원소로 보는 화학사 Vol.057, 원자번호 31번 '갈륨'을 소개합니다.
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        원소로 보는 화학사 Vol.057, 원자번호 31번 ‘갈륨’을 소개합니다.

        2019년 9월 19일

        지난 시간에 단일원소로는 다이아몬드 다음으로 단단한 물질인 ‘붕소(B, 원소번호 5번)’를 만나봤습니다. 오늘은 녹는점이 낮아 손으로 녹일 수 있는 금속! 반도체산업에 유용하게 쓰이는 ‘갈륨(Ga, 원소번호 31번)’에 대한 이야기를 준비했습니다.


        원자번호 31번 ‘갈륨(Ga)’을 소개합니다.

        따뜻한 물에 담가 놓은 숟가락이 사라지는 마술 영상을 본 적이 있다면, 갈륨(gallium)을 본 적이 있다고 생각해도 좋습니다. 이 마술은 실온에 고체로 존재하지만, 조금만 따뜻해져도 녹는 갈륨의 성질을 이용했기 때문입니다. 갈륨은 녹는 점이 약 30℃로 손바닥 위에 올려놓으면 서서히 액체로 변하게 됩니다. 녹는 모양이 마치 영화 <터미네이터 2 : 심판의 날>에서 스르르 녹아버리는 로봇 T-1000을 연상시키죠.

        반면에 끓는점은 무려 2,229℃나 되어서 액체로 존재하는 온도 범위가 매우 넓습니다. 갈륨은  독성이 약간 있지만, 인체에 잘 흡수되지 않아 ‘액체 금속’으로 흔히 사용됩니다. 그러나 다른 금속에 잘 녹아서 금속을 약화하기 때문에 주의해야 합니다. 갈륨은 비행기에 가지고 탈 수 없는 항목으로 분류되었습니다.

        ‘갈륨’의 발견과 원소명의 유래

        갈륨은 1871년에 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프(Dmitrii Ivanovich Mendeleev, 1834~1907)가 주기율표의 빈자리를 채울 원소의 존재를 예측했던 원소 중 하나입니다. 멘델레예프는 이 원소를 에카알루미늄(‘알루미늄 아래’)라고 불렀습니다. 이것은 프랑스의 화학자 폴 에밀 르코크 드 부아보드랑(Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, 1838~1912)이 갈륨을 발견하기 4년 전의 일이었습니다. 부아보드랑은 피레네 광산의 섬아연석 속에서 전기분해로 갈륨 원소의 산화물 분리에 성공했습니다. 애초 부아보드랑은 멘델레예프가 예측한 것과 자신이 발견한 새로운 원소는 무관하다고 여겼지만 실험 결과를 통해 같은 원소라는 사실이 증명되었습니다. ‘갈륨’이라는 이름은 부아보드랑의 모국인 프랑스에 해당하는 고대의 골(Gaul) 지방을 가리키는 라틴어 갈리아(Gallia)에서 유래한 것입니다.

        ‘갈륨’는 어디에 사용될까요?

        대부분의 갈륨 금속은 반도체 산업에 사용됩니다. 갈륨과 비소를 섞어서 제작한 반도체는 일반적으로 많이 쓰이는 규소 반도체보다 전자의 이동 속도가 훨씬 빠릅니다. 그러다 보니 소비 전력을 줄일 수 있고 반도체를 소형화하기 좋습니다.

        또한 갈륨을 질소, 인, 비소 등의 15족 원소와 혼합하면 전류가 공급될 때 여러 색의 빛을 선택적으로 내는 다이오드를 만들 수 있어 전기, 전자 분야에 많이 활용되고 있습니다. 갈륨을 이용한 LED 전구는 전력 효율이 높고, 수명이 20년으로 형광등을 대체할 조명으로 주목받고 있습니다. 그 밖에도 태양광 전지 원료 물질로도 사용되고 있어 갈륨은 친환경적 에너지 원료로 주목받고 있습니다.

        갈륨은 수은 온도계의 단점을 보완한 새로운 온도계의 주재료가 되기도 합니다. 갈린스탄 온도계는 겉보기에 수은 온도계와 비슷하지만, 독성이 없어 의료용, 냉각제 등 다양한 분야에 사용됩니다.

        갈륨은 물질의 표면을 정밀하게 깎아 내는 절삭 갈륨 이온 레이저로도 쓰입니다. 갈륨은 이처럼 다양한 분야에 이용할 수 있지만, 알루미늄 정제 과정에서 부산물로 얻어지는 원소인 만큼 비싸다는 단점이 있습니다. 아직 갈륨이 어떤 생물학적 영향력을 지녔는지에 대해서는 자세히 알려진 바는 없습니다. 다만 일부 해외 논문에서는 갈륨에 장시간 노출 시 피부염, 혈액세포 감소, 갈색 반점의 증상을 보일 수 있다는 연구보고가 있습니다.

        오늘은 홑원소물질 또는 녹는점이 낮은 합금으로 온도계의 충전제, 수은의 대용으로 사용되며 반도체의 재료로도 쓰이는 ‘갈륨(Ga, 원소번호 31번)’에 대한 다양한 이야기들을 들려 드렸습니다. 다음 이 시간에는 지각에 두번째로 많이 들어있는 ‘규소(Si, 원소번호 14번)’ 에 대한 정보로 돌아오겠습니다.

         

        <내용 출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기) /원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기) / Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)

         

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