광물과 경제전

Intro—2021년 기준 우크라이나 남부 오데사와 마리우로폴이 세계 네온가스 생산 70%를 차지한다. 현대 우크라이나와 러시아가 이 거점에서 치열한 전투를 벌이고 있다. 이로인해 세계 네온가스가 5배 올랐으며 특히 중국산 네온가스는 10배 넘게 올랐다.

1.리튬, 코발트, 희토류   3나라가 75프로 생산

*리튬 ---리튬은 주기율표상에서 가장 가벼운 금속으로, 지각 중 리튬의 평균함량은30ppm 정도이고 해수의 경우 0.18ppm 정도임. 리튬은 주로 페그마타이트광상에 수반되어 산출되며, 리튬 염류 용액과 리튬 함유 광물의 전기분해를통해 얻어짐. 리튬 화합물은 알루미늄 전해 시에 첨가하면 전류를 더 쉽게흐르게 하는 성질이 있어 알루미늄 업계에서 많이 쓰며 그 외에 요업, 유리, 합성고무, 윤활유, 건전지 제조 등에 이용됨---호주, 중국, 짐바브웨, 브라질에서 생산---칠레, 호주, 아르헨티나가 75프로 이상 매장

2017년 상반기를 기준으로 리튬의 가격이 3년 만에 4배가 넘게 폭등했다. 전기자동차 시장이 활성화되며 배터리의 수요가 폭발적으로 늘어나는 데에 따른 것인데, 최근 업계에서는 리튬을 '하얀 석유'로 부르고 있다고 한다(골드만 삭스, 자동차가 석유가 아닌 리튬배터리로 달리는 것을 비유해서 한 말이다). 리튬의 가격이 오르자 전 세계적으로 리튬을 캐기 위해 눈에 불을 켜고 뒤지고 있으며, 이에 매년 알려진 매장량이 급속도로 늘어나고 있다. 불과 몇 년 전까지만 해도 호주가 최대 매장량이라고 알고 있었지만, 현재는 리튬 트라이앵글로 불리는 볼리비아 칠레 아르헨티나를 거점으로 하는 지대에 전세계 매장량의 70% 이상이 매장되어 있는 것으로 조사되고 있다. 다만 이들 나라는 리튬 생산을 전부 자국에서 하도록 강제하고 있다. 과거 석유 등 자원이 해외 기업들에게 빼앗긴 경험이 이들로 하여금 아주 보수적인 접근을 하게 만들고 있으며, 이에 따라 해외 국가의 진출이 쉽지 않다. '광물의 표본실'이라는 별명이 붙어있는 우리나라에도 리튬이 없는 것은 아니나 '표본실 답게' 채산성이 없어서 생산하지 않는다고...그러나 2020년, 자동차 3.7억 대분의 리튬배터리를 만들 수 있는 양의 리튬이 2018년에 포스코가 찜해둔 아르헨티나의 한 호수에서 발견되었다고한다.

리튬의 대표적인 이용법으로 리튬 이온 배터리가 있다. 1990년대 후반부터 PC 등의 전자기기의 경량화가 진행되어 전지도 이에 따라 가볍고 대용량의 것을 추구하게 되었다. 그래서 등장한 것이 리튬이온 전지이다. 이 전지는 종래 사용되던 니카드 전지, 니켈 금속수소 전지에 비해 아주 가볍고 대용량이며 현재는 거의 모든 휴대용 제품에 사용되고 있다. 하지만 2008년 이래 몇 년간 발화사고가 잇따라 리튬이온 전지의 안전성 기준이 까다로워지고 있다. 리튬산화금속 전극을 합성할 때 코발트를 쓰는 경우 고온에 약하기 때문에 발화 가능성이 높아지며, 이는 망가니즈를 포함한 구조로 치환하면 어느 정도 해소가 가능하다. 하지만 산업적으로 리튬을 가장 많이 이용하는 것은 따로 있는데, 바로 유리 산업이다. 모래 등 실리카 성분을 녹여 유리나 도자기를 만들 때 플럭스 용제로 탄산 리튬을 첨가해 융해점을 낮추고 점도를 낮춘다. 그리고 알루미늄과 리튬의 합금은 기존 두랄루민을 대체할 항공우주재료로 각광받고 있다. 리튬은 또한 체내 타우물질의 인산화를 막기 때문에 알츠하이머성 치매의 증상을 완화하고 예방하는 데에도 제한적으로 쓰인다. 삼중수소라고도 하는 트리튬을 생산하는 데 재료가 되기도 한다. 현대의 열핵폭탄은 삼중수소와 중수소의 핵융합 반응을 이용하는데 삼중수소는 매우 생산하기 어렵고 비싼 물질인데다가 불안정하여 일정 시기마다 재충전을 해야 하고, 냉각도 해줘야 하며 이는 많은 비용을 발생시킨다. 그래서 핵폭발 시 나오는 중성자를 이용해 삼중수소를 만들기 위해 리튬을 사용한다. 우라늄 핵폭발에서 발생한 중성자를 중수소화리튬 화합물에 쪼이면 리튬이 삼중수소로 변하고 그 삼중수소가 중수소와 핵융합 반응을 일으키는 것이다. 즉 리튬은 현대적 열핵폭탄의 재료이기도 한다. 삼중수소는 산업용으로는 원자로에서 리튬에 중성자를 조사해 소량으로 생산한다. 핵폭탄에도 쓰였다. 캐슬 브라보의 폭발장치에는 40% 농축된 리튬이 포함되어 있다. 그리고 개인용 컴퓨터의 메인보드 안에 들어가 있는, 흔히 수은 전지라고 말하는 조그마한 3볼트 전지도 알고 보면 리튬 일차 전지다. 또한 AA/AAA 건전지 형태의 리튬 일차 전지도 상용화되어 있다. 일반 건전지보다 여러 배 비싸지만 수명이 길고 출력이 안정적이라는 장점을 가진다.

*코발트 수요는 2017-2020 기간에 5%씩 성장하였고, 리튬 배터리에 코발트가 지속적으로 이용되면서 2020-2025년 기간에는 11%씩 성장할 것으로 예상된다. 재생 에너지가 전력망에 포함되면서, 코발트는 대규모 에너지 저장 및 전기 자동차의 성장을 지원하게 될 것이며, 그 중요성이 지속될 것으로 보인다.

*코발트---코발트는 철족원소의 하나로서, 철과 비슷한 광택이 나며 강자성이다. 가열해도 잘 용해되지 않으며 공기 중 방치해도 표면이 녹슬 뿐 부식하지 않는다.  지각 내 평균 분포율은 연보다 약간 높은 0.0023%이며 콩고민주공화국과 잠비아의 층상 동광 또는 세계 여러 지역의 라테라이트 니켈광에서 부산물로 생산된다. 코발트는 합금으로서 중요하며 자성재료, 탄소강재료로 사용된다.  또한 도금에 사용되고 화합물로서 유리/도자기 등의 청색 안료, 동위원소인 ‘코발트 60’의 제조 등에도 사용된다. 주요한 코발트 광물로서는 카롤라이트, 리네이트, 코발타이트 등이 있다.---콩고, 호주, 러시아에서 70% 이상 생산---콩고, 호주, 인도네시아 70% 이상 매장

전기자동차가 상용화되면서 전기차 배터리의 주요 원료인 코발트의 가격이 폭등하고 있다고 한다. 고용량 리튬 배터리에는 리튬 니켈 코발트 화합물이 쓰이는데 코발트는 전세계 매장량의 71%가 콩고에 묻혀있을 정도로 편재된 자원인데다. 콩고의 정치적 불안과 치안 문제도 크다 보니 수급 문제가 더욱 심각해지고 있는 상황이다.  더군다나 중국계 기업들이 상당수 코발트 광산들을 공동보유하고 콩고의 코발트 생산량의 과반 이상을 중국이 공급받고 있는 형국이라 중국 외 다른 국가들에서는 코발트 공급을 받는데 애로사항이 크다. 리튬전지의 주원료는 리튬이지만, 코발트의 가격이 월등히 비싸고 수급불안으로 코발트가 가격이 톤당 5-6만불로 2배 이상 뛰어서 전지 제조 원가의 20% 이상을 차지하고 있다. 그래서 코발트 사용을 줄이고 상대적으로 싼 니켈의 사용을 늘리는 추세다. 코발트의 희소성으로 인해 코발트를 사용하지 않는 리튬인산철 전지를 사용하거나, 코발트는 물론 리튬도 사용하지 않는 나트륨 이온 전지가 개발되고 있다. 그러나 이 둘은 에너지 밀도와 출력 전압이 코발트를 사용하는 배터리보다 낮기 때문에 주행거리가 짧은 저가형 전기차나 에너지 저장장치 등 부피와 무게에 덜 구애받는 분야에서 주로 쓰일 것으로 예상된다. 코발트-60의 반감기는 5.2714년이며, 여기서 방출하는 감마선은 위력적이므로 무기로 활용될 계획도 있었다. 핵무기의 바깥층을 코발트로 설계해 핵폭발과 동시에 대량의 코발트 60이 생성되도록 하는 것인데, 이것이 바로 픽션상에서 인류를 멸망시키는 무기로 간혹 등장하는 코발트 폭탄이다. 지구 최후의 날 기제로 냉전 시절에 구상된 것 중에는 커다란 유조선에 코발트 60을 넣은 원폭을 가득 채운 것도 있었다고. 단, 실제로는 그리 경제적이지 못하다고 한다. 말 그대로 이론상 최강. 하여튼 2022년 러시아의 우크라이나 침공으로 다윈상—어이없이 죽거나 생식능력을 상실한 사람에게 주는 상. 노벨상 패러디 가운데 하나로 미국 기자 웬디 노스컷이 인간의 멍청함에 대한 사화집을 만들고자 제정했다. 이름의 유래는 진화생물학의 시조인 찰스 다윈의 이름을 땄다. 수상자들은 말 그대로 멍청하고 한심한 방법으로 죽거나 생식 불능 상태가 된 것인데, 바꿔 말하면 그 덕에 바보 같은 이들의 유전자가 대물림되지 않도록 인류에게 멍청한 유전자를 스스로 제거해서 인류 진화에 기여한 공로를 인정하는 것이기 때문이다. 좋게 포장하면 반면교사들이라 할 수 있겠다—이 더 생겼다. 화생방 부대에 속한 병사가 맨손으로 코발트 60을 훔치려고 했다고 한다.

 

*희토류---희토류의 주요 용도로는 금속 산업, 촉매제, 유리/렌즈, 첨단 세라믹, 영구자석, 인광 물질 및 항공기 ,배터리 ,위성통신장 비 ,디스플레이에 사용---중국, 베트남, 브라질, 러시아가 80프로 이상 매장---중국, 호주, 미국, 미얀마가 90프로 이상 생산. 네오디 뮴과 프라세오디뮴을 함유한 자석 제조가 희토류 개발의 핵심이 다. 이러한 자석은 풍력 터빈과 전기 모터에 사용되며, 그 수요가 2038년까지 연간 9%씩 성장할 것으로 예상된다. 희토류는 통신, 센서, 첨단 합금을 포함, 많은 부문에 폭넓게 응용된다. 태평양 해저에 희토류 진흙층이 발견되었다. 극히 일부 지역을 제 외하면 공해(公海)라서 특정 국가가 독점할 수 없다. 수심 3,000~6,000m의 심해. 물론 현재 한국에 매장된 희토류도 충분히 전략자원으로 활용할 가능성은 있겠지만 사실상 저 지역을 개발 하는 일은 없다고 봐야 할 듯. 해저자원을 캐내는 것은 유체(가스, 액체)가 아니면 아직 경제성이 없기 때문에 태평양 희토류를 캐내 는 것은 현재 불가능하다. 한편 일본에게 경제 보복을 하겠다며 희토류 수출을 금지했던 중국은 초반에는 중국 선장의 석방도 받 고 일본 정부로부터 사죄와 배상금을 뜯어냈다. 열받은 일본이 중 국의 견제를 목적으로 미국으로부터 희토류 원소 기술을 전수받 고 독자 기술로 희토류 원소 생산에 성공하자 일부 희토류의 중국 점유율은 50%대로 떨어졌다. 2018년 4월 10일 일본 도쿄 남동쪽 약 1,900 km 거리에 위치한 미나미토리 섬 남쪽 250 km인 미국 괌 근처 해저 5,600m 심해 25곳에서 1,600만 톤 규모의 희토류가 매장되어있다는 것이 확인되었다. 하이브리드 자동차에 들어가 는 전지 원료인 디스프로슘이 세계 수요의 730년분, 레이저 등에 사용되는 이트륨은 780년 분, 모터 등에 사용되는 터븀은 세계 수 요 420년분, 액정 디스플레이의 발광체로 이용되는 유로퓸은 620 년분으로 각각 추정됐으나 3배 이상의 희토류를 육상자원으로 보 유한 중국에 비해 채산성의 문제가 크다. 본문기사 연관기사 해당 지역은 한국과 미국 등 일본이외의 국가도 개발이 가능한 지역이 다. 그러나 이와 같은 대중 의존도를 줄이기 위한 노력에도 전자 제품 생산 등의 수요 증가와 여전히 중국 대체 공급처가 중국만큼 경쟁력이 있지 않기에, 중국은 미국을 상대로도 희토류 수출제한 을 시전하는 중이다. 결국 채산성이 문제다. 원래 미국은 80년대 까지 세계 최대의 희토류 생산국이었으나 오염문제 때문에 수입 에 의존하고 있던 만큼, 희토류 자원의 무기화에 맞서 다시 자국 의 희토류를 채굴하며 대항하려 하고 있다. 하지만 상술했듯 희토 류 채굴은 인건비가 저렴해야 하고 극심한 환경파괴를 동반한다. 미국으로선 무언가 획기적인 신기술이 개발되지 않는 한 불가능 에 가깝다. 실제로 미 지질조사국(USGS)은 지난해(2018년) 희토 류 글로벌 생산량(17만t)의 70.6%(12만톤)가 중국산이라고 집계 했으며, 심지어 직전 4년(2014~2017)간 미국이 수입한 희토류의 80%가 중국산이었다고 밝혔다. 中 희토류 수출규제 외친 날, 美 "한국과 공조" 동맹 압박. 이와 관련해 미국 항공우주국(NASA)에 서 특이한 소식 하나가 들려왔다. 짐 브리덴스타인 NASA 국장에 따르면 “금세기 안에 달 표면에서 희토류 채굴이 가능할 것”이라 고 말한 것이다. 2018년을 기점으로 중국의 희토류 수입량이 수출 을 초과하고, 2020년에는 희토류의 채굴 비중이 58%까지 내려 앉 는 등 상황이 여러모로 변했다. 희토류를 전적으로 중국에 의존하 는 것에 대한 불안감이 제기되면서, 러시아, 베트남, 브라질, 인도 등 여러 국가가 서방 세계의 지원을 받아 희토류 시장에 새로 진 입했기 때문이다. 희토류 최강자 중국이 대미 반격 주저하는 이 유. 다만 희토류의 채굴 비율만 떨어졌고, 이들 국가들이 희토류 시장에 진입한지 얼마 되지 않아서, 정제 희토류의 중국 생산 점 유율은 여전히 85%에서 90%에 육박하는 상황이다. 미얀마에서 도 희토류가 채굴되고 있는데, 미얀마 군부의 자금으로 사용한 만 큼 미얀마산 희토류 수입을 중단해야 한다는 목소리가 높다. 2018 년 촉발된 미중무역전쟁에서 중국이 만지작거린 카드가 바로 대 미 희토류 수출 중단 카드. F-22/F-35 등의 스텔스기를 생산하는 데 대당 400kg 이상의 희토류가 필요하다는 것이 미(美) 국방부에 의해 밝혀졌다.

 

2.스칸듐

스칸듐 자원 개발은 항공 우주 산업 전반에 걸쳐 알루미늄-스칸 듐 합금 수요 확대를 촉발시킬 것이고, 자동차 산업에서는 경차에 적용되어 보다 다양한 전기 자동차를 선보일 수 있게 할 것이며, 소비자 제품에까지 영향을 미칠 것이다. 주로 희토류 원소나 우라늄 화합물을 포함한 광물에 포함되어 있 으나, 이들 광물은 세계적으로도 생산량이 한정된 자원이다. 따라 서 순수한 스칸듐은 1937년이 되어서야 분리되었으며, 실용적인 용도로 쓰이기 시작한 것은 1970년대 이후이다. 1970년대에는 알 루미늄에 스칸듐을 첨가하면 그 강도가 증가한다는 것이 알려져 현재까지도 그 분야에 주로 사용되고 있다. 최근 들어 용도가 늘 어나고 있는데 스칸듐은 흔하지 않은 금속이므로 산업에는 조금 씩만 사용된다. 대표적으로 램프에 불을 켜는데 사용된다. 알루미늄과 스칸듐의 합금은 가볍고 강도가 뛰어나 다양한 용도 로 사용된다. 주로 항공우주 산업에 사용되는 부품에 첨가되는데 약 0.1~0.5% 가량의 스칸듐이 들어간다. 이는 러시아의 군용기인 미그-21기와 미그-29기에 사용되었으며, 냉전 시기에 개발된 소 련의 ICBM 탄두에도 사용된 것으로 알려졌다. 일부 고성능 스포 츠 장비에도 스칸듐이 들어간다. 경량 야구 방망이, 자전거 프레 임 등에 사용된다. 산화 스칸듐(Sc2O3)은 고성능 방전등에 사용된 다. 아이오딘화 스칸듐과 아이오딘화 나트륨은 수은등에 들어가 면 태양광과 비슷한 빛을 내는데, 이는 TV 카메라 등에 쓰이는 광 원으로 사용된다. 1년에 약 80kg의 스칸듐이 이러한 분야에 이용 된다. 방사성 동위 원소인 46Sc는 정유 산업에서 동위 원소 추적 자로 이용된다.---우크라이나, 러시아, 중국이 주생산국이다. 산화스칸듐을 주성분으로 하는 광물로 토르트바이타이트가 있 다. 이 광물은 1910년 노르웨이의 페그마타이트에서 발견된 것으 로, 산출량이 아주 한정되어 있다. 사실 스칸듐은 수많은 금속 산 화물과 고용체를 이루므로 많은 광물에 극미량이 포함되어있지 만, 상업적으로 채취할 수 있을 정도로 함량이 높은 광석은 거의 없다시피하다. 따라서 다른 희토류 원소와는 다르게 정해진 산출 지 역시 없다. 따라서 가격은 kg당 $2,000 ~ $4,000 정도로 비싸고 가격도 불안정하다. 공업적으로는 우라늄이나 텅스텐을 정제할 때 부산물로서 얻을 수 있다. 스칸듐은 야구장의 조명에도 쓰이는 메탈 할라이드 램프에 이용된다. 메탈 할라이드 램프란 발광관에 스칸듐/나트륨 등의 금속을 넣고 방전하는 것으로 태양광과 비슷 한 빛을 발하는 것이다. 이 램프는 할로겐 램프에 비해 밝고 수명 도 길다. 게다가 소비전력도 50% 정도 적기 때문에 전시물 혹은 영화 촬영용 조명이나 식물재배용 조명으로도 높이 평가된다. 알 루미늄과 합금하면 알루미늄의 가벼운 성질을 유지하면서도 강 도와 내구성을 비약적으로 개선시키기 때문에, 총기나 인라인스 케이트, 자전거의 프레임 등에도 사용된다. 특히 250도 이상의 고 온에서도 강도를 유지하므로 엔진의 구조재 등 종래의 타이타늄 합금이나 니켈계의 합금이 쓰이던 곳에 훨씬 가볍고 싸게 대체할 수 있어서 항공기용 부품재로 사용이 늘고 있다. 알미늄 야구 배 트에도 쓰이는데 강도가 커져 무게가 가벼워지고 반발력이 커진 다. 단, 배트 내부 판의 두께를 두껍게 만드는 경우가 잦아서 오히 려 무거워지는경우가 많다.(...) 특히 총기 시장에서 선풍적인 바람 을 일으키고 있는데, 스미스 & 웨슨이 스칸듐을 애용하기 시작한 회사. 무게가 지나치게 가벼워지다보니 스칸듐 합금 프레임을 쓴 총기는 가벼워서 휴대는 좋지만 무게가 줄어서 반동이 강해져서 좀 불편하다는 소리까지 나올 정도다. 알미늄-스칸듐 합금은 아연 마그네슘 구리 등 7000계 알미늄 합금에 여러 금속을 합금하면서 스칸듐이 2%~0.1% 이하로 포함된다. 다만 스칸듐은 알루미늄 합 금으로 사용할때만 이런 우수한 성능을 발휘하기 때문에, 기존에 알루미늄을 쓰지 않던 부품에는 스칸듐을 사용하지 못한다. 즉 총 신과 슬라이드, 노리쇠 같은 강철로만 만든 강해야 하는 부품에는 스칸듐도 소용없다.

 

3.티타늄

티타늄은 항공우주, 방위, 의료 부문에서 전략적인 가치를 계속 유지할 것이다. 원자력 에너지와 기타 고부식성 산업 공정에 이용 되는 내화성 도기용 지르코늄—지르코늄은 내식성, 흡착성, 침투 성이 풍부하기 때문에 내화물재료로서 우주왕복선 등에 쓰인다. 또, 중성자를 잘 흡수하지 않기 때문에 핵연료 피복재료로도 이용 된다. 원자로는 중성자를 이용해서 핵분열을 일으키기 때문에 지 르코늄의 중성자를 잘 흡수하지 않는 성질을 필요로 한다. 마그네 슘이나 베릴륨처럼 지르코늄보다 중성자를 덜 흡수하는 재질도 존재하지만, 단가와 내식성, 높은 녹는점 등의 기계적 특성 등을 고려하면 지르코늄이 제일 적합하다. 지르코늄 생산량의 1%가 순 도 95%의 합금 형태로 핵 연료 피복재로 사용된다. 비등경수로에 서는 니켈이 포함된 지르코늄-2를 사용하며, 한국에서도 사용되 는 가압경수로 노형의 경우 니켈이 수소를 흡수해 피복재에 취성 이 생기는 문제로 인해 니켈을 제외하고 철의 비중을 늘린 지르코 늄-4 합금을 사용한다—에 대한 수요가 계속 증가할 것으로 예상 된다. 또한, 촉매 변환기에도 사용되고 있으며, 배출 감소에 대한 중요성이 강조되고 있기 때문에, 지르코늄의 사용이 점점 확대될 것으로 예상되고 있다. 티타늄은 가볍고 단단하며, 거의 부식되지 않는다. 전이 금속 원 소로 은백색의 금속 광택이 있으며, 순수한 티타늄은 낮은 물성치 로 인해 강한 내식성이 요구 되는 곳을 제외하곤 대부분 합금으로 많이 쓰인다. 또한 이산화 티타늄은 흰색 안료의 재료로, 페인트 등에 쓰인다. 티타늄은 여러 광물에 널리 분포하는데, 주로 티탄 철석과 금홍석에서 얻는다. 두 가지 동소체와 다섯 가지 자연 동 위 원소로 발견되며, 가장 흔한 것은 48Ti이다. 타이타늄의 가장 중요한 성질은 뛰어난 내식성과 비중이 낮아 강철 대비 무게는 60% 밖에 되지 않는다는 것이다. 티타늄의 물리적, 화학적 성질은 지르코늄과 비슷하다. 대부분의 TiO2는 안료 제조에 사용(96%)되는데 주로 코팅, 플라 스틱 및 제지분야의 원료가 된다. 나머지 4%는 금속, 화학공업, 유 리 및 고온이나 특수 환경에 이용되는 특수 세라믹의 제조용이다. 티타늄 생산량 중 약 3%만이 금속으로 생산되어 항공부문, 자동 차부문, 스포츠용품 산업, 외과 이식(대체 관절), 파이프 및 석유, 가스, 열에너지 산업에서의 수직관 계통 등에 사용된다. 비 항공 부문 군사용으로는 무기제작에 사용된다. 금속은 또한 발전소, 화 학반응기와 같은 가혹한 온도 환경이 주어지는 산업부문의 열교 환기에 사용되고 나머지 티타늄은 특수세라믹, 제련용 용제 및 용 접봉 등으로 사용된다. ---호주, 중국, 인도가 70프로 이상 매장--- 호주, 중국, 캐나다, 우크라이나, 노르웨이, 모잠비크, 세네갈이 주 요 생산국 스테인리스강와 함께 대표적인 난삭재인데 열전도도가 낮아 가 공이 힘든 대신 비교적 가벼운 경금속 중에서는 강도와 내식성, 특히 내열성이 매우 뛰어나서, 온도가 1천도 가까이 올라가는 제 트엔진의 터빈 블레이드라든지, 공기와의 마찰로 고온이 되는 극 초음속 항공기나, 대기권에 재진입을 시도할 경우 고온이 되는 우 주선 표면에 적용하는데, 이를 대체할 재료가 거의 없다. 강도나 내열성만 따지면 텅스텐 등이 더 좋겠지만, 그런 금속들 중에 티 타늄만큼 가벼운 게 없어서, 중량에 민감한 항공우주산업에 쓰긴 어렵다. 당장 텅스텐은 밀도가 금(19.3)과 사실상 같은(19.25) 중금 속이다. 때문에 가벼우면서도 튼튼한 소재로써 우주선, 잠수함, 전투기 등등의 제작에 유용하게 사용된다. 가공이 어렵고 비싸긴 하지만 장점인 내열성 때문에 항공기 설계 기술자들이 말하는 환 상의 금속 언옵테늄에 가장 가까운 재료. 고온에서 질소와 반응해 티타늄 나이트라이드(질화 티탄, TiN)가 되는데, 경도가 대단히 좋 아서 공작 도구를 만들 때 쓰이다가 나중에는 공구나 테니스 라켓 같은 보다 일상적인 용품에도 사용되기 시작했다. 그 외에도 화학 반응을 하지 않는 단단한 물건이나 경량합금 제작에는 반드시 들 어가고, 극한 상황에서 가격을 생각하지 않고 가볍고 튼튼한 재료 가 필요하다면 티타늄밖에 없다. 녹 안 슬고 단단한 게 필요하다 면 TiN 또는 TiAlN으로 코팅해주면 끝내준다. 많은 수의 절삭공구 류를 이걸로 코팅하며, 스크래치 안 나게 막아주는데도 아주 좋 다. 다만 날을 갈아버리거나 사포 등으로 갈아버리면 끝... 부식에 강한 점을 이용해 핵폐기물 컨테이너와 폐기물 저장소의 보호재 로도 사용한다. 이산화티타늄 분말은 매우 고운 백색 가루인데, 백색의 안료 중에 서 값도 싸고 안전하면서도 최강의 반사율과 불투명도를 자랑하 므로 백색 물감이나 백색 페인트의 재료로 널리 쓰이고, 학용품 중 수정액에도 사용된다. 또한 피부에 발라 햇빛을 차단하는 선크 림에도 잘 들어갈 정도로 매우 안전한 물질이다. 아주 얇게 발라 도 빛을 대부분 반사해버려 통과하지 못하게 막아주는 막을 형성 한다. 이산화티타늄은 생체에 대해 매우 안전한 편이라고 알려져 있어 사탕과 초콜릿, 청량음료, 캡슐 알약 표면등에 쓰이는 흰색 식용색소 식품첨가물로도 흔히 쓰인다. 이후 연구에서는 세계보 건기구(WHO) 산하의 국제암연구소(IARC)가 이산화티타늄의 가 루를 흡입시 발암 가능성이 있는 물질로 분류했다. 이산화티타늄의 또 다른 용도가 있는데, 광촉매의 역할이다. 이는 수소자동차 등의 수소 원료의 최대의 단점 중 하나인 "결국 수소 를 얻는 가장 쉬운 방법은 물의 분해인데, 여기에 드는 에너지로 결국은 화석 에너지를 사용할 수밖에 없다."는 문제를 해결하기 위한 것이다. 즉, 물에 광촉매를 풀어놓고 태양빛을 내리쬐면 그 로 인해 생기는 광화학반응을 촉진시켜 큰 에너지를 들이지 않고 수소를 얻을 수 있다. 이산화티타늄은 1967년에 처음으로 광촉매 로 사용할 수 있음이 증명되었기 때문에 꽤나 유래가 깊은 광촉매 중 하나로, 현재로서는 태양빛의 4~5%에 불과한 자외선에만 반 응하는 것이 단점으로 꼽힌다. 서방세계에서는 대략 60년대 후반 SR-71 블랙버드를 만드는 과 정에서 소련산 티타늄을 대량으로 사용함으로써 처음으로 항공 기에 대량 사용되었으며, 그 이후 티타늄은 항공기 재료로서의 이 미지를 확립했다. 단 워낙에 비싼 금속이기 때문에, 일반적으로는 매우 큰 강도가 필요한 부분(이를테면 주날개와 동체를 연결하는 뿌리 부분)이나, 고온에 노출되는 엔진 근처의 방열판이나, 승무 원을 보호하기 위해 조종석 주위 같은 곳에만 제한적으로 쓰인다. SR-71 블랙버드는 마하 3으로 나는 동안 미칠듯한 대기마찰로 고 온이 발생하므로 동체 외피에도 상당량의 티타늄을 썼지만, 누가 티타늄 아니랄까 봐 마하 3의 마찰열을 받자 오히려 열처리 비슷 한 현상이 일어나서 외피가 더 견고해졌다고 한다. SR-71 블랙버 드의 대부분은 소련산 티타늄으로 만들어졌다. 소련을 감시하는 정찰기의 주 재료가 소련제라는게 아이러니. 소련 붕괴후 러시아 가 자본주의 국가가 되면서 현재도 항공용 티타늄을 미국에 수출 하고 있다. 2010년대 중반 러시아의 우크라이나 침공으로 미국과 사이가 틀 어져서 서로 수출규제를 하는 와중에도 러시아의 항공용 티타늄 미국 수출은 규제 대상에서 제외되었을 정도다. 미국은 심지어 155mm 견인포에도 이 비싼 티타늄을 사용한다. 덕분에 견인포 주제에 웬만한 자주포보다도 더 비싸다. 그것이 바로 M777 곡사 포인데 미국은 다른 나라들처럼 견인포를 대량으로 운용할 생각 도 없고, 있다 한들 아프간 같은 산악지대에서 차량 견인포는 쓰 기 어렵다는 이유로 헬리콥터가 운반할 수 있을 만큼 가볍고 튼튼 한 견인포를 소수만 굴리는 선택을 한 것이다. 러시아 같은 경우 는 굳이 항공기에 비싼 티타늄을 쓸 필요 없다고 생각했는지 80년 대까지도 항공기에 대부분 강철과 알루미늄, 두랄루민 등을 사용 했고, Su-27계열에 와서야 티타늄을 제대로 활용하기 시작했다. 그러나 비슷한 시기에 제작된 MiG-29는 여전히 강철도 많이 쓴 다. 대표적으로 위에 SR-71처럼 마하 3으로 나는 MiG-25도 강철, 알루미늄, 은 합금으로 만들었다. 소수만 제작된 정찰기인 SR-71 과 다르게 Mig-25는 대량 생산해야 했기에 티타늄을 쓰기에는 부 담스러웠던 것. 하지만 러시아가 티타늄 가공기술이 없던 것은 아 니라서 잠수함과 탱크를 만드는 데는 아낌없이 사용하였다. 일례 로 소비에트 연방이 알파급과 시에라급 잠수함의 선체를 이걸로 만들었는데 안전 잠항심도가 700m까지 가는 괴력을 보여주었다. 이는 일반적인 대형 잠수함의 잠항심도 3배가량이나 되는 능력이 었으며, 서방제 어뢰보다 더 깊이 잠수할 수 있는 깊이었다. 그런 가 하면 T-80U에도 순수하게 전차 무게를 줄이려고 사용했다고 한다. 경제관념이 희박했던 구소련 시절에 설계되어 가능했다고 판단된다. 그런가 하면 구소련 특수부대에게 지급할 방탄모에 쓸 합성섬유 기술력이 떨어지고, 방탄모 만들 재질도 없어서 티타늄 으로 만든 헬멧을 사용하기도 했다

 

4.텅스텐

 

텅스텐이라는 말은 스웨덴어로 '무거운 돌'을 의미하기 때문에 한 자어로 중석(重石)이라고도 부른다. 무겁고 매우 단단한 전이 금 속으로 철망가니즈중석과 회중석 등의 광석에서 산출된다. 1781 년에 처음 발견되어 1783년에 순수한 형태로 분리되었다. 원소들 중 녹는점이 가장 높으며, 밀도는 19.3g/cm3으로 금이나 우라늄 과 비슷하다. 순수한 텅스텐은 단단하면서도 연성이 뛰어나며, 불 순물이 소량 첨가되면 단단하지만 부서지기 쉬워 가공하기 어려 워진다. 순수한 텅스텐은 전기·전자 분야에 쓰이지만 주로 화합물 이나 합금으로 널리 쓰인다. 또, 텅스텐은 단단하고 밀도가 높으 므로 군용 목적으로는 전차의 장갑을 뚫는 탄에도 많이 활용된다. 전체 텅스텐 생산량의 약 60%정도는 탄화 텅스텐(WC)를 기반으 로 한 고강도 물질의 생산에 이용된다. 이는 탄화물 중 가장 단단 한 물질 중의 하나로, 경도는 다이아몬드와 비슷하다. 매우 단단 한 특성을 이용하여 칼, 드릴, 톱 등 절단 용구에 많이 사용된다. 일부는 반지 제조에 사용되기도 한다. 텅스텐은 단단하고 밀도가 높아 중금속의 합금에 많이 이용되며, 특히 고강도강은 텅스텐 함 량이 18% 정도이다. 녹는점도 매우 높으므로 로켓이나 미사일의 엔진 노즐에도 사용된다. 텅스텐을 철, 니켈, 코발트 등과 혼합하 여 만든 합금은 매우 무거우므로 열화 우라늄탄을 대신하여 운동 에너지탄에 사용하기도 한다. 방사능이 문제가 되는 경우 등 열화 우라늄탄을 사용할 수 없는 곳에 주로 사용하며, 이와 비슷하게 포탄의 탄피, 수류탄, 미사일 등에 사용된다. 이밖에도 항공우주 공학, 자동차 산업, 방사선 보호 등 텅스텐은 다양한 분야에 널리 사용된다.--- 중국, 러시아가 70프로 매장---중국, 베트남이 95프 로 생산. 텅스텐은 녹는점이 3,422 °C나 되어서 주로 텅스텐강, 고속도강 등의 합금강을 제조하는 데에 사용되며, 순수한 텅스텐은 백열전 구나 진공관의 필라멘트, 용접용 전극, 전기 접점 등과 같은 전기 분야에서 사용된다. 또 고온에 견뎌야 하는 X레이 발생관의 타겟 으로도 쓰인다. 순수 텅스텐은 녹는점은 매우 높지만 사실 금속을 잘라내는 용도의 실톱으로 다룰 수 있을만큼 무른 편이다. 하지만 다른 금속이나 탄소와 합금이 되면 무척 단단하고 가공하기가 어 려운 재료가 된다. 탄화텅스텐(텅스텐 카바이드)은 대단히 단단하 다. 다만 통짜로 만드는 것이 곤란하고 분말 형태로 나오기 때문 에 일반적으로 녹은 코발트와 섞어 소결시켜 만든다. 이를 초경합 금(Widia)이라고 하는데 모스 경도 9에 이르는 강옥에 필적하는 경도가 나오지만 연성이 거의 없고 취성이 강해 깨지기 쉬우므로 강철을 대체하기는 어렵고 기계 공구, 험지용 바퀴 스파이크, 소 구경 철갑탄의 탄자, 아웃도어용 나이프에 쓰이는 샤프너, 볼펜촉 등에 사용된다. 특히 채굴용 드릴의 재료로서 광업에서는 없어선 안될 합금이기도 하다. 일상 생활에서 부식되거나 긁힐 일이 거의 없기 때문에 변하지 않는다는 상징성을 살려서 드물게 결혼 반지 의 재료로 쓰기도 한다. 텅스텐 합금강은 초경합금으로 공구강 등 산업적으로 널리 쓰이는데 특히 열이 많이 나는 드릴 날이나 밀링 날, 고속 절삭용 회전톱날 등에 쓰인다. 탄화텅스텐 자체는 아니 라도, 현대의 고경도 특수강들 중에는 탄화텅스텐 입자가 일정 비 율 포함된 것들도 있다. 내마모성만 놓고 보면 바나듐—흐름전지(플로우 배터리)라는 산 업용 대형 축전지 또는 에너지 저장시설에서 전해액으로 쓰인다. 바나듐은 화학적 기계적으로 강한 금속이라 플로우 배터리의 충 방전 수명이 매우 길어져 유망한 재료. 바나듐 흐름 전지가 차세 대 ESS로 여겨지는 관계로 사용처가 늘어날 것으로 보인다. 중국, 러시아, 남아공에서 90% 이상 생산—이 가성비가 좀 더 좋지만, 텅스텐은 거기에 내열성도 어마어마하기 때문에 특히 고온에서 도 물성을 최대한 잃지 않아야 하는 강재에 많이 쓰인다. 이를 고 속도강(High Speed Steel)이라 한다. 현대의 도검용 강재에도 꽤 쓰이는 편이지만, 바나듐보다는 살짝 선호도가 낮다. 또한 무기, 특히 탄약의 재료로도 널리 쓰인다. 텅스텐 90% 이상에 니켈과 철이 포함된 텅스텐 중합금은 높은 비중과 강성을 갖기 때문에, 장갑차량의 두터운 장갑이나 강화진지의 외벽 등을 관통하기 위 한 철갑탄, 즉 운동 에너지탄의 관통자(penetrator) 전체 혹은 탄 두의 피모를 이루는 재질로 활용된다. 전차나 장갑차 주포에서 쏘 는 날개안정분리철갑탄(APFSDS), 벙커버스터와 같은 벙커 파괴 용 관통폭탄 등이 대표적인 사용예이다. 또한 예로부터 경심철갑 탄의 주재료이기도 하여서 2차 대전 때 전차를 잡는 용도로 많이 쓰였다. 하지만 방탄복에 삽입하는 방탄 플레이트나 방탄모 용도 로는 굉장히 비효율적이다. 동일 두께의 탄소강이나 티타늄보다 도 훨씬 방탄능력이 떨어지기 때문. 상술한 것처럼 연성이 거의 없고 취성이 강한 이유로 8mm 두께 의 텅스텐 카바이드 플레이트의 경우 9×19mm 파라벨럼탄이나 .45 ACP탄까지 겨우 겨우 막는 수준이고 10 mm AUTO탄이나 44 매그넘, 357 매그넘탄부터는 여지없이 크래커 과자처럼 깨진다. 개인보호장구로 쓸 수 있는 방탄 플레이트로써 최고 두께라고 할 수 있는 1인치 두께의 방탄 플레이트로 텅스텐을 사용한다면 그 럭저럭 효과는 있겠지만 그 미친 무게와 가격을 생각하면 차라리 일반 세라믹 방탄 플레이트가 훨씬 낫다. 이와 같은 용도로, 텅스 텐 중합금보다 싸고 물리적 특성이 우월한 열화우라늄도 있으나 이런저런 문제가 많다. 텅스텐 탄자는 목표에 맞으면 열로 인해 끝이 버섯처럼 뭉툭해져 관통력이 떨어지지만 열화우라늄탄은 목표에 맞으면 표면만 연해져 끝이 더 예리해지는 자기 첨예화 (self-sharpening)가 일어난다. 이로 인해 산업, 군사 활용도가 아 주 높아 손꼽히는 전략 광물이기도 하다. 실제 2차대전 당시 유럽 내 주요 텅스텐의 산지였던 포르투갈의 파나스케이라 지방과 스 페인은 연합국과 추축국 양쪽에게 텅스텐을 공급하고 이득을 취 했으며, 영국 같은 경우에는 아예 포르투갈산 텅스텐을 먼저 선 점, 싸그리 수입하여 독일이 수입할 몫이 없도록 만들어버리기도 했다. 현재도 중요한 전략물자인건 매한가지인지라 다수의 국가 들이 전략예비로서 적어도 60일에서 180일분의 국내소비량을 확 보해두는 광물이기도 하다.

 

5.안티몬

안티몬의 국제 공급에는 지정학적 요인이 작용한다. 안티몬은 방 화제와 납 축전지, 새로운 대규모 전력 저장 배터리에 사용되고 방위 산업에도 적용된다. 안티모니는 가장 오래 전부터 사용하기 시작한 금속 가운데 하나로, 가장 대표적인 광물은 휘안석이다. 보통의 금속은 회색 안티모니라고 하는 안정형으로써, 은백색 광 택이 있는 결정형이다. 안티모니의 세계 매장량은 약 180만 톤으 로 중국에 약 44%, 볼리비아와 남아공, 러시아, 타지키스탄 등에 나머지 대부분이 부존한다. 중국과 호주, 볼리비아, 남아공, 러시 아 등이 세계 생산량의 95% 이상을 생산한다. 안티모니의 주요 용도는 연축전지의 극판, 방염제이며 이밖에 베어링금속, 땜납, 활자금속, 탄약, 안료 등도 있다.

 

6.몰리브덴

몰리브덴은 매우 높은 용융점 (2,610℃)을 갖는 은백색 금속으로 열전도율이좋으며, 열팽창률이 낮아 주로 풍력 및 수력 발전 터빈 용 특수강 및 합금 제작에 중요한 재료로 사용되며, 비료, 윤활제, 기타 부상하는 촉매제에도 응용되는 등, 다양한 용도로 이용된다. 주요 부존국은 중국, 미국, 페루, 칠레, 러시아 등이며 주요 생산국 은 중국, 칠레, 미국, 페루, 멕시코, 러시아 등임. 몰리브덴은 포신 재료, 자동차, 레일, 페인트, 안료, 촉매제, 반도체 등에 이용되고 있다. 텅스텐, 구리, 몰리브덴---탄약, 제트엔진, 요격탄두 희토류---항공기, 배터리, 위성통신장비, 디스플레이 갈륨---집적회로등 전자기기 티타늄---미사일 시트템 베릴륨, 코발트, 나이오븀, 탄탈룸---미사일 제트엔진부속품 코발트와 콜탄---휴대전화 핵심부품

 

7.갈륨

갈륨과 인듐, 주석의 합금인 갈린스탄은 녹는 온도가 영하 19도라 상온에서 액체로 존재하며, 수은에 비해 독성이 적어 수은의 대체 물질로서 원자로 냉각재, 체온계 재료 등으로 사용된다. 뚜따 등 으로 유명해진 리퀴드 프로나 Conductonaut 같은 고성능 서멀 컴 파운드의 원료이기도 하다. 갈륨 액체금속은 고성능 전자장치의 냉각용 냉매로 고성능 냉각용으로 점차 쓰이고 있다. 비용은 매우 비싸지만 밀도와 비열이 큰 금속이므로 수랭과는 비교도 안되는 압도적 냉각성능을 낼 수 있다. 전자산업에서 갈륨과 비소의 화합 물 갈륨비소(GaAs)를 반도체 재료로 쓰기도 한다. III-V족 반도체 라는 것으로 실리콘 소자 보다 전자를 매우 빠르게 움직이게 할 수 있다. 때문에 LED 등의 발광소자, 그리고 고효율 태양전지나 초고주파 소자나 슈퍼컴퓨터, 광반도체 등에 사용되고 있다. 아직 은 제조단가가 비싼게 흠. 갈륨이 반도체로 쓰일 수 있는 것은 외 곽전자가 3개인 III족 원소이기 때문에 외곽전자가 5개인 V 족 원 소(비소나 질소 등) 와 화합물 결정을 이루면 IV 족인 실리콘 처럼 안정적 공유전자 결정이 되어 반도체로 쓸 수 있게된다. 화합물 중 하나인 질화 갈륨은 GaAs 보다 뛰어난 전자적 특성으로 반도 체 소자 재료로 청색 LED, 고출력 초고주파 소자 등에 사용된다. 알루미늄에 침투하여 산화물 막을 무너뜨리기 때문에 화학 분야 에서는 알루미늄 아말감의 환경 친화적 대체재로서 사용될 수 있 다.---중국, 일본, 한국, 러시아, 우크라이나에서 생산

 

8.베릴륨

베릴륨은 알루미늄, 구리, 철, 니켈 등의 금속과 혼합하여 합금을 만들면 여러 가지 물리적 성질이 향상되는 효과를 볼 수 있다. 또 한, 비중이 1.85로 가볍고 단단한데다가 열 전도율이 높아 미사일, 우주선, 인공위성 등 항공우주 분야와 전기·전자, 원자력, 합금 등 에 사용된다. ---아르헨티나, 브라질, 마다가스카르, 미국, 러시아, 인도에 많이 매장되어 있고,--- 미국, 중국에서 대부분 생산.

 

9.나이오븀 주석이나 저마늄, 티타늄 등과 합금한 초전도 합금 재료로 널리 쓰이고 있다. 이런 초전도 나이오븀 합금으로 만든 리본 모양의 전선으로 전자석을 만들어서, 액체 헬륨 등으로 일정 온도 이하가 되도록 냉각시키면, 전선의 전기저항이 거의 없기 때문에 반영구 적으로 전류를 흘리는 것이 가능하다. 게다가 강한 전류를 흘릴 수도 있어서 강력한 전자석을 만드는 것도 가능하다. 이 강력한 전자석을 초전도자석이라고 하며, 자기부상열차 등에 이용된다. 그래서 거대 경입자 충돌기 (LHC) 나 ITER 핵융합 실험로 같은 초 전도를 이용한 연구나 시설에 대량으로 쓰인다. 나이오븀의 화학적 성질은 지르코늄이나 탄탈럼과 매우 흡사하 다. 요즘 탄탈럼 컨덴서 등이 스마트폰 등에 널리 쓰이면서 탄탈 럼이 수요가 급증해 가격이 10배로 뛴데다, 콩고 등 분쟁지역에서 주로나는 분쟁광물이라, 탄탈럼 대신 나이오븀을 이용한 컨덴서 등을 만들려는 연구가 있다. 문제는, 2016년 기준 나이오븀도 가 채년수가 45년 정도밖에 남지 않았다고 하는 것이다. 나이오븀과 탄탈럼은 늘 함께 붙어 다니므로, 대개 이것들이 함유된 광물은 나이오븀의 미국에서 부르던 이름인 '콜롬븀'과 탄탈럼의 앞부분 을 합한 '콜탄' 이라는 이름으로 불려진다. 그래서 콩고에서 콜탄 을 캐낸다는 이야기는 즉 나이오븀과 탄탈럼이 붙어 있는 광물을 캐낸다는 뜻이다. 세계 매장량은 약 290만톤으로, 브라질이 98% 를 차지하고 있고 생산량도 92%(5만7000톤)를 점유하고 있다.

 

10.탄탈럼

 

광석을 알칼리융해하여 탄탈럼산염으로서 추출하고, 산으로 분 해하여 탄탈럼산으로 만드는데, 항상 나이오븀이 혼입하므로 플 루오린착염(錯鹽)으로서 분별결정에 의해 나이오븀과 분리시키 고, 전기분해하여 환원시켜서 금속을 얻는다. 경도나 녹는 온도나 비중이나 바로 이웃인 텅스텐과 비슷하게 매우 단단하고 고온에 서도 잘 견디고 부식에도 강한 무거운 금속이어서 철갑탄의 관통 자 탄자나 초경도 공구 등 텅스텐과 비슷하게 쓸 수 있지만 텅스 텐보다 비싸기 때문에 대부분 텅스텐을 쓴다. 내산성이 좋기 때문 에 화학공업용 내산제(耐酸劑)의 재료로서 사용되고, 녹는점이 2996℃으로 텅스텐만큼 높은지라 탄탈럼-텅스텐 합금은 적열(赤 熱)해도 탄성을 잃지 않으며, 탄화탄탈럼은 굳기가 커서 다이스 등 공구에 사용된다. 진공관·레이더용 전자관 등의 재료로도 사용 된다. 특히 고온에 강해 진공관 전극으로도 쓰지만 진공관에 잔류 하는 산소나 질소와 결합해서 고도의 진공을 유지하는 getter로 도 쓰인다. 전해 캐패시터로도 쓰인다. 탄탈을 소결시키면 미세한 분말에 아주 얇은 산화탄탈 막을 형성 하는데 절연성능이 좋고 유전율이 높은 고유전체이므로 부피에 비해 매우 우수한 콘덴서를 만들 수 있다. 탄탈을 이용한 캐패시 터는 일반적인 캐패시터의 약 1/60의 크기로 똑같은 성능을 낼 수 있다. 휴대폰을 위시한 소형 첨단 전자기기(MP3 플레이어, 태블 릿 등)에 SMD형 탄탈 캐패시터는 필수불가결한 것으로, 소형 첨 단 전자기기에 보급에 탄탈은 커다란 이바지를 한 것이다. 하지만 소형 첨단 전자기기의 급속한 보급으로 탄탈의 값이 치솟았기 때 문에 지금은 저렴한 나이오븀 캐패시터에 대한 연구가 행해지고 있다. 이런 전자재료로서 우수한 성질을 가지고 있지만 공급이 크 게 달리고 광물인 콜탄이 콩고공화국 같은 분쟁지역에서 많이 나 기 때문에 대표적인 분쟁광물이다. 2000년대에 들어, 1년새 탄탈 의 값이 약 10배나 뛰었는데, 이것은 핸드폰의 급속한 보급에 기 인한다. 2019년 총 채굴량은 1800톤 이었으며, 콩고 공화국에서 710톤, 르완다에서 600톤, 나이지리아에서 150톤, 중국에서 120 톤이 채굴되었다. 배터리의 용량과 수명을 결정하는 핵심 소재, 양극재 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 구성된다. 이 중에서 양극재는 리튬이온소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정한다. 양극재는 양극을 이루며 배터리의 특성을 결정하는 중 요 요소이다. 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 배터리의 용 량과 전압이 결정되기 때문이다. 에너지 밀도를 끌어올리기 위해 서 양극 활물질의 에너지 밀도를 최대로 높여야 한다. 양극 활물 질로는 Ni(니켈), Mn(망간), ), Co(코발트), Al(알루미늄) 등을 꼽을 수 있으며 여기서 니켈은 고용량 특성, 망간과 코발트는 안전성, 알루미늄은 출력특성을 향상시키는 역할을 한다. 양극재는 이 물 질을 적당한 비율로 섞어 만드는데 주로 NCM(리튬, 산소, 니켈, 코발트, 망간), NCA(리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄, 산소) 두 종류의 양극재가 시장을 주도하고 있다.

 

11.니켈

 

대부분은 철, 크롬에 합금해 스테인리스강을 만드는 데 쓰이며 그 외 각종 다른 합금을 만드는 재료로 널리 쓰인다. 그리고 니켈 합 금인 하스텔로이 중 2종과 모넬 중 2종은 60% 농도의 불산(불화 수소산)에 견디는 몇 안되는 금속재료이기도 하다. 도금 또한 니 켈 생산량의 10% 정도가 쓰이는데, 예를 들어 컴퓨터 부품 중에 하나인 히트싱크가 있는 고가형 공랭식 쿨러는 부식 방지를 위해 니켈 도금된 경우가 많다. 또 제트엔진의 터빈 블레이드 등 섭씨 1 천도-1,700도가 넘는 초고온을 견디는 초내열 합금들도 대부분 니켈 (> 50%) 을 기반으로 크롬 코발트 레늄 루테늄 알미늄 티탄 등 여러가지 다른 금속과 합금하여 사용한다. 흔히 니켈계 초내열 합금이라고 한다. 그 밖의 합금으로 니켈티타늄합금(니티놀)이 있 다. 이것은 니켈과 티탄의 비율이 1:1인 것으로, 변형시켜도 일정 온도 이상으로 가열하면 원래대로 돌아오는 성질을 가지고 있다. 이 성질을 가진 합금을 형상기억합금이라 한다. 크롬과의 합금인 니크롬선은 저항률이 높기 때문에 열선으로 사용된다. 또한, 수산 화니켈은 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 합금 전지의 양극으로 도 쓰인다. 스마트폰이나 전기자동차 등에 쓰이는 이차전지인 고 성능 3원계 리튬이온전지에는 전극재료로 리튬-코발트-니켈 합 금이 쓰인다. 코발트 값이 비싸서 되도록 코발트 사용량을 줄이기 위해 니켈의 사용이 늘어나고 있디. 전기자동차의 리튬이온전지 생산이 늘어나며 니켈의 수요가 크게 늘어나 가격도 오르고 구하 기 어려워지는 등 갈수록 중요성이 커지고 있다.---캐나다, 러시 아, 호주, 인도네시아, 짐바브웨에서 대부분 생산

 

12.망간

망가니즈 자체는 아주 무르지만 철의 합금원소로 자주 이용된다. 철 내부에서 내식성과 강도를 해치는 원소인 황과 결합하여 MnS 를 만들므로 황의 해로운 성질을 경감한다. 또한 녹은 강철을 주 조하기 전에 산소를 제거하는 용도로 Si 등과 함께 첨가된다. 망간 을 1% 포함한 강철은 강도가 늘어나고, 가공성이나 내식성도 향 상된다. 그래서 철도의 레일이나 토목기계, 도검용 강재, 교도소 의 철창 등에 폭넓게 이용된다. 망간합금으로 만들어진 소재는 매 우 단단하여 대부분 금속 가공용 부품으로 제조된다. 공업에서 이 용되는 망가니즈 화합물로는 이산화망간이나 황산망간이 있다. 이산화망간은 건전지 제조에 이용되며, 황산망간은 금속망간의 제조 등에 쓰인다. 알칼라인 전지에는 망간을 사용하며, 그 외 다 른 화합물에서 차이가 난다. 기본적으로 충전이 불가능한 AA/AAA사이즈의 1.5v 전지에는 이산화망간이 들어간다. ---아프 리카에 80% 매장, 그 외 우크라이나, 호주, 인도 ,중국, 브라질에 매장, 그 밖에, 태평양 등의 심해저에는 망간과 망간 외 다른 여러 광물이 뭉쳐진 망간 단괴라 불리는 광물이 많이 가라앉아 있으며 그 총량은 100억 톤 이상으로 추정된다. 장래 금속자원이 부족이 확실하므로 옛날부터 주목받고 있는 미래의 자원. 다만 현재는 심 해 채굴기술과 경제성의 부족으로 본격적으로 개발되지는 못하 고 있다. 2016년 1월 로봇을 이용한 채굴 기술이 국내 기술로 실 험 성공했다고 한다. 2020년 상용화를 목표로 기술개발 중이며 국 제해저기구(ISA)가 채굴규정 등을 만들면 2030년대부터는 본격 적인 상업생산이 이뤄질 것으로 예상되고 있다.

 

13.알루미늄

알루미늄은 녹이 슬지 않는다는 통념을 가진 사람이 많으나, 이는 정확하지 않은 것이다. 알루미늄 자체는 산과 염기 모두에 쉽게 반응하며 철보다 산화가 쉽게 일어난다. 그러나 철의 산화물인 산 화철이 검붉은 분말로 들고 일어나는 것과 달리 산화알루미늄은 표면에 안정된 피막을 만들어 속의 알루미늄을 뒤덮기 때문에 더 이상 산화가 진전되지 않도록 할 수 있다. 스테인리스 스틸이 표 면에 크롬의 산화막을 형성해서 녹이 슬지 않는 것과 같은 원리이 다. 이러한 치밀한 피막 때문에 쉽게 반응이 안 된다는 성질 덕에 재활용 효율이 좋다. 일단 금속상태로 제련된 것은 다루기가 쉽고 부식으로 손실되는 양이 얼마 되지 않기 때문. 제련하는 데 막대 한 비용이 드는 금속이긴 하지만 이 특징 덕에 전 세계적으로 제 련 누적량을 많이 축적할 수 있었고, 이 덕분에 알루미늄 가격이 많이 떨어진 것이다. 그러나 자연적으로 생기는 피막은 혹독한 환 경을 견디기엔 너무 얇게 생기므로 아노다이징을 통해 더 두꺼운 피막을 덮어씌워 버리기도 하며, 용접시에도 철보다 더 신경써서 표면을 청소하고 작업에 들어가야 한다. 알루미늄은 기계적 강도 를 확보하기 위해 합금으로 사용하는데, 합금 조성에 따라서 산화 가 쉽게 발생할 수도 있다. 실제 알루미늄 합금이 녹이 슨 사례는 iPhone 6s가 산화된 사건이 있다. 갈륨의 경우 이 알루미늄을 용 해시켜 부스러지게 만드는 특성이 있다. TechRax라는 유튜버는 이걸 이용해서 알루미늄인 아이폰 6에 흠집을 내고 갈륨을 부었 다. 역시 우리의 예상대로 푸사삭 부셔진다. 이처럼 순수한 알루 미늄은 이러한 특성 덕에 쉽게 부식되고 강도도 크게 떨어지기 때 문에 실제로 활용되는 알루미늄은 대개 합금이다. 대표적으로 두 랄루민이 있으며, 또 구리 및 마그네슘을 소량 첨가 시 강도가 획 기적으로 향상되기 때문에 각종 차량이나 여행가방, 항공기 제작 에 널리 쓰이고 있다. 현재는 철도차량에도 이용 중이다. 매우 가벼운 금속인 관계로 무게가 중요한 ACSR(강심 알루미늄 전선) 등의 장거리 송전선, 비행기 및 기차의 동체 등에 주로 쓰이 며, 각종 합금도 여러 분야에 많이 활용된다. 송전탑의 나전선뿐 아니라 가정용 전선, 전기차 배선 등으로도 사용이 확대되고 있 다. 무게 대비 전도성은 오히려 구리보다 알루미늄이 더 높다. 집 적회로의 내부 배선 용도로도 아주 자주 쓰였으며, 2010년대 현재 도 MHz 단위의 저속으로 동작하는 IC는 내부 배선을 알루미늄으 로 만든다. 그러나 멀티탭 등 구리선이 사용되어야 할 장소에 원 가 절감을 위해 알루미늄 전선을 사용하여 문제가 되는 경우도 있 다. 동일 단면적일 경우 구리보다 알루미늄의 전기 저항이 높으므 로 발열과 화재의 위험이 있다. 또한 구리선으로 속이기 위해 알 루미늄 전선 표면을 구리로 도금하는 일도 있다. 알루미늄 전선의 단점으로는 납땜이 어려우며(특수한 땜납이 필요하다), 다른 도체 (특히 구리 등 다른 금속)와의 접점을 제대로 체결하지 않으면 전 기 저항이 높아져 화재 위험이 발생한다는 점이 있다. 강도 자체는 철에 비해 떨어지지만 가벼운 금속이라 같은 중량으 로 두꺼운 장갑을 만들 수 있기에 일반적으로 중량 대비 포탄에 대한 방어력은 더 높다. 때문에 장갑차의 장갑재나 고속정의 상부 구조물 등에 자주 쓰인다. 한때 대형함의 상부구조물에도 잘만 쓰 이던 재료였으나, 영국 프리깃 아마존이나 미국 순양함 벨크냅 등 에서 화재에 큰 피해를 당한 사례 때문에 고속정처럼 경량화가 최 우선 과제인 경우 등을 제외하면 전투함의 상부 구조물은 강철로 건조하는 경우가 많아졌다. 알루미늄은 고열에서의 연소속도가 빠르고 일단 불이 붙으면 추가적인 고열이 급격하게 발생하기 때 문이다. 물론 화재로 인한 피해를 줄일 목적이지, 없애겠다는 것 은 아니다. 영국 구축함 셰필드는 상기한 아마존급 프리깃의 교훈 을 받아들여서 전강철제로 상부 구조물을 올렸지만 화재로 상당 한 피해를 입었다. 상부 구조물에 알루미늄을 써서 화재가 발생했 다는 이야기는 사실이 아니다. 또 애초에 알루미늄은 경량화 목적 으로 사용하는 소재기 때문에 같은 중량을 쓰지 않으므로 강철 장 갑에 비하면 방어력은 떨어질 수밖에 없다. 게다가 경화처리가 거 의 안 되기 때문에 탄자형상에 따라서는 더 쉽게 관통되고, 시간 이 갈수록 값이 더 비싸지고 있으며, 피격된 후에는 용접이 어려 워서 수리도 힘들기 때문에 중량 제한이 넉넉한 장갑 차량은 여전 히 RHA를 사용한다. 또한 위의 성질을 이용하여 비군사적으로 사 용하는데가 자동차의 바퀴다. 작게는 경차에서 크게는 대형버스 에 이르게 사용하는데, 같은 인치의 철로 만든 휠보다 무게가 가 벼워 연비향상에 도움을 주고, 철보다 열 전도성이 우수해 제동시 발생한 열을 효과적으로 배출한다. 철보다 가공하기가 쉬워 여러 디자인이 나온다. 대신 단가가 스틸휠보다 비싸고 강도가 약한게 단점이라 화물차에서는 잘 쓰이지 않는다. 가시광선 영역에서 매우 높은 반사율을 보이기 때문에, 천체망원 경 반사경의 코팅 재료로 쓰인다. 다만 근적외선 영역에서는 은보 다 반사율이 떨어져서 적외선 관측을 고려하는 경우에는 은을 코 팅 재료로 쓴다. 다만 유의할 점은 자체적으로 산화성이 높은 편 이라 매우 높은 온도를 가하거나, 분말 상태에서 산소나 특히 물 등이 들어가면 핫팩 마냥 발열하며, 심할 경우 화재나 폭발까지 야기하기에 알루미늄 분말을 다루는 공장이나 실험실, 금형 등을 연마해 분진이 생기기 쉬운 곳에선 이에 민감하다. 반대로 이런 성질에 주목해 초기 분진폭탄의 폭약으로 사용되기도 했고, Torpex 라고 TNT와 RDX, 알루미늄 분말을 섞어서 만드는 강력한 폭발물도 있다. 특히 고체로켓 추진체의 성분으로 들어가는데 주 연료는 아니지만 합성고무등 고체로켓 추진체에 알루미늄 분말 을 혼합하면 추진력이 크게 늘어나서 고체연료 로켓의 첨가제로 많이 쓰인다. 짧은 시간동안 엄청난 추진력을 내는 고체 부스터의 추진체의 연료로 많이 사용되고 있다. 특히 미사일 부스터류. 게 다가 알루미늄의 산화반응은 엄청난 연소열을 자랑하기 때문에, 흔히 섬광탄등에 사용하곤 한다. 산화철과도 반응하여 철의 산소 를 뺏어가서 강력하게 발열하여 용융된 철을 발생시키는 테르밋 반응을 한다. 이는 테르밋 용접이나 테르밋 수류탄 등에 활용된 다. 덕분에 군용 미사일에도 종종 쓰이긴 하는데 알루미늄 분말이 들어간 로켓은 흰 연기를 굉장히 많이 낸다. 알루미늄의 산화생성 물인 산화알루미늄은 기체가 아닌 고체이기 때문에, 고체 미립자 가 발생하여 연기로 되는 것이다. 이 연기 때문에 적이 도리어 자 신에게 접근하는 미사일 및 그 발사지점의 위치를 미리 알고 대응 할 수 있기 때문에 아무 군용 로켓/미사일에나 무조건 쓸 수도 없 다는 점이 설계자들의 딜레마. 그 외에도 제강 공정에서는 철보다 산소와 강하게 반응하기 때문 에 산화정련중에 강 속에 용해된 산소를 제거(탈산)하기 위한 원 료로 쓰인다. 알루미늄으로 탈산한 강은 Al-Killed 라고 부른다. 2 차정련중 진공탈가스 공정에서도 강한 반응열로 냉각되는 용강 의 온도를 다시 높이고 산소 용해량을 조절하기 위해 알루미늄을 투입하기도 한다. 그러나 용강에 남아있는 용존 알루미늄은 외부 공기와 접촉하면 급격히 산화하여 알루미나를 형성하며, 이는 슬 래그에 흡착되지 않을 경우 고체상태로 용강 속을 떠돌다가 주조 노즐을 막아버리거나 그대로 주괴 속에 남아 강괴의 품질을 해치 는 비금속 개재물이 되기도 한다. 테르밋 또한 알루미늄의 강한 산화성을 이용해 고온을 얻는 원리다. 다만 알루미늄만 쓰는 것은 아니고 마그네슘을 쓰기도 한다.---기니, 베트남, 호주, 브라질에 많은 매장---호주, 기니, 중국, 브라질이 많이 생산. 알루미늄, 탄소 섬유, 티타늄합금---상업항공 콜탄--- 컴퓨터나 자동차, 항공우주, 의료산업의 부품으로도 사용 된다. 배터리 양극제에도 사용. DR콩고는 전 세계 콜탄 생산량의 80%를 차지하는 나라다 흑연, 탄소---그래핀 저마늄(Ge), 규소(Si) --- 반도체, 초창기에는 저머늄이 주로 사용 되었지만 현재는 실리콘에 13족의 붕소(B)나 15족의 인(P)등을 첨 가하여 사용한다. 알루미늄, 티타늄---인공위성 텅스텐, 몰리브덴 ---우주선

 

14.흑연

흑연은 약 3900K를 넘어야 승화하기 시작하는 엄청나게 높은 내 열성으로 인해 로켓의 엔진 내벽이나 화학 공정에서의 내열성 장 비의 재료로 사용되기도 한다. 전기가 통한다는 점 덕택에 전극으 로도 쓰이는데, 전기아크로의 전극으로서 고철을 녹이는 데 쓰이 거나 전기 분해 기구의 재료로 사용된다. 기계 분야에서 감마제 (마모를 줄여주는 역할), 윤활제의 용도로도 쓴다. 흑연은 분자 구 조가 층층으로 느슨하게 얽혀 있어서 잘 미끄러지기 때문이다. 따 라서 기존의 윤활유 등을 사용하기 곤란한 환경에서 이 흑연을 윤 활제로 이용한다. 샤프심의 표면이 매우 매끄러운 것을 생각해보 면 된다. 순도 높은 흑연은 중성자 단면적이 낮아 원자로의 감속 재로 쓰이기도 했다. 덕택에 일정 순도 이상의 흑연은 전략물자 + 핵무기를 만들 수 있는 물질 취급을 받는다. 맨해튼 계획이나 체 르노빌 원자력 발전소, 마그녹스 등의 원자로에서 사용했으며, 한 미 정보당국은 북한의 영변 핵시설도 흑연감속로로 추정하고 있 다. 다만 요즘에는 더 안전한 재료인 물(중수, 경수)을 감속재로 주 로 쓴다. 물론 흑연 감속재도 무조건 위험천만한 것은 아니고, 물 과 비교하면 장단점이 제각기 있다. 앞서 말했듯이 흑연은 물에 비해 감속재로서의 효율이 더 뛰어나므로 연료의 농축 수준도 낮 게 할 수 있다. 게다가 물 감속재는 그 자체가 냉각재 역할도 하기 때문에 만약 감속재가 소실될 경우 원자로가 내뿜던 열과 방사능 을 컨트롤할 수 없게 된다. 후쿠시마 원전 사고가 바로 이런 식으 로 발생했다. 하지만 위에 언급한 체르노빌, 셀라필드에 위치한 윈드스케일 파일에서 사고가 난데다, 특히 체르노빌의 충격이 너 무 강해서 흑연 감속재는 오늘날에는 거의 쓰지 않는다. 이산화탄 소를 냉각재로 쓰면 안정성은 물보다 더 높아지지만, 이건 영국밖 에 안쓴다. 최초로 그래핀을 분리해낸 물질이기도 하다. 2004년, 영국 맨체스 터 대학의 안드레 가임(Andre Geim) 연구팀과 러시아 Chernogolovka 마이크로일렉트로닉스 연구팀이 스카치 테이프 를 사용해서. 그래핀을 분리하게 된 계기가 재밌는데, 그 그룹에 서는 가끔씩 진행하는 연구와는 무관하게 호기심을 충족하기 위 해 간단한 실험이나 연구를 하곤 했다고 한다. 실제로 가임은 이 런 엉뚱한 실험 중 하나인 '자기장으로 개구리를 공중부양시키 기'를 연구해서 2000년 이그노벨상 물리학상을 수상하기도 했다. 어느 날 "세상에서 가장 얇은 물질을 만들어 볼까?" 하면서 착안 한 것이 스카치 테이프와 흑연. 그리고 곧바로 스카치 테이프에 흑연을 붙인 후 테이프를 붙였다 떼었다 하니까 기하급수적으로 얇아지면서 최종적으로 단일 원자 두께의 그래핀을 분리해 냈다 고 한다. 정확한 원리는, 흑연에 스카치 테이프를 붙이면, 그래핀 표면과 스카치 테이프의 접착력으로 인한 결합이 그래핀 사이의 결합보다 더 강해지게 되고, 이 상태에서 스카치 테이프를 떼내면 그래핀이 스카치 테이프에 붙은 채 떨어지게 되는것. 안드레 가임 은 이 연구로 2010년 노벨물리학상을 수상했다. 리튬 이온 전지의 음극 재료로도 사용된다. 배터리가 충전되면 리튬 이온들이 흑연 으로 이동하여 층간 결합을 한다---중국, 인도, 한국이 주요 생산 국.

 

15.저마늄

저마늄의 공업적인 용도로는, 생산량의 절반이 광섬유에 쓰이고 있다. 산화저마늄은 굴절율이 매우 높고 (4.0) 분산율이 적기 때문 에 광섬유의 코어로 쓰이고 있다. 그 외에 광각렌즈등 고급 광학 기기에 쓰인다. 특히 적외선에 대해 투명하므로 야간 투시용 적외 선 망원경이나 고감도 열영상장비, 중합 반응의 촉매 등에 널리 쓰이고 있다. 과거에 저마늄은 반도체의 역사의 초창기에 한 때 유력한 반도체 소재로 널리 쓰였다. 저마늄은 실리콘보다 용해점 이 낮기 때문에 가공이나 순수한 단결정을 만들기 쉬워서 초기에 는 트랜지스터 등 반도체를 주로 저마늄으로 만들었다. 소니에서 만든 최초의 트랜지스터 라디오에도 저마늄이 쓰였다. 하지만 저 마늄은 고온에서는 반도체 기능을 잃어서 대출력의 반도체를 만 들기 어려웠다. 하지만 그 후 실리콘(규소)이 소자의 온도지속성 에서 저마늄보다 뛰어나다는 것이 판명되어 현재는 규소가 전자 기기의 중심을 담당하고 있다. 실리콘은 용해점이 높아서 가공하 고 만들기는 어렵지만 고온에서도 잘 동작하므로 큰 출력을 낼 수 있다. 저마늄 다이오드 등 저마늄 반도체는 순방향 바이어스 전압 (0.3V) 이 실리콘 다이오드 (0.7V) 의 절반 이하이라 순방향 시 손 실되는 전압이나 전력량이 낮아 발열이 적고 효율이 높아서 소전 력 고효율 정파회로를 만들 수 있다. 다만 접합 최대온도가 낮아 고출력을 만들 기 어렵다. 그래서 한동안은 소출력 신호용 트랜지 스터는 생산비가 싼 저마늄, 대출력 파워용은 주로 생산비가 비싼 실리콘 트랜지스터가 쓰였지만 실리콘이 대세가 되며 생산비가 저마늄 보다 낮아지자 저마늄 트랜지스터는 점차 퇴출되었다. 하지만 전혀 쓰이지 않게 된 것은 아니고, P형 MOSFET의 채널 층 옆에 SiGe를 넣으면 Si와 Ge의 격자상수 차이에 따라 스트레인을 받고 이에 따라서 정공의 이동도가 높아지는 성질이 있으므로, 인 텔에서 사용하고 있다. 지금은 대부분 단종되어 중고물량도 구하 기 힘든것이 대부분이다. 빈티지 음향장비를 만드는 데 주로 쓰였 는데, 요즘엔 저마늄TR 구하기가 너무나도 힘들어져서 대부분 단 종되었다. 그래도 AC128쯤은 찾아보면 구할 수 있긴 하다. 다만 원하는 HFE의 물건을 구하려면 상당히 고생할 것이다. 그리고 2000년 중반부터 빈티지 음향기기와 기타와 베이스 기타에 쓰는 빈티지 기타 이펙터가 주목을 받아서. 수요가 많은 소자들은 진공 관처럼 복각생산을 하는 편이다. 이와는 별개로 다이오드 쪽에서 는 저마늄 다이오드가 굉장히 구하기 쉬운 편이며, 이에 종종 저 마늄을 사용하는 광석라디오 등을 만들때 쓰이기도 한다. 가격은 10개 50~100원 수준. 현재는 더 낮은 순방향 바이어스 (0.2V) 를 가지고 값도 싼 쇼트키 베리어 다아오드로 거의 대체 할 수 있어 서 특수한 용도 외는 잘 쓰이지 않는다. 다만 역방향 전압이나 역 방향 누설 전류는 저마늄 다이오드가 쇼트키 다이오드 보다 더 우 위에 있어서 빈티지 음향기기 등 저잡음 저왜곡 등 특수용도로 쓸 수 있다. 1-2 A 정도의 전류를 흘릴 수 있는 저마늄 다이오드는 순 방향 바이어스 전압이 낮아 고효율 정류회로 만들 수 있어 쓰이기 도 하지만 이 용도로는 쇼트키 배이어 다이오드가 더 대전류를 다 룰 수 있다. 저마늄을 골격으로 하는 고분자인 폴리저메인 (Polygermane)이 있다. 저마늄이 반도체이기 때문에, 폴리저메인 또한 전도성을 띤다.---미국, 캐나다, 아프리카(DMR 콩고) 등에 주로 매장--- 미국, 오스트리아, 벨기에, 중국, 독일 등에서 주로 생 산

 

16.규소

 

자연에서는 규소가 순수한 형태로 발견되는 일이 드물기 때문에 전체 규소 생산량의 약 15% 정도만이 순수한 형태로 분리되어 반 도체 등 각종 전자제품의 부품으로 이용되며, 규소 단결정으로 성 장시켜 정밀한 회로에 이용하는 것은 5%가량이다. 그러나 이들이 경제에서 차지하는 비중은 그 생산량에 비해 매우 크다. 순수한 규소 단결정은 반도체 산업에 주로 사용되는 규소 웨이퍼를 생산 하는데 이용되며, 이들은 정밀한 전자 제품의 회로에 사용한다. 그러나 순수한 규소는 전기 전도도가 낮고 저항이 매우 큰 반도체 이기 때문에 바로 사용하지 않고 붕소나 인 같은 다른 원소들을 소량 첨가한다. 이들은 양공을 추가하거나 남는 전자를 만들어 세 기를 제어할 수 있기 때문에 규소 반도체의 전기 전도도를 높여주 는 역할을 한다. 따라서 이들은 트랜지스터, 태양 전지, 각종 반도 체 제품 등에 중요하게 사용한다. 또한 희토류 없이도 고속 충방 전과 높은 사이클 특성을 보이는 규소 이차 전지 기술이 개발되었 다. 세계 어느 곳에서나 산출되는 특성을 보인다. 재생에너지--코발트, 니켈, 구리, 인듐, 주석, 은, 안티몬, 아연 재활용 및 페기물 관리-- 코발트, 니켈, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 리 튬, 희토류 첨단제조 및 기술기반 일차 산업---희토류, 주석, 구리, 텅스텐, 스 칸듐, 티타늄 방위 및 항공우주---희토류, 알루미늄, 스칸듐, 텅스텐, 티타늄

 

17.인듐

LCD TV나 노트북의 액정 디스플레이(LCD)에는 인듐 산화물(주석 과의 3원계 물질인 ITO나 아연과의 3원계 물질인 IZO, 주로 ITO가 많이 사용됨)이 투명전극으로 사용되며, 지금의 하이테크 기술에 는 빼놓을 수 없는 존재이다. 인듐의 얇은 막은 전기가 잘통하는 금속이면서도 빛을 잘 통과시는 투명성을 가지고 있다. LCD는 액 정 패널에 전압을 가해 액정분자의 방향을 변화시켜 이 움직임으 로 백 라이트 등의 빛을 제어해 화상을 그려내는 구조이다. 이 액 정에 전압을 가하기 위한 도선이 ITO다. 보통, 금속은 전기는 통과 시키지만 빛은 통과시키지 않는다. 그래서 보통의 도선을 사용하 면 화상에 도선의 그림자가 섞여 버리는 것이다. 하지만 인듐 산 화물은 전기를 통과시킬 뿐만 아니라 빛을 통과시키는 투명성을 가지고 있다. 이 성질을 이용해 LCD나 AMOLED 등 박막 트랜지스 터를 사용하는 디스플레이에는 인듐 산화물을 얇게 편 투명전극 이 쓰인다. 다만 힘을 받았을 때 쉽게 깨지고 휘었을 때 전기전도 도가 떨어지는 특성이 있어 플렉시블 디스플레이에는 그래핀이 전극 재료로 주목받고 있다. 화합물 반도체 제조 때에는 3족 원소 로 쓰이고 바이폴라 트랜지스터 등을 만들때 첨가물로 쓰인다. 인듐은 매우 부드러운 금속이라 구멍난데를 때운다든지 개스킷 같은 용도로도 쓰인다. 또한 매우 무른 금속이라 찰흙처럼 가지고 놀아도 무방하다. 또 녹는 온도가 낮아서 비스무트 등과 합금은 녹는점이 섭씨 42-60 도 정도 밖에 되지 않아 마치 파라핀처럼 뜨 거운 물에도 녹을 정도라 주조 나 공작등 여러 용도에 쓰인다. 또 한 갈륨과 인듐, 주석의 합금인 갈린스탄은 녹는 온도가 영하 19 도라 상온에서 액체로 존재하며, 수은에 비해 독성이 적어 수은의 대체 물질로서 원자로 냉각재, 체온계 재료 등으로 사용된다. 컴 덕들에게 있어서도 상당히 친숙한 물질이다. CPU의 솔더링이 바 로 이 물질을 이용한 것. 납보다 훨씬 낮은 온도에서 녹으면서도 열전도율이 매우 높기 때문에 CPU에 손상을 최대한 가하지 않으 면서도 히트스프레더를 통해 방열량을 높이고 코어를 보호할 수 있으므로 애용된다. 사실 실리콘 칩을 니켈 도금된 구리 재질인 히트스프레더에 용접 할 수 있는 유일한 물질이다. 인듐 뿐만 아니라 금도 사용해야 하 고 일반적인 납땜과는 다르게 인듐이 금과 니켈 분자 사이로 확산 되면서 합금을 형성, 두 종류의 금속을 서로 접합시킨다. 다만 인 텔은 2012년 아이비브릿지 이후 인텔은 코어 i 시리즈 8세대까지 제온 E5 이상의 제품군과 HEDT 제품군을 제외한 나머지 모든 CPU는 서멀 그리스로 교체하였다. 2017년에는 인텔 코어 X 시리 즈 (과거의 HEDT, 익스트림) 라인업까지도 서멀 그리스를 사용했 다. 그러다가 나중에 9세대 코어 i 시리즈 일부 CPU와 코어 X 시리 즈도 솔더링으로 환원되었다. AMD RYZEN 시리즈 데스크탑 프로 세서는 레이븐 릿지를 제외한 서밋/피나클 릿지 전 라인업이 솔 더링을 사용한다. 이외에도 리퀴드 프로 등 전도성 서멀 그리스에 쓰이기도 한다. 이런 고성능 컴퓨터 칩과 방열판 사이의 열전달용 으로 쓰이는 인듐 등 합금제 서멀그리스를 리퀴드 메탈이라고 부 르기도 한다. 영국, 캐나다, 볼리비아 등지에서 고함량의 인듐을 추출한다.

 

18.주석

독성이 없는 주석은 전자, 가정용 배관공사로부터 용기, 플라스틱 제품에 이르기까지소비재 부문에서 그 입지가 향상됨. 비용에 민 감한 포장재 산업에서는 비싼 비용 때문에 주석판이 알루미늄과 플라스틱으로 대량 대체됨. 그러나 지난 몇 년간 전자, 배관 및 PVC 안전장치 부문 땜납용으로, 특히 아시아 지역에서 주석 사용 이 급증하면서포장재 시장에서의 손실분을 상쇄할 수 있었음. 주 석의 주요 용도는 다음과 같음 ○ 땜납 : 전기/전자 산업, 냉각 장치, 열 교환기, 배관 ○ 주석판 : 캔 (식품, 음료, 기름, 기타 식품 외제품용) ○ 유기화합물 : PVC 안전장치, 촉매제, 목재 방부제, 오염 방지제 ○ 무기화합물 : 안료, 불투명화제, 유리 코팅, 난연제, 촉매제, 도 금, 이온 교환 ○ 청동 및 황동 : 선박, 화학/일반 엔지니어링, 베어링, 펌프, 건축/ 조각 ○ 백랍 : 선박/항공기, 오르간 파이프 ○ 백색 금속 : 베어링 ○ 가용 합금 : 스프링클러, 경보/안전장치, 저융점 땜납, 금속 봉 합, 압착 기구, 몰딩 ○ 순수 주석 : 호일, 파이프, 접는 튜브, 퓨즈, 파우더 야금, 플로트 유리 처리, 진주빛 주조철 ○ 알루미늄-주석 : 베어링 ○ 주석-은 : 치과용 함금 ○ 주석-아연 : 다이캐스팅 ○ 티타늄-주석, 지르코늄-주석 : 첨단 기술 합금 ○ 니오븀-주석 : 초전도체 주석판은 오랫동안 감소세를 보이기는 했으나 ‘70년대 말까지 주 석의 주요 소비 부문이었음. ’92년 Renison Goldfields에 의하면 땜납과 주석판이 주석 소비의 30%, 합금이 12%, 화학품이 7%를 차지한 것으로 추정됨. ‘80년대와 ’90년대에 걸쳐 땜납 부문은 여 전히 주석의 주요 시장으로 남아 있었음. 최근에는 PVC 안전장치 등에 사용되는 주석 화학품 부문이 급성장하여서 화학품 부문 수 요가 주석판 수요를 초과하는 것으로 예상됨. 일본과 중국은 땜납 소비량이 많으며 유럽은 상대적으로 주석판 시장이 큼. 땜납 부문 에서 세계 주석 소비량의 10% 이상을 차지한 중국이 특히 소비용 전기 기구 및 전자 제품의 활황에 힘입어 최근 급속히 성장함. 주 석 수요는 유럽, 일본, 중국의 법 제정에 힘입어 기존 땜납 제품이 무연 제품으로대치되는 추세가 형성되고 크게 증가함. 땜납은 보 통 주석 함량이 63% 정도에 95% 이상의 것으로 대체되고 있어 수 요 증가를 부추기고 있음---중국, 인도네시아, 미얀마, 호주, 브라 질이 70% 이상 매장됨

 

19.은

신항로 개척 이후 아메리카 대륙으로부터 대량의 은이 들어오게 되자 금, 은은 그 가치가 상당히 폭락하였으며, (가격 혁명) 그 중 에서도 희귀하고 비쌌던 금에 비해 통화로써 유통이 가능할 만큼 가치가 적절하게 자리 잡게 된 은이 세계 경제를 주도하기 시작한 다. 이 때 흥성한 국가들이 포르투갈과 스페인 등, 기존의 지중해 국가와는 거리가 있던 대서양 인근의 국가들이었다. 그러나 이 나 라들은 정작 은이 유입되면서 자국 내의 물가 폭등, 이로 인한 수 출 경쟁력의 하락, 지나치게 은에 의존하는 경제 구조, 사치를 위 한 무의미한 소비 등으로 인해 몰락해버리고, 다만 꾸준히 금과 은을 공급하면서 유럽의 화폐 갈증을 해소해주는 역할을 하게 된 다. 또한 은은 신대륙에서 유럽으로 유입되었을 뿐만 아니라 인도 의 고아, 필리핀, 마카오 등 유럽이 마련한 상업 거점지를 통해 아 시아 지역에서 결제 화폐로 쓰이기 시작했다. 무굴 제국의 악바르 대제가 금속 화폐를 기반으로 경제를 재편한 시기, 명나라 말과 청나라 대 도자기, 차 등의 상품을 통해 중국에 대대적으로 은이 유입된 시기, 일본이 금, 은의 대대적인 채광으로 세계 경제에 영 향력을 미치기 시작한 시기 등이 대체적으로 16세기 후반부터 17 세기 초반에 걸쳐 있으며, 16세기 후반부터 본격적으로 발달하기 시작한 서민 경제의 안정을 기반으로 이 때부터 본격적으로 '세계 경제'라는 말을 쓸 만한 교역 구도가 형성되기 시작했다. 이때 일 본은 활발한 은 광산 개발과 맞물려 폭발적으로 은을 생산해내기 시작하고, 16 ~ 17세기 세계 경제에 막대한 영향을 미치게 된다. 한편 아메리카에서는 17세기 이후 멕시코의 은광, 볼리비아의 포 토시 광산을 비롯한 광산에서 다시 폭발적으로 은을 뽑아낸다. 그 러나 세계 은 경제에서 가장 큰 이익을 본 것은 다름 아닌 중국이 었다. 스페인이나 포르투갈과는 달리 일단 그 막대한 인구(논란이 많으나, 16세기 후반 당시 대략 6,000만 ~ 1억 인근), 안정적인 가 구의 형성, 생산력이 이미 충분히 높았던 농업 경제로 탄탄한 내 수 기반이 마련되어 있었고, 중국 내부에서도 15세기 후반부터 은 교역이 활성화되는 등 이미 은이 경제의 내부에 포괄되어 있었던 것이 중국의 강점이었다. 이후 중국은 도자기, 차 등을 유럽에 수 출하면서 필리핀, 마카오를 통해 막대한 아메리카산 은을 흡수하 고, 생사(生絲), 모자 등의 초기 공업품을 조선과 일본에 수출하면 서 일본의 은 또한 무섭게 빨아들였다. 말 그대로 당시 최대의 은 대국이 중국이었고, 이는 청나라의 막대한 국력의 큰 버팀목이 되 었다. 일본에서는 명청 교체기의 혼란기 이후 수출하게 된 도자기 와 목기 등으로 유럽에서 은을 흡수하고 있었을 뿐만 아니라, 국 내에서도 탄탄한 농업 경제를 기반으로 금, 은광 개발이 활발해진 상태였다. 이 덕에 일본은 17세기 후반 겐로쿠 시대로 불리는 번 영기를 누렸으나, 사실 은의 상당량이 조선을 거쳐 혹은 밀무역을 통해 중국으로 유출된 터라 18세기부터는 국내에서 은화의 질이 떨어지고 그 유통량이 줄어드는 데 대한 고민이 시작된다. 이로 인해 진행된 것이 보다 자급자족적이고 수입 및 수출 억제를 고안 한 18세기 초반의 교호 개혁과 금, 은, 동 광산 개발과 상업의 흥성 을 통해 경제 회복을 꾀한 18세기 후반의 다누마 개혁, 둘 다 실패 로 분류되지만, 한편으로 18세기 유럽에서는 주식, 지폐, 어음 등 신용 화폐의 유통이 활발해지고, 고전 경제학이 궤도에 오르기 시 작하면서 은 경제 다음의 경제를 준비하기 시작한다. 악화가 양화 를 구축한다는 말로 알려져 있는 경제 변화가 일어난 것도 이 시 기. 결국 19세기에는 유럽에서 산업 혁명이 진행되며 아시아권의 면 직물 등의 공업을 붕괴시키기 시작하고, 은을 계속해서 퍼내던 스 페인의 국력은 라틴아메리카의 대대적인 독립 운동과 미국의 압 력으로 인해 완전히 내려앉고 만다. 또한 중국은 영국이 수출하던 인도산 아편 때문에 막대한 은이 유출되면서 경제가 흔들리기 시 작한다. 일본도 이미 은이 마른 상황이라, 중국까지 흔들리게 되 자 동아시아권의 무역 또한 새로운 전기를 맞아야만 했다. 이후 각국을 지배하던 은 본위 경제는 붕괴하기 시작하며, 19세기 말에 는 금본위제도로 완전히 대체된다. 가장 가까운 시기에 은화와 금 화의 가치가 역전될뻔했던 사건은 18-19세기 영국에서 있었다. 당시 패권국가였던 영국이, 교역을 하는 과정에서 금화를 주로 거 래하다보니, 일시적으로 시장에 돌아다니는 금화의 공급이 은화 의 공급을 뛰어넘은 적이 있었다. 엄밀히 말하면 뛰어넘은건 아니 고, 금화과 은화의 교환비에 비해서 은화의 양이 턱없이 부족했던 것. 이때 영국은 이중화폐, 말하자면 금화가 비싼 화폐고 은화가 싼 화폐였는데, 시장에서 은화가 적은 현실상 사람들이 은화를 집 에다 쌓아놓고 금만 가지고 거래하는 사태가 벌어지면서, 교환비 에 비해 금화의 실제 양이 턱없이 많아지는 역사상 유례 없는 상 황이 벌어졌다. 그리고 결과는 역사상 처음으로 금화가 악화가 되 어, 양화인 은화가 구축되는 사태가 벌어졌다. 이게 그 유명한 그 레샴의 법칙의 역발현. 물론 법칙을 거스르는게 아니지만. 그러나 이런 은화 가치의 폭등 속에서도 결국 마지막까지 같은 양의 금과 은의 시세는 금이 비쌌다. 그리고 역사상 은화의 가치가 금화의 가치에 비견되었던 가장 큰 사건은 이때가 마지막이었다. 이상, 은으로 세계 경제 전쟁의 역사를 살펴보았다. 은은 일반적인 보석과 달리 귀금속보다는 원자재로서의 가치가 더욱 높다. 특히 반도체 후공정에서 사용된다. 2010년 이전만 하 더라도 반도체 후공정에서는 와이어의 소재가 금이었으나 현대 에는 구리와 은이 대체하고 있다. 현대에는 가격적인 면에서 경제 적인 구리가 금을 대체하고 있으나 은은 신뢰성 측면에서 구리보 다 우월하기 때문에 사용이 증가하고 있다. 그래서 은의 가치는 경제 지표와 같이 움직일 때가 많다. 때문에 금보다 가격 변동성 도 훨씬 높다. 호황일 때는 은 가격이 급등하며 불황일 때는 은값 이 급락한다.

 

20.안티모니

가장 널리 쓰이는 용도는 60% 정도가 방염제 성분으로 쓰인다. 열에 약한 플라스틱이나 고무에 안티모니 화합물인 삼산화안티 모니를 몇% 추가하면 불에 잘 타지 않게 된다. 또, 안티모니는 환 경변화나 시간경과에도 강하기 때문에 난연조제(難燃助劑)로도 쓰였다. 최근에는 안티모니가 가진 독성이 문제시되어 대용소재 개발이 진행중이다. 현재는 배터리(연축전지의 극판), 활자, 합금, 납땜(lead-free 용), 성냥, 뇌관(탄약), 안료 및 의약품으로도 사용 된다. 합금으로는 주로 납과 다양한 비율로 섞어서 강도를 높이는 데 쓰이고 마찰베어링에 쓰이는 마찰력이 적은 베빗 메탈을 만드 는 데에도 쓰인다. .안티모니의 세계 매장량은 약 180만 톤으로 중 국에약 44%, 볼리비아와 남아공, 러시아, 타지키스탄 등에 나머지 대부분이 부존한다. 중국과 호주, 볼리비아, 남아공, 러시아 등이 세계 생산량의 95% 이상을 생산한다.

 

21.아연

아연은 높은 금속이온화 경향으로 여러 1차 전지의 음극재료로 널리 쓰인다. 예를 들어 건전지나 은-아연 전지, 공기전지 등. 건전 지는 음극(cathod)인 금속 아연이 염화암모늄이나 수산화칼슘 등 의 전해액과 반응하여 산화되며 전자를 방출하는 원리이다. 그러 므로 건전지를 사용하면 아연이 수산화아연이 되어 소모된다. 은 아연전지는 비싸지만 기전력이 크므로 리튬전지가 실용화 되기 전에 인공위성 등에 쓰였다. 공기전지는 알칼리 건전지와 비슷한 데 감극제로 공기중의 산소를 쓴다. 모두 이온화 경향이 큰 아연 을 산화시켜 소모하며 전자방출 에너지원으로 쓰고 있다. 흔히 놋쇠라고 불리는 황동은 구리와 아연의 합금으로 가공성이 좋아 고대로부터 현대까지 장신구나 탄피 등 다양한 용도로 널리 쓰이고 있다. 또한 싸구려 금속 제품을 만드는 데도 쓰이는데, 장 난감 중 분명 금속인데 강도는 일반 금속보다 떨어져 쉽게 깨지거 나 닳아 빠지는 성질을 가지고, 도금이 벗겨지거나 부러진 부분이 마치 쇳가루를 뭉친 것 같은 형태를 띠는 두툼한 금속 부품들이 이것. 미국에서는 자마크, 유럽에서는 마자크라고 불리는 이 합금 은 아연 90% 이상의 베이스에 알루미늄, 안티모니, 마그네슘, 구 리, 주석 등의 타 금속을 1% 안팎 정도 혼합하여 다이캐스팅 방식 으로만 제조되며 금속 제품 중에서 제일 하급의 물건으로 취급된 다. 성질 상 강한 내구력을 요구하지 않지만 형상이 복잡해 쉽게 깍거나 찍어서 만들기 어려운 기계 부품으로 쓰인다. 예를 들어 모노폴리 보드게임의 금속 말 따위나 조립식 프라모델이나 장난 감의 금속부품 따위. 함량에 따라서 분카힐 합금, 아펙스 합금, 미 러 메탈, 잠메탈, 펜톤 메탈 등으로 나눠 불리기도 하는데 이들은 베어링(다만 강도문제로 현재는 거의 쓰이지 않는다), 치과용 합 금으로도 쓰인다. 금속상태 이외의 용도로는 산화아연을 사용한 청색 발광 다이오 드가 요즘 크게 주목을 받고 있다. 종래의 질화 갈륨을 사용한 것 에 비해 비용도 1/10으로 저렴하여 차세대 청색 발광 다이오드의 원료로 크게 기대된다. 건전지에도 쓰이고 함석에도 쓰이고 하니 흔하고 철이나 값싼 금속 같지만 사실은 지각구성비로는 구리나 니켈 크롬 보다 훨씬 구성비가 낮아 그리 많이 나지 않는 금속이 다. 산출도 은광이나 귀금속 제련의 부산물로 나오는 등 제법 귀 한 금속이다.---호주, 중국, 러시아, 맥시코, 페루에 70%이상 매장 됨

 

22.우리나라에 매장된 광물

 

메탄 하이드레이트는 바닷속에서 썩은 미생물이 퇴적되고 그 위 에 메탄가스, 천연가스 등이 물과 함께 얼어붙어 생성된다. 이때 가스가 물 분자 속에 갇히기 때문에 불을 붙이면 마치 고체 연료 처럼 불이 타오르게 된다. 보통 기체가 고체로 바뀌면 약 160~200배로 압축되는데, 메탄 하이드레이트는 1L에 최대 200L 의 가스가 들어있는 셈이다. 또, 메탄 하이드레이트는 연소할 때 석유에 비해 이산화탄소가 적게 발생하는 친환경 에너지원이기 도 하다. 독도 주변 해역에는 6억 t 가량의 메탄 하이드레이트가 매장되어 있으며 향후 약 30년간 연간 10조원 이상의 수입을 얻 을 수 있는 양이라고 알려져 있다. 하지만 메탄 하이드레이트 시 추 과정에서 메탄이 연소되지 않고 그대로 방출된다면 이산화탄 소 10배나 더 심각한 온실효과를 일으킬 수 있기 때문에 시추 기 술이 앞으로 메탄 하이드레이트 상용화에 가장 중요한 역할을 하 고 있다. 인산염을 얻을 수 있는 인광석, 인회석 등을 인산염 광물이라고 부른다. 그 외에도 자연 속에는 약 170여 종의 인산염 광물이 존 재한다. 인산염 광물에 이름을 올리기 위해서는 조건이 있다. 바 로 P2O5(오산화인)의 함유량이다. 20% 이상의 P2O5를 가지고 있 어야 한다. 인산염 광물은 어디에 있는가? 99%가 땅과 바위에서 채굴된다. 나머지 1%는 생물의 배설물에서 얻는다. 인산염 광물 은 우리 일상과 꽤 친근하다. 비료, 세제, 도금 시 표면 처리제, 사 료로 이용된다. 점심 때 먹었던 소시지와 졸음을 쫓기 위해 마셨 던 커피에도 들어있다. 반면, 원자력 발전 원료인 우라늄과 특수 강 소재인 바나듐도 인산염 광물이다. 여기저기 안 쓰이는 곳이 없다. 한국은 연간 152만 톤의 인산염 광물을 소비한다. 전량을 모 로코, 미국, 러시아 등에서 수입하고 있다. 한국 땅에서는 인산염 광물을 캘 수 없다. 인산염 광물이 매장되어 있지 않기 때문이다. 하지만, 인산염 광물을 캐는 곳이 땅이 아니라 바다가 된다면? 사 정은 달라진다. 독도 인근 바다에 인산염 광물이 있다. 해저화산, 해저산, 대륙붕 인접 사면에서 발견되고 있다. 양도 어마어마하 다. 독도재단에 따르면 독도 주변 바다 수심 500~1,000m에 2억 톤 이상의 인산염 광물이 존재한다. 1년 수요로 따졌을 때, 50년 이상 쓸 수 있을 정도다. 품질 또한 뛰어나다. 일반 인산염 광물의 P2O5 함유량이 20%인데 반해, 독도의 인산염 광물의 P2O5 함유 량은 30%이다. 두께도 20m에 이르러 경제적 가치 또한 충분하다. 망간단괴는 여러 산업 분야에서 필요한 금속들을 포함하고 있기 때문에 많은 국가에서 개발을 서두르고 있는 자원으로 철강 제조 에 철강 제조에 필요한 망간과 화학 공장에 필요한 니켈, 통신 또 는 전력산업에 필요한 구리, 항공기 엔진 제작 시 필요한 코발트 등이 함유되어 있다. 독도에 잠재된 다량의 망간단괴는 우리나라 의 금속 수입 대체효과를 가져다줄 것으로 기대하고 있다.

 

[출처] [[독도랑기자단] 일본은 독도를 왜 탐낼까? x 배현서]

 

 

 

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