슘 꼬리 광산의 광석 자원량은 약 352만 2200톤이며, 그 중 산화 세슘 함량은 약 2만 6000톤이며, 총 Tanco 광산의 산화 세슘 자원량은 4만 2200톤이다.
광산의 역사:
2010~2013년 사이에 Tanco 광구의 14호 광산 기둥이 두 차례 솟구쳐 광산 운영이 중단되었다.
카봇은 2017년 8월부터 2018년 7월까지 캐나다 지질광업심사위원회(GMRB)의 감독으로 함몰 지역 복구를 마친 뒤 채굴을 계속했다.
2019년 중광자원은 카봇 특수유체사업부를 인수해 탄코광산에 대한 100% 지배를 실현했다.
짐바브웨 Bikita 광산
지분 구조:
African Minerals의 지분은 55.4%, Mavhaire의 지분은 16%
광산 소개:
짐바브웨 비키타 광산은 세계적으로 유명한 리튬-세슘-탄탈륨(LCT) 다희유 금속 광산으로, 세계에서 세슘 유석을 채굴하는 주요 광산 중 하나이기도 하다.
1911년에 발견된 이래 지금까지 대량의 리튬, 세슘, 탄탈륨 등 광물을 생산하였는데, 광위정암은 길이 약 3킬로미터, 너비 약 150-180미터를 함유하고 있으며, 루계로 리튬 투과 장석 260만 톤(Li2O 4.13%)을 탐지하였는데, 그중 리튬 운모에는 3.73%, 리튬휘석 200만 톤(Li2O 1.7%), 세슘류석 10-15만 톤(Cs2O)이 24% 함유되어 있다.이 위정암도 강렬한 분대 특징으로 나타난다.
그러나 수십 년의 개발 끝에 세슘류석형 광석 자원은 거의 소진되었다.
호주 Sinclair 광산
지분 구조: 선봉회사의 지분 100%.
웨스트오스트레일리아 노스맨 북쪽 35㎞ 지점에 있는 신클레어 광산은 2016년 파이오니어 리소스 유한공사에 의해 발견됐으며, 호주에서 발견된 첫 세슘 유석 광상이자 탄코 광산, 비키타 광산에 이어 현재 전 세계에서 규모화 채굴이 가능한 3대 세슘 유석 광상 중 하나다.
2016 년부터 2019 년까지 Sinclair 광산은 1 단계 채광 작업을 완료했습니다.
1단계 채굴 과정에서 다금속 광상 중 세슘 유석 광산 부분에 미달했을 때 광석 자원량 7천110t, 산화 세슘 품위 16.4%, 세슘 1천166t을 모두 구했다.
현재 신클레어 광산은 2단계 채굴 과정을 진행 중이다.
1단계:
선봉회사는 2016년 8~10월의 한 채굴활동에서 세슘류석을 발견하고 2018년 9월에 채굴을 시작하여 2019년 1월에 제1단계의 채굴사업을 완수하였는데 이 단계의 광산자원상황과 판매상황은 다음과 같다.
1단계의 현금 운영 흑자는 1020만 달러, 즉 산화세슘의 평균 이윤은 톤당 6576달러, 또는 광석 (산화세슘 품위 8.3%) 의 평균 이윤은 톤당 547달러이다.
1단계 세슘류석광의 박채비는 70:1에 육박한다.1단계 채광이 완료되면 Sinclair 광산은 2단계 채광을 진행할 잠재력이 있는 것으로 증명된다.
2단계:
1단계 탐광 활동에서 광갱 북부에서 최소 80미터 뻗은 위치에 세슘 유석 자원이 있는 것을 발견하여 선봉회사는 2단계 탐사 목표를 제정하였는데, 즉 1000~2000톤의 산화세슘 품위가 8~14% 사이의 광석 자원을 구하였다.
세슘 응용: 석유 및 가스 시추 위주, 과학 기술 분야의 새로운 수요 개척
오일 가스 시추
아세트산 세슘은 전 세계에서 유일하게 공업화 생산이 가능한 세슘염이며, 전 세계에서 세슘염 하류 수요가 가장 높은 제품으로, 주로 석유 완성액을 만드는 데 사용되며, 깊은 우물 채굴에서 드릴이 용해되는 것을 방지하는 데 사용된다.
1922년 아세트산 세슘이 개발된 후 70여 년 동안 방치되어 있다가 1995년까지 유럽인들은 아세트산 세슘의 해양 깊은 우물 시추 응용을 연구하고 북해 유전에서 실험했다.
1999년 셸은 셰어워터 유전에 아세트산 세슘 염수를 사공액으로 적용하고, 2001년 홀드라 가스전에 아세트산 세슘을 시추액으로 적용하면서 석유 및 가스 시추 분야에서 아세트산 세슘을 적용할 수 있는 길이 열렸다.
최근 10년 동안 갑산 세슘 용액은 시추액, 완정액, 수정액과 부유액으로 이미 백여 개의 우물에서 성공적으로 사용되었다.
전통적인 고상 시추액에 비해 아세트산 세슘은 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다.
1) 고체 함유 시추액은 고온의 영향을 받아 팽윤토 접착제가 발생하여 두꺼운 여과전이 형성되기 쉽고, 갑산 세슘 등 무고체 고밀도 시추액은 그렇지 않다;
2) 고온에서 첨가제의 성능을 유지할 수 있다.
3) 천연가스에 대한 용해도가 비교적 낮고 우물의 용출을 쉽게 발견할 수 있으며 적시에 우물 통제 조치를 실시할 수 있다;
4) 당량밀도가 비교적 낮고 액류의 저항력을 낮추며 윤활성능이 좋아 드릴의 고장률을 낮춘다;
5) 생물에 의해 분해될 수 있으며 환경에 미치는 영향은 적다.
석유 가스 시추 메틸 세슘 사용량: 깊은 우물 하나에 약 500 톤의 메틸 세슘이 필요합니다.
세슘의 고가는 메틸세슘 시추액과 완정액의 응용을 제한하고 있으며, 메틸세슘 시추액과 완정액의 경제적 효과를 극대화하기 위해서는 메틸세슘을 재활용해야 한다.
아세트산 세슘 시추액 회수는 체분, 원심분리, 화학처리, 중력침강과 저장 등 5단계로 나뉜다.메틸세슘 시추액과 완정액은 회수 재활용률이 80%에 달하며 회수된 기액의 성능에는 변화가 없다.
원가와 공정의 원인으로 인해 갑산세슘은 현재 국내 석유가스분야에서 비교적 적게 응용되고있다.
초고온고압굴착완정분야에서 우리 나라의 탐사분야가 심수, 심층으로 매진함에 따라 앞으로 초고온고압환경은 심층석유가스탐사개발이 직면한 정상상태로 될수 있으며 온도 200 ℃ 이상, 압력계수 2.30 이상, 안전창구가 좁은 등 지질조건은 법규가 피할수 없다.
게다가 국내에서 환경에 대한 중시가 날로 커지면서 환경보호정책의 실시강도가 점차 커지고있으며 국내 석유가스분야에서의 갑산세슘의 응용이 점차 확대될것이다.
2021년 10월 중 해유연구총원 유한책임회사는 남해 앵경분지 초고온 고압 가스전에 관한 기술 타당성 평가와 핵심 기술 연구 보고서를 발표하여 메틸세슘 완정액 사용을 제기하였는데, 이는 우리나라의 석유가스회사도 점차 메틸세슘에 대한 응용을 전개할 것임을 설명한다.
촉매
중국과 일본은 대부분의 세슘염을 촉매에 사용하고 있으며, 일본은 촉매 분야에서 90% 의 용량을 사용하고 있으며, 유기합성 촉매는 최근 몇 년 동안 주요 성장점이며, 우리나라에서 생산된 제품의 일부도 일본으로 수출되고 있다.
세슘염 중 황산 세슘은 세슘반 촉매에 사용되며, 에폭시 생산에서도 황산 세슘을 촉매로 사용한다.니트로세슘은 석유화학공업 보조촉매로 메틸프로필렌수지 생산에 사용된다.불화 세슘은 불소수지 촉매, 용접 보조제에 사용할 수 있다;염화세슘은 의약 촉매에 사용할 수 있으며, 금속 세슘을 만드는 원료이기도 하다.
황산 세슘은 산업 황산 생산에 사용될 수있는 가장 유망한 세슘염 촉매입니다.
국내 황산 공업에서 현재 보편적으로 사용하는 것은 바나듐 촉매이다.