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31Ga 갈륨 Gallium |
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| 분류 | 전이후 금속 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 69.723 | 밀도 | 5.91 g/cm3 |
| 녹는점 | 29.7646 °C | 끓는점 | 2400 °C |
| 용융열 | 5.59 kJ/mol | 증발열 | 256 kJ/mol |
| 원자가 | 3 | 이온화에너지 | 578.8, 1979.3, 2963 kJ/mol |
| 전기음성도 | 1.81 | 전자친화도 | 28.9 kJ/mol |
| 발견 | L. de Boisbaudran (1875) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-55-3 | ||
| 이전 원소 | 아연(Zn) | 다음 원소 | 저마늄(Ge) |
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1. 개요
갈륨은 4주기 13족에 위치하는 금속 원소이다. 주로 알루미늄 등을 정제하는 과정에서 부산물로 얻어지는 물질로, 주로 반도체나 태양전지, LED에 사용되며 수소 저장용 합금으로서 연구되기도 한다. 순수한 갈륨을 이용해 뉴트리노를 연구한 적도 있다.
2. 역사
1875년 프랑스의 화학자 폴 에밀 르코크 드 부아보드랑이 섬아연석 속에서 분광분석법에 의해 발견하여, 프랑스의 라틴어 이름인 갈리아(Gallia)를 따서 갈륨이라 명명하였다. 이 원소는 D. I. 멘델레예프가 예언한 에카알루미늄에 해당되어, 그의 연구가 옳다는 것을 증명하는 데 도움이 되었다. 화학적 성질은 알루미늄과 비슷하며, 산·알칼리에 용해하면 수소가 나온다.3. 특성
갈륨의 가장 특이한 점은 녹는점이 302.9146 K(29.7646°C, 85.5763°F)이라는 것으로, 실온 29~30°C 안팎의 온도에서 융해되는, 마치 초콜렛같은 금속이라는 것이다. 이러한 특성 탓에 그냥 손바닥에만 올려놔도 녹는 모습을 보여준다.현재까지 알려진 금속 중 수은과 세슘 다음으로 녹는점이 낮다. 반면 끓는점은 약 2403°C로 매우 높다.
갈륨의 녹는점을 이용해 물에 녹는 숟가락을 만들 수 있다.
중국에서 세계 갈륨 물량의 94%가 생산된다고 한다. 최근에는 중국이 칩 워(반도체 전쟁)의 일환으로 추정되는 움직임으로서 갈륨 수출을 통제하겠다고 밝혀 가격이 들썩일 우려가 있다. #
알루미늄에 액체 갈륨을 접촉해 흡수시키면 알루미늄의 강도가 매우 약해진다.[1] xkcd의 작가 랜들 먼로는 이를 "알루미늄을 마치 젖은 종이처럼 부드럽게 만든다"고 표현했다. # 이 특성 때문에 비행기를 탈 때 가지고 탈 수 없는 물건 중의 하나로 지정되어 있다. 비행기 동체는 알루미늄 합금으로 제작되기 때문이다. 반대로 말하면 알루미늄에 침투하여 산화물 막을 무너뜨리기 때문에 화학 분야에서는 알루미늄 아말감의 친환경적 대체재로서 사용될 수 있다.
또한 이 금속과 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 등으로 유명해진 리퀴드 프로나 Conductonaut 같은 고성능 서멀 컴파운드의 원료이기도 하다.[2]
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 화합물 갈륨비소(GaAs)를 반도체 재료로 쓰기도 한다. III-V족 반도체라는 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. 아직은 제조단가가 비싼게 흠. 갈륨이 반도체로 쓰일 수 있는 것은 외곽전자가 3개인 III족 원소이기 때문에 외곽전자가 5개인 비소나 질소 등의 V 족 원소와 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 반도체 소자 재료로 청색 LED, 고출력 초고주파 소자 등에 사용된다. 최근에는 중국에서 질화 갈륨을 사용한 휴대폰 충전기들이 많이 출시되어 대중들에게도 이름이 어느정도 알려졌다.
카이스트의 정재웅 교수 연구진은 체온에서 녹는 갈륨의 특성을 활용해 한번 체내에 삽입하면 뺀 이후에 바늘이 흐물흐물해져서 재사용이 불가한 주사바늘을 개발했다. 주사바늘을 체내에 삽입하면 체온으로 인해 갈륨이 액체화 되며 주사바늘이 부드럽게 변하고 이후 혈관 손상 없이 안정적으로 약물을 주입할 수 있는 것이다. 실제 동물실험에서도 기존의 딱딱한 금속제 바늘이나 플라스틱 카테터에 비해 체내 염증 수치가 낮은것으로 나타났다고 한다.
4. 장난감으로의 활용 및 독성 여부
체온에도 녹아버리는 특성 덕분에 녹였다 굳혔다 하며 이래저래 가지고 놀 수 있으나, 꽤 희귀한 축에 드는 금속이라서 비싼 가격 때문에 쉽게 접하기는 어렵다.[3] 인터넷에서 구할 경우 손가락 절반 정도밖에 되지 않는 양인 20그램이 무려 3만 원 가량 한다.그리고 녹는점이 섭씨 30도 정도라 적당히 시원한 장소에 두면 굳을거라 생각할 수 있는데, 갈륨은 과냉각이 매우 쉽게 일어나는 원소라 냉동실이나 얼음팩을 사용해 영하의 온도까지 내려야 다시 굳기 시작하니 주의. 심지어 냉동실에 12시간 넘게 두어도 액체상태를 유지해 곤란하게 만들기도 한다. 이론상 갈륨은 녹는점보다 섭씨 60도 가량 낮은 영하 30도 이하에서도 액체상태를 유지할 수 있다. 금방 굳혔다 녹였다하면서 가지고 놀기는 어렵다.
한때 유튜브 등지에서 갈륨을 활용한 컨텐츠들이 나타나면서, 아동층을 중심으로 장난감으로서의 수요가 어느 정도 일시적으로 생겨났던 적이 있다. 이때 대두되었던 것이 갈륨의 인체 독성 여부다. 일단 녹으면 생긴 것부터 수은과 비슷하고, 액체 상태의 갈륨은 다른 물체나 신체에 닿으면 거무스름한 흔적을 남겨서 인체에 해로운 물질이 아니냐는 의혹이 있었다. 하지만 세간에서는 갈륨의 피부 독성에 대해 심도 있게 논의한 바가 없다.
장시간 노출될 시 피부염, 혈액세포 감소, 반점 형성 등이 나타날 수도 있다고 보고된 바는 있으나, 이것들은 유해한 수준의 영향도 아닐 뿐더러 ‘장시간’ 노출이 전제조건이다. 게다가 애초에 생명체에 어떤 영향을 주는지에 대해서는 알려진 것이 없다고 한다. 또 피부에 접촉했을 때 인체에 흡수되는 양도 극히 미미하고, 인체가 강한 거부 반응을 일으키는 것도 아니라서 녹은 갈륨을 마시기라도 하지 않는 이상, 이따금씩 단순히 만지며 놀 경우 갈륨의 독성은 딱히 없다고 볼 수 있다. 갈륨을 먹었을 경우 소량은 별 영향이 없으나[4] 일부러 몇십 그램 이상씩 많은 양을 먹으면 위산과 화학 반응을 일으켜서 해롭다고 한다. # 일부 논문에서 갈륨기반 액체금속의 나노입자가 세포독성을 나타내는 것으로 알려져 있긴 하지만 일반적인 갈륨기반 액체금속의 독성은 거의 보고되어 있지 않다. 하지만 갈륨과 갈륨기반 액체금속들의 MSDS에는 독성에 대한 정보가 부족(No information available)한 것으로 명시되어 있기 때문에 무조건 안전하다고 보는 것도 바람직하지 않을 것이다.
사실 장난감으로서 갈륨의 진짜 문제는 높은 화학반응성에 있다. 알루미늄 스탠드나 황동 팔찌, 시계 등 구리합금을 비롯해 가정내 금속 제품과 닿기만 해도 화학결합을 일으켜 물건을 못쓰게 만들거나 부숴뜨릴 수 있으니 취급에 주의가 필요하다. #
[1]
정상적인 강도의 알루미늄은 원자의 규칙적인 배열로 인해 강도가 있지만, 갈륨과 접촉한다면 갈륨 원자는 알루미늄의 원자와 원자사이로 확산된다. 그래서 갈륨은 불순물이라 볼 수 있으며, 알루미늄 원자의 규칙적인 배열을 망가트려 강도의 급격한 약화로 이어진다. 재료과학에서는 불순물을 Point Defect라 부르며 이런 현상을 다음 비디오에서 간단히 설명하고 있다.
# 2mm정도 두께의 알루미늄판에 맨주먹으로 구멍을 뻥뻥 뚫을 수 있을 정도.
[2]
위에서 언급한 갈륨 침식 현상 때문에 절대로 방열판 등 알루미늄 부품에 흘리면 안 된다. 갈륨은 알루미늄이 미포함된 구리 히트파이프조차 갈륨-구리 합금으로 만들 정도로 침투력이 뛰어나다.
[3]
갈륨의 가격은 그램당 300원, kg당 30만원이다. 은값은 그램당 1000원, kg당 100만원, 금값은 그램당 5만원, kg당 5000만원 정도.
[4]
이미 인체 내에도 미량의 갈륨이 있다. 음식을 섭취하는 과정에서 체내에 들어온 것. 생각보다 많아서
구리보다 많다.