매우 신비로운 금속이 있습니다. 일상생활에서 이 금속은 수은처럼 액체 형태로 나타납니다. 캔에 떨어뜨리면 병이 종이처럼 약해져 살짝 찌르기만 해도 깨져버리는 놀라운 현상을 볼 수 있습니다. 구리나 철과 같은 금속에 떨어뜨려도 이러한 현상이 나타나는데, 이를 "금속 종결자"라고 합니다. 이러한 특성을 갖게 되는 이유는 무엇일까요? 오늘은 금속 갈륨의 세계에 대해 알아보겠습니다.
1. 어떤 요소인가요?갈륨 금속
갈륨 원소는 원소 주기율표에서 4주기 IIIA족에 속합니다. 순수한 갈륨의 녹는점은 29.78℃로 매우 낮지만 끓는점은 2204.8℃로 높습니다. 여름에는 대부분이 액체 상태로 존재하며 손바닥에 놓으면 녹을 수 있습니다. 위의 특성으로부터 갈륨은 녹는점이 낮기 때문에 다른 금속을 부식시킬 수 있음을 알 수 있습니다. 액체 갈륨은 다른 금속과 합금을 형성하는데, 이는 앞서 언급한 마법 같은 현상입니다. 지각에서 갈륨의 함량은 약 0.001%에 불과하며 그 존재는 140년 전에 발견되었습니다. 1871년 러시아 화학자 멘델레예프는 원소 주기율표를 요약하고 아연 다음에 알루미늄 아래에 알루미늄과 유사한 성질을 가진 원소가 있으며 "알루미늄 유사 원소"라고 불릴 것이라고 예측했습니다. 1875년, 프랑스의 과학자 보와보르들랜드가 같은 족의 금속 원소의 스펙트럼 선 법칙을 연구하던 중 섬아연석(ZnS)에서 이상한 빛의 띠를 발견했고, 이 "알루미늄과 같은 원소"를 발견한 뒤, 모국 프랑스(갈리아, 라틴어 갈리아)의 이름을 따서 명명하고, 이 원소를 나타내는 기호 Ga를 붙였습니다. 그리하여 갈륨은 화학 원소 발견 역사상 최초로 예측된 원소가 되었고, 이후 실험을 통해 확인된 원소가 되었습니다.
갈륨은 주로 중국, 독일, 프랑스, 호주, 카자흐스탄 등 세계 여러 나라에 분포되어 있으며, 그중 중국의 갈륨 자원 매장량은 전 세계 총 매장량의 95% 이상을 차지하며, 주로 산시, 구이저우, 윈난, 허난, 광시 등지에 분포되어 있다[1]. 분포 유형별로 보면 산시, 산둥 등지는 주로 보크사이트, 윈난 등지는 주석광, 후난 등지는 주로 섬아연석에 존재한다. 갈륨 금속이 처음 발견되었을 당시에는 이에 대한 응용 연구가 부족하여 활용성이 낮은 금속으로 여겨져 왔다. 그러나 정보기술의 지속적인 발전과 신에너지, 첨단기술 시대를 맞이하여 갈륨 금속은 정보 분야의 중요한 소재로 주목받으며 수요도 크게 증가하였다.
2. 금속 갈륨의 응용 분야
1. 반도체 분야
갈륨은 주로 반도체 소재 분야에서 사용되며, 갈륨비소(GaAs) 소재가 가장 널리 사용되고 기술도 가장 성숙되어 있습니다. 정보 전달 매체로서 반도체 소재는 갈륨 전체 소비량의 80~85%를 차지하며, 주로 무선 통신에 사용됩니다. 갈륨비소 전력 증폭기는 통신 전송 속도를 4G 네트워크의 100배까지 높일 수 있어 5G 시대 진입에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 또한, 갈륨은 낮은 녹는점, 높은 열전도도, 그리고 우수한 유동 특성을 지니고 있어 반도체 응용 분야에서 방열 매체로 사용될 수 있습니다. 갈륨 기반 합금 형태의 갈륨 금속을 방열 재료에 적용하면 전자 부품의 방열 성능과 효율을 향상시킬 수 있습니다.
2. 태양 전지
태양전지는 초기 단결정 실리콘 태양전지에서 다결정 실리콘 박막 태양전지로 발전해 왔습니다. 다결정 실리콘 박막 태양전지의 높은 생산 비용으로 인해 연구자들은 반도체 소재에서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 박막(CIGS) 태양전지를 발견했습니다[3]. CIGS 태양전지는 낮은 생산 비용, 대량 생산, 높은 광전 변환율이라는 장점을 가지고 있어 폭넓은 개발 전망을 가지고 있습니다. 둘째, 갈륨비소 태양전지는 다른 소재로 만든 박막 태양전지에 비해 변환 효율이 상당히 우수합니다. 그러나 갈륨비소 소재의 높은 생산 비용으로 인해 현재 주로 항공우주 및 군사 분야에 사용되고 있습니다.
3. 수소에너지
전 세계적으로 에너지 위기에 대한 인식이 높아짐에 따라 사람들은 재생 불가능한 에너지원을 대체하고자 노력하고 있으며, 그중에서도 수소 에너지가 두드러집니다. 그러나 수소 저장 및 운송의 높은 비용과 낮은 안전성은 이 기술 개발을 방해합니다. 지각에서 가장 풍부한 금속 원소인 알루미늄은 특정 조건에서 물과 반응하여 수소를 생성할 수 있으며, 이는 이상적인 수소 저장 물질입니다. 그러나 금속 알루미늄 표면이 쉽게 산화되어 치밀한 산화 알루미늄 필름을 형성하여 반응을 억제하기 때문에 연구자들은 낮은 녹는점의 금속 갈륨이 알루미늄과 합금을 형성할 수 있으며, 갈륨이 표면 산화 알루미늄 코팅을 용해하여 반응을 진행할 수 있고[4], 금속 갈륨을 재활용하고 재사용할 수 있다는 것을 발견했습니다. 알루미늄 갈륨 합금 재료를 사용하면 수소 에너지의 신속한 준비 및 안전한 저장 및 운송 문제가 크게 해결되어 안전성, 경제성 및 환경 보호가 향상됩니다.
4. 의료 분야
갈륨은 독특한 방사선 특성으로 인해 의료 분야에서 널리 사용되며, 악성 종양의 영상화 및 억제에 활용될 수 있습니다. 갈륨 화합물은 뚜렷한 항진균 및 항균 작용을 하며, 궁극적으로는 박테리아 대사를 방해하여 살균 효과를 나타냅니다. 갈륨 합금은 온도계를 만드는 데 사용될 수 있는데, 갈륨-인듐-주석 온도계는 안전하고 무독성이며 환경 친화적인 새로운 유형의 액체 금속 합금으로, 독성 수은 온도계를 대체할 수 있습니다. 또한, 갈륨 기반 합금의 일정 비율은 기존의 은 아말감을 대체하여 임상에서 새로운 치과용 충전재로 사용됩니다.
3、전망
중국은 세계 주요 갈륨 생산국 중 하나이지만, 중국의 갈륨 산업은 여전히 많은 문제점을 안고 있습니다. 동반 광물인 갈륨 함량이 낮아 갈륨 생산 기업이 분산되어 있고, 산업 사슬의 연결 고리가 약합니다. 채굴 과정에서 심각한 환경 오염이 발생하고, 고순도 갈륨 생산 능력이 상대적으로 취약하여 주로 저렴한 가격에 조갈륨을 수출하고 고가에 정제된 갈륨을 수입하는 데 의존하고 있습니다. 그러나 과학기술의 발전, 국민 생활 수준의 향상, 정보 및 에너지 분야에서 갈륨의 광범위한 응용으로 갈륨 수요 또한 빠르게 증가할 것입니다. 상대적으로 낙후된 고순도 갈륨 생산 기술은 필연적으로 중국의 산업 발전에 제약이 될 것입니다. 신기술 개발은 중국 과학기술의 고품질 발전을 달성하는 데 매우 중요합니다.
게시 시간: 2023년 5월 17일