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코발트
코발트(Cobalt)는 주기율표 9족에 속하는 철족원소(鐵族元素)로 기호는 Co이고 원자 번호는 27이다. 단단하고 강자성을 띤 은백색 금속 원소이다. 자석이나 강도 높은 합금 제조에 사용된다. 화합물은 진한 파란색을 가지고 있어 잉크, 페인트, 니스에 첨가하는 안료와 파란색 유리를 만들 때 쓰이는 첨가물로 사용된다. 방사성 동위원소인 코발트 60은 동위원소 추적자(radioactive tracer)로 사용된다. 지각에서는 화합물의 형태로만 발견되며 철질 운석에 합금 형태로 소량 포함되어 있다.
1735년에 발견되었는데, 천연으로는 비소나 황과 결합하여 산출된다. 스말타이트가 주요 광물이며, 구리광석이나 납광석에도 함유되어 있다. 단독으로 채광되는 경우는 드물고 대부분 구리나 니켈을 채굴하고 정제하는 부산물로 생산된다. 비타민 B12의 주성분이며, 특히 과거에는 도자기 등에 푸른색을 내는 재료로 사용되었다. 이 색깔이 코발트 블루이다.
이름의 유래는 독일 전설에 나오는 산의 정령 '코볼트'. 게임에 흔히 나오는 요정이나 괴물의 이름 코볼트가 맞다. 푸른 빛이 도는 이 광석에 코발트라는 이름이 붙은 이유는, 어두 컴컴한 광산에서 푸르게 빛나는 광석들이 요정의 일종인 코볼트(Kobold)의 눈처럼 보인다고 여겨졌기 때문이다. 옛날 사람들은 코볼트가 구리와 비슷하지만 다른 금속을 만들어서 광부들을 속인다고 생각했다고 한다.
코발트는 상대적으로 반응성이 없으며 공기 중에서 안정성이 있고 오직 묽은 산에 의해서만 천천히 녹는다. 수소와 질소와 결합하지 않으며 높은 온도에서는 탄소, 산소, 증기와 반응하여 후자의 경우에는 CoO를 생산한다. 또한 코발트(Cobalt)는 생물(사람을 비롯하여 각종 동물)들에게 필수적인 비타민 B12 무기물 영양소이며 결핍 때 악성 빈혈의 원인이 될 수 있다. 하지만 지나칠 경우 건강에 해로울 수 있으며 수용성 코발트 치사량은 평균적 성인의 경우 약 20g이다.
개요[편집]
코발트는 전기차 배터리 성능을 결정하는 양극재에 사용된다. 특히 양극재 부식 및 폭발 위험을 제어하는 데 필수적인 물질이다. 구리와 니켈 광산의 부산물로 얻어지는 만큼 희소성이 높아 '하얀석유'로도 불린다. 가격도 전기차 배터리의 또 다른 핵심 소재인 니켈의 2.5배 수준이다. 세계 코발트 물량의 70% 가량이 콩고민주공화국에서 생산된다. 세계 1위 전기차 배터리 제조사인 중국 CATL(寧德時代 닝더스다이)이 아프리카 콩고민주공화국의 코발트 광산 지분을 인수했다. CATL이 투자한 키산푸 광산엔 코발트 310만 톤, 구리 620만 톤이 매장된 것으로 추정된다. 세계 최대 코발트 생산국인 콩고의 광산을 장악한 나라가 중국이다. 콩고 최대 코발트 광산 7곳 중 최소 4곳을 중국이 소유 중이다.
한편 전기차 제조 업체들은 제각기 대책을 마련하고 있다. 미국 전기차 업체 테슬라는 아예 코발트를 사용하지 않는 배터리를 개발하겠다고 밝혔다. 일본 파나소닉과 제휴해 늦어도 3년 안에 코발트 없는 배터리를 내놓겠다는 계획이다. LG화학도 GM과 협업해 코발트 비중을 10% 아래로 내린 배터리를 생산하기로 했다. 일본 혼다는 코발트 확보차 중국 최대 자동차 배터리 제조업체인 CATL와 제휴를 맺었다.
다만 이러한 계획들이 아직 초기 단계인데다 신규 광산 개발에도 최소 7년이 소요되는 만큼 코발트 몸값 상승은 당분간 계속될 전망이다. 런던금속거래소에서 코발트 가격은 2021년 초 톤당 3만3000달러 수준에 거래되다가, 2월 하순 5만 달러를 돌파했다.[1][2]
역사[편집]
코발트 화합물은 아주 오래 전부터 유리, 유약, 도자기 등에 진한 파란색 안료로 사용되어 왔다. 코발트로 착색된 가장 오래된 유리는 이집트 제18왕조 때 만들어졌다. 코발트(영어: cobalt, 독일어: Kobalt)라는 말은 광부들이 코발트를 함유한 광석을 지칭할 때 'kobold(도깨비)'라고 한 것에서 유래하였다. 코발트 광석은 은 광석과 비슷하며 대부분 비소를 포함하는데, 이를 은 광석으로 알고 제련하는 과정에서 유독한 비소 산화물이 생성되고 은 대신 산화 코발트 분말이 생성되기 때문에 그런 이름이 붙었다.
1735년경 스웨덴의 화학자 브란트(Georg Brandt)는 코발트가 다른 금속 원소와는 전혀 다른 새로운 원소임을 밝혀냈다. 제2차 세계대전 당시 독일은 무기 제조에 코발트 합금을 이용했다. 이 때문에 미국은 전후에 군용으로 사용할 수 있는 안정적인 코발트 공급원을 찾으려고 노력했다.
코발트-60은 1938년 글렌 시보그의 연구팀이 발견하였다.
존재[편집]
지각 속에는 약 0.001%의 코발트가 존재한다. 그러나 대기 중의 산소와 해수 속의 염소로 인해 순수한 코발트의 형태로는 거의 존재하지 않는다. 예외적으로 아주 최근에 날아온 철질 운석의 경우, 니켈과의 합금 형태로 포함되어 있기도 하다.
특성[편집]
코발트는 비중이 8.9이다. 강자성을 띤 금속이나, 1115℃ 이상으로 가열하면 자성을 잃는다. 산화되면 금속 표면에 얇은 피막을 형성하여 그 이상의 부식을 방지한다. 코발트를 산소와 함께 가열하면 사산화 삼코발트가 생성되며, 이를 다시 900℃ 이상의 온도로 가열하면 산소를 잃고 산화 코발트(II)가 된다. 수소나 질소와는 가열해도 반응하지 않지만 붕소,탄소,인,비소,황 등과는 반응할 수 있다. 상온에서는 무기산이나 습기와 아주 느리게 반응한다.
용도[편집]
코발트 광석은 고대부터 우수한 청색재료로 인정받았으며, 투탕카멘의 묘에서도 진청색의 유리 제품이 발굴되었다. 이슬람 모스크의 푸른 모자이크 타일들도 코발트가 들어간다. 또 레오나르도 다 빈치도 이 색을 즐겨 사용했다고 전해진다.
동양에서는 흔히 도자기에 청색을 낼 때 사용되었다. 북송의 멸망과 몽골과 왜구의 침입으로 인한 고려의 청자산업의 붕괴로 인해 청자는 자취를 감춘 뒤, 몽골과 이슬람의 영향을 받아 코발트로 색을 낸 청화백자가 등장했다. 당시에 불리던 이름은 회청(回靑). 페르시아가 코발트의 주요 산지였기 때문에 코발트 광석을 가져오는 상인들은 대개 그 당시 회회교(回回敎)라고 불린 이슬람교도였고, "이슬람 교도가 가져온 청색이라는" 뜻으로 회청이라 했다고. 당시로써는 귀중한 교역 품목이었다.
코발트가 들어간 푸른 유리는 과거 절연체로 사용되었다. 매체에서 등장하는 코발트의 모습이 대개 푸른색 결정으로 등장하는데, 우라늄과 마찬가지로 원소를 첨가물로 사용한 유리가 원소의 모습으로 굳어진 사례 중 하나. 실제 코발트 광석 중 파란 것도 있지만 유리질은 아니다.
반면 그림에 쓰이는 안료로서 가공된 코발트 블루는 1775년에 개발되었다. 코발트 블루는 말하자면 코발트 화합물로 만들어진 물감이다. 코발트 화합물은 파란색뿐만이 아니라 크롬과 마찬가지로 다채로운 색을 표현할 수 있다. 염화코발트는 물에 녹은 경우 묽은 용액은 분홍색을, 코발트 농도를 진하게 하면 보라에서 파랑, 그리고 진청색으로 변화해간다. 이런 다채로운 색채는 코발트의 배위결합 화합물이 여러가지 구조를 취하는 것에 기인한다.
염소와의 화합물인 이염화코발트는 평소에는 푸른색을 띄다가, 물과 접촉하면 분홍색으로 변하는 성질이 있다. 그리고 건조시키면 원래 색으로 돌아온다. 때문에 실리카 겔 등에 섞어 수분 흡수 정도를 확인하는 등의 수분 검출용 지시약으로 쓰이는데, 발암물질이라 유럽에서는 사용이 금지되었다.
이외에도 텅스텐계 합금인 소결탄화물의 재료로도 쓰인다. 가공을 위해 탄화 과정을 거친 텅스텐은 보통 가루 형태로 나오는데 이를 성형하기 위해 탄화텅스텐을 붙잡아주는 일종의 시멘트 역할을 한다.
코발트의 동위체 중 중요한 역할을 하는 것이 코발트 60이다. 코발트 60은 원자로에서 중성자조사에 의해 생겨나며, 니켈(니켈60)로 붕괴한다. 그때 방출하는 감마선은 아주 투과성이 높아서 의료분야의 방사선요법이나 식품보존 등에도 사용된다. 식품에 방사선을 쬐면 미생물이나 병균 등을 죽이는 효과가 있다.
물론 강한 방사선을 쓰기 때문에 식품에 대한 안전성이 문제가 되어 나라에 따라서는 금지된 경우도 있다. 참고로 한국에서는 26가지[1] 종류의 식품에 이용되고 있으며 방사선혐오증(혹은 그에 준하는 공포증)을 가진 일본에서는 감자에 한해 이용되고 있다.
코발트 60은 방사선 비파괴검사에서도 중요하게 쓰이는데 코발트 60의 감마선은 방사선 비파괴검사에서 주요하게 쓰이는 또 다른 방사성 동위원소인 이리듐 192보다도 투과력이 커서 매우 두꺼운 차폐 용기가 필요하다. 비파괴검사에 쓰이는 이리듐 192의 차폐 용기가 25kg 정도인 반면 코발트 60의 차폐 용기는 무게가 200kg이 넘어갈 정도. 이런 높은 투과력 때문에 코발트 60은 두꺼운 검사체를 검사하는데 쓰인다.
전기자동차가 상용화되면서 전기차 배터리의 주요 원료인 코발트의 가격이 폭등하고 있다고 한다. 고용량 리튬 배터리에는 리튬 니켈 코발트 화합물이 쓰이는데 코발트는 전세계 매장량의 절반이 콩고에 묻혀있을 정도로 편재된 자원인데다 콩고의 정치적 불안과 치안 문제도 크다 보니 수급 문제가 더욱 심각해지고 있는 상황이다.
또한 코발트 채굴 현장에 아동까지 동원한 것으로 밝혀졌다. 맨손으로 채굴하고 12시간 동안 일하는데 받는 돈이 딸랑 1000원 밖에 되지 않는다. 유니세프에 따르면 아동 4만명이 광산 노동에 동원되었다고 밝혔다.
리튬전지의 주원료는 리튬이지만 코발트의 가격이 월등히 비싸고 수급불안으로 코발트가 가격이 톤당 5-6만불로 두 배이상 뛰어서 전지 제조 원가의 20% 이상을 차지하고 있다. 그래서 코발트 사용을 줄이고 상대적으로 싼 니켈의 사용을 늘리는 추세다.
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 기계로 냉전 시절에 구상된 것 중에는 커다란 유조선에 코발트 60을 넣은 원폭을 가득 채운 것도 있었다고. 단, 실제로는 그리 경제적이지 못하다고 한다.
각주[편집]
- ↑ 이슬기 기자, 〈(줌인) 전기차 시장 배터리 전쟁에 '귀하신 몸' 된 코발트〉, 《조선비즈》, 2021-01-29
- ↑ 김남희 특파원, 〈배터리 1위 中 CATL, 콩고 코발트 광산 지분 인수〉, 《조선비즈》, 2021-04-12
참고자료[편집]
- 〈코발트〉, 《위키백과》
- 〈코발트〉, 《나무위키》
- 이슬기 기자, 〈(줌인) 전기차 시장 배터리 전쟁에 '귀하신 몸' 된 코발트〉, 《조선비즈》, 2021-01-29
- 김남희 특파원, 〈배터리 1위 中 CATL, 콩고 코발트 광산 지분 인수〉, 《조선비즈》, 2021-04-12
같이 보기[편집]
