테르븀무거운 범주에 속한다희토류 원소지구 지각에 1.1ppm으로 매우 낮은 농도로 존재합니다. 산화 테르븀은 전체 희토류 원소의 0.01% 미만을 차지합니다. 테르븀 함량이 가장 높은 고이트륨 이온형 중희토류 광석에서도 테르븀 함량은 전체 희토류 원소의 1.1~1.2%에 불과하여 희토류 원소 중 "귀금속"에 속합니다. 1843년 테르븀이 발견된 이후 100년이 넘는 세월 동안 그 희소성과 가치 때문에 오랫동안 실용화되지 못했습니다. 테르븀이 그 독보적인 잠재력을 발휘하기 시작한 것은 불과 30년 전입니다.
역사의 발견
스웨덴 화학자 Carl Gustaf Mosander는 1843년에 테르븀을 발견했습니다. 그는 그 불순물을 발견했습니다.이트륨(III) 산화물그리고이산화이소(Y2O3)이트륨은 스웨덴의 이테르비(Ytterby) 마을에서 유래되었습니다. 이온 교환 기술이 등장하기 전에는 테르븀이 순수한 형태로 분리되지 않았습니다.
Mosant는 먼저 이트륨(III) 산화물을 세 부분으로 나누었으며, 모두 광석의 이름을 따서 명명했습니다. 이트륨(III) 산화물,에르븀(III) 산화물, 그리고 산화 테르븀. 산화 테르븀은 원래 분홍색 부분으로 구성되었는데, 이는 현재 에르븀으로 알려진 원소 때문입니다. "산화 에르븀(III)"(현재 테르븀이라고 불리는 것 포함)은 원래 용액에서 거의 무색이었습니다. 이 원소의 불용성 산화물은 갈색으로 간주됩니다.
이후 연구자들은 작은 무색의 "에르븀(III) 산화물"을 거의 관찰할 수 없었지만, 용해 가능한 분홍색 부분은 무시할 수 없었습니다. 에르븀(III) 산화물의 존재에 대한 논쟁은 끊임없이 제기되었습니다. 혼란 속에서 원래 이름이 뒤바뀌어 이름 교환이 중단되었고, 결국 분홍색 부분은 에르븀을 함유한 용액으로 언급되었습니다(용액에서는 분홍색이었습니다). 현재는 황산수소나트륨이나 황산칼륨을 사용하는 연구자들이세륨(IV) 산화물이트륨(III) 산화물에서 테르븀이 세륨을 함유하는 침전물로 변하는 것은 의도치 않은 일입니다. 현재 "테르븀"으로 알려진 원래 이트륨(III) 산화물의 약 1%만이 이트륨(III) 산화물에 황색을 띠게 하는 데 충분합니다. 따라서 테르븀은 이트륨(III) 산화물을 원래 함유했던 이차 성분이며, 바로 이웃하는 가돌리늄과 디스프로슘에 의해 조절됩니다.
이후 이 혼합물에서 다른 희토류 원소가 분리될 때마다 산화물의 비율에 관계없이 테르븀이라는 이름이 유지되다가, 마침내 순수한 갈색 테르븀 산화물이 얻어졌습니다. 19세기 연구자들은 자외선 형광 기술을 사용하여 밝은 노란색이나 녹색 단괴(III)를 관찰하지 않았기 때문에 고체 혼합물이나 용액에서 테르븀을 더 쉽게 식별할 수 있었습니다.
전자 배열
전자 배치:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
터븀의 전자 배치는 [Xe] 6s24f9입니다. 일반적으로 핵전하가 너무 커져 더 이상 이온화될 수 없게 되기 전에 전자 세 개만 제거될 수 있지만, 터븀의 경우, 반쯤 채워진 터븀은 불소 가스와 같은 매우 강한 산화제 존재 하에서 네 번째 전자가 더 이온화될 수 있도록 합니다.
테르븀은 은백색의 희토류 금속으로, 연성, 인성, 그리고 칼로 자를 수 있을 만큼 부드러움을 지녔습니다. 녹는점은 1360℃, 끓는점은 3123℃이며, 밀도는 8229kg/m³입니다. 초기 란타넘족 원소에 비해 공기 중에서 비교적 안정합니다. 란타넘족의 아홉 번째 원소인 테르븀은 강한 전기적 성질을 가진 금속입니다. 물과 반응하여 수소를 생성합니다.
자연에서 테르븀은 자유 원소로 발견된 적이 없으며, 소량은 포스포세륨, 토륨 모래, 가돌리나이트에 존재합니다. 테르븀은 모나자이트 모래에서 다른 희토류 원소와 공존하며, 일반적으로 0.03%의 테르븀 함량을 보입니다. 다른 공급원으로는 제노타임과 흑색 희토류 광석이 있는데, 둘 다 산화물 혼합물이며 최대 1%의 테르븀을 함유하고 있습니다.
애플리케이션
테르븀의 응용 분야는 주로 기술 집약적이고 지식 집약적인 최첨단 프로젝트인 첨단 기술 분야와, 상당한 경제적 이익이 있고 매력적인 개발 전망을 가진 프로젝트입니다.
주요 적용 분야는 다음과 같습니다.
(1) 혼합 희토류 형태로 활용됩니다. 예를 들어 농업용 희토류 복합비료, 사료첨가제로 사용됩니다.
(2) 세 가지 기본 형광 분말의 녹색 분말 활성화제. 현대 광전자 재료는 다양한 색상을 합성하는 데 사용할 수 있는 세 가지 기본 색상, 즉 적색, 녹색, 청색 형광체를 사용해야 합니다. 테르븀은 많은 고품질 녹색 형광 분말의 필수 성분입니다.
(3) 자기광 저장 재료로 사용됩니다. 비정질 금속 테르븀 전이 금속 합금 박막은 고성능 자기광 디스크 제조에 사용되었습니다.
(4) 자기광학 유리 제조. 테르븀을 함유하는 패러데이 회전 유리는 레이저 기술에서 회전자, 절연체, 순환기 제조에 핵심 소재이다.
(5) 테르븀 디스프로슘 강자성 합금(TerFenol)의 개발 및 발전은 테르븀의 새로운 응용 분야를 열어주었습니다.
농업 및 축산을 위해
희토류 테르븀은 작물의 품질을 향상시키고 특정 농도 범위 내에서 광합성 속도를 증가시킬 수 있습니다. 테르븀 착물은 높은 생물학적 활성을 가지고 있습니다. 테르븀의 3원 착물인 Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3·3H2O는 황색포도상구균, 고초균, 대장균에 대해 우수한 항균 및 살균 효과를 나타냅니다. 이 착물들은 광범위한 항균 스펙트럼을 가지고 있습니다. 이러한 착물에 대한 연구는 현대 살균제 개발에 새로운 방향을 제시합니다.
발광 분야에 사용
현대 광전자 재료는 적색, 녹색, 청색의 세 가지 기본 색상의 형광체를 사용해야 하며, 이를 통해 다양한 색상을 합성할 수 있습니다. 테르븀은 많은 고품질 녹색 형광 분말의 필수 성분입니다. 희토류 컬러 TV 적색 형광 분말의 탄생이 이트륨과 유로퓸의 수요를 촉진했다면, 테르븀의 응용 및 개발은 램프용 희토류 삼원색 녹색 형광 분말을 통해 촉진되었습니다. 1980년대 초, 필립스는 세계 최초의 소형 에너지 절약형 형광 램프를 발명하여 빠르게 전 세계에 보급했습니다. Tb3+ 이온은 545nm 파장의 녹색광을 방출할 수 있으며, 거의 모든 희토류 녹색 형광체는 테르븀을 활성제로 사용합니다.
컬러 TV 음극선관(CRT)용 녹색 형광체는 저렴하고 효율적인 황화아연을 기반으로 해왔지만, 투사형 컬러 TV용 녹색 형광체로는 Y2SiO5∶Tb3+, Y3(Al, Ga)5O12∶Tb3+, LaOBr∶Tb3+ 등의 테르븀 분말이 항상 사용되어 왔습니다. 대형 화면 고화질 TV(HDTV)의 발전과 함께 CRT용 고성능 녹색 형광 분말도 개발되고 있습니다. 예를 들어, 해외에서는 Y3(Al, Ga)5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+, Y2SiO5:Tb3+로 구성된 하이브리드 녹색 형광 분말이 개발되었는데, 이는 고전류 밀도에서 우수한 발광 효율을 나타냅니다.
기존의 X선 형광 분말은 텅스텐산칼슘입니다. 1970년대와 1980년대에는 테르븀 활성 황 란탄 산화물, 테르븀 활성 브롬 란탄 산화물(녹색 스크린용), 테르븀 활성 황 이트륨(III) 산화물 등 스크린 증강용 희토류 형광체가 개발되었습니다. 텅스텐산칼슘과 비교했을 때, 희토류 형광 분말은 환자의 X선 조사 시간을 80% 단축하고, X선 필름의 해상도를 향상시키며, X선관의 수명을 연장하고, 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 테르븀은 의료용 X선 증강 스크린의 형광 분말 활성제로도 사용되어 X선을 광학 영상으로 변환하는 감도를 크게 향상시키고, X선 필름의 선명도를 개선하며, 인체에 대한 X선 피폭량을 50% 이상 크게 줄일 수 있습니다.
테르븀은 새로운 반도체 조명을 위한 청색광으로 여기되는 백색 LED 형광체의 활성제로도 사용됩니다. 테르븀은 청색 발광 다이오드를 여기 광원으로 사용하여 테르븀 알루미늄 자기 광학 결정 형광체를 제조하는 데 사용될 수 있으며, 생성된 형광은 여기광과 혼합되어 순수한 백색광을 생성합니다.
테르븀으로 제조된 전계 발광 재료는 주로 테르븀을 활성제로 하는 황화아연 녹색 형광체를 포함합니다. 자외선 조사 시, 테르븀 유기 복합체는 강한 녹색 형광을 방출하여 박막 전계 발광 재료로 사용될 수 있습니다. 희토류 유기 복합체 전계 발광 박막 연구는 상당한 진전을 이루었지만, 아직 실용화 단계에는 이르지 못하며, 희토류 유기 복합체 전계 발광 박막 및 소자에 대한 연구는 여전히 활발히 진행 중입니다.
테르븀의 형광 특성 또한 형광 프로브로 사용됩니다. 예를 들어, 오플록사신 테르븀(Tb3+) 형광 프로브를 사용하여 오플록사신 테르븀(Tb3+) 복합체와 DNA(DNA) 사이의 상호작용을 형광 스펙트럼과 흡광 스펙트럼을 통해 연구했습니다. 이는 오플록사신 Tb3+ 프로브가 DNA 분자와 결합하는 홈을 형성할 수 있으며, DNA가 오플록사신 Tb3+ 시스템의 형광을 크게 향상시킬 수 있음을 시사합니다. 이러한 변화를 바탕으로 DNA를 분석할 수 있습니다.
자기광학 재료용
패러데이 효과를 갖는 재료, 즉 자기 광학 재료는 레이저 및 기타 광학 장치에 널리 사용됩니다. 자기 광학 재료에는 자기 광학 결정과 자기 광학 유리의 두 가지 일반적인 유형이 있습니다. 이 중 자기 광학 결정(예: 이트륨 철 가넷, 테르븀 갈륨 가넷)은 작동 주파수 조정이 가능하고 열 안정성이 높다는 장점이 있지만, 가격이 비싸고 제조가 어렵습니다. 또한, 높은 패러데이 회전각을 갖는 많은 자기 광학 결정은 단파 영역에서 높은 흡수율을 나타내어 사용이 제한됩니다. 자기 광학 결정과 비교했을 때, 자기 광학 유리는 투과율이 높고 큰 블록이나 파이버로 쉽게 제작할 수 있다는 장점이 있습니다. 현재 높은 패러데이 효과를 갖는 자기 광학 유리는 주로 희토류 이온 도핑 유리입니다.
자기광학 저장 소재에 사용
최근 멀티미디어와 사무 자동화의 급속한 발전으로 새로운 고용량 자기 디스크에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 비정질 금속 테르븀 전이 금속 합금 박막은 고성능 자기 광 디스크 제조에 사용되었습니다. 그중 TbFeCo 합금 박막이 가장 우수한 성능을 보입니다. 테르븀 기반 자기 광 재료는 대량 생산되고 있으며, 이를 이용하여 제작된 자기 광 디스크는 컴퓨터 저장 장치로 사용되어 저장 용량이 10~15배 증가했습니다. 대용량과 빠른 액세스 속도라는 장점을 가지고 있으며, 고밀도 광 디스크에 사용할 경우 수만 번 닦아내고 코팅할 수 있습니다. 전자 정보 저장 기술에서 중요한 소재입니다. 가시광선 및 근적외선 대역에서 가장 일반적으로 사용되는 자기 광 재료는 테르븀 갈륨 가넷(TGG) 단결정으로, 패러데이 회전자와 절연체를 만드는 데 가장 적합한 자기 광 재료입니다.
자기 광학 유리용
패러데이 자기 광학 유리는 가시광선 및 적외선 영역에서 우수한 투명성과 등방성을 가지며, 다양하고 복잡한 형상을 형성할 수 있습니다. 대형 제품 생산이 용이하고 광섬유에 인발할 수 있습니다. 따라서 자기 광 절연체, 자기 광 변조기, 광섬유 전류 센서와 같은 자기 광 소자에 폭넓게 적용될 가능성이 있습니다. 가시광선 및 적외선 영역에서 큰 자기 모멘트와 작은 흡수 계수를 갖는 Tb3+ 이온은 자기 광학 유리에서 일반적으로 사용되는 희토류 이온이 되었습니다.
테르븀 디스프로슘 강자성 합금
20세기 말, 세계 과학기술혁명이 심화되면서 새로운 희토류 응용재료가 급속히 부상하고 있습니다. 1984년 미국 아이오와 주립대학교, 미국 에너지부 에임스 연구소, 미국 해군 수상무기연구센터(후에 설립된 American Edge Technology Company(ET REMA)의 주요 인력이 이 센터 출신)가 공동으로 새로운 희토류 스마트 소재인 테르븀 디스프로슘 철 거대 자기변형 소재를 개발했습니다. 이 새로운 스마트 소재는 전기에너지를 기계에너지로 빠르게 변환하는 탁월한 특성을 가지고 있습니다. 이 거대 자기변형 소재로 만든 수중 및 전기음향 변환기는 해군 장비, 유정 탐지 스피커, 소음 및 진동 제어 시스템, 해양 탐사 및 지하 통신 시스템에 성공적으로 적용되었습니다. 따라서 테르븀 디스프로슘 철 거대 자기변형 소재가 탄생하자마자 전 세계 산업국가에서 큰 주목을 받았습니다. 미국의 Edge Technologies는 1989년에 테르븀 디스프로슘 철 거대 자기변형 재료를 생산하기 시작했으며 이를 Terfenol D라고 명명했습니다. 이후 스웨덴, 일본, 러시아, 영국, 호주도 테르븀 디스프로슘 철 거대 자기변형 재료를 개발했습니다.
미국에서 이 소재가 개발된 역사를 살펴보면, 이 소재의 발명과 초기 독점적 응용은 모두 군수 산업(예: 해군)과 직접적인 관련이 있습니다. 중국 군과 국방부는 이 소재에 대한 이해를 점차 강화하고 있습니다. 그러나 중국의 종합 국력이 크게 향상됨에 따라 21세기 군사 경쟁 전략 실현과 장비 수준 향상에 대한 요구는 매우 시급해질 것입니다. 따라서 군과 국방부에서 테르븀 디스프로슘 철 거대 자기변형 소재를 광범위하게 사용하는 것은 역사적으로 필수적인 일이 될 것입니다.
간단히 말해, 테르븀은 수많은 우수한 특성으로 인해 여러 기능성 소재의 필수 요소이자 일부 응용 분야에서 대체할 수 없는 위치를 차지합니다. 그러나 테르븀의 높은 가격으로 인해 사람들은 생산 비용을 줄이기 위해 테르븀 사용을 피하고 최소화하는 방법을 연구해 왔습니다. 예를 들어, 희토류 자기광학 재료는 가능한 한 저렴한 디스프로슘 철 코발트 또는 가돌리늄 테르븀 코발트를 사용해야 합니다. 사용해야 하는 녹색 형광 분말의 테르븀 함량을 줄이도록 노력해야 합니다. 가격은 테르븀의 광범위한 사용을 제한하는 중요한 요소가 되었습니다. 하지만 많은 기능성 소재는 테르븀 없이는 운영될 수 없기 때문에 "칼날에 좋은 강철을 사용"하는 원칙을 고수하고 테르븀 사용을 최대한 줄여야 합니다.
게시 시간: 2023년 7월 5일