갈륨

갈륨(Gallium)

갈륨 준위별 전자 수(2, 8, 18, 3)

갈륨(Gallium)은 무르고 푸른색의 은색 금속으로 저온에서 부서지기 쉬운 고체이며 상온보다 약간 높은 온도에서 액체로 존재한다. 자연계에서는 원소 자체로 발견되지 않으며 아연 광석이나 보크사이트(bauxite)에 갈륨 화합물 형태로 미량 존재한다. 갈륨은 1869년 멘델레예프가 주기율표를 제안했을 때까지 발견되지 않았으나, 알루미늄 바로 아래(eka)에 놓여 있을 것이기에 에카-알루미늄(eka-aluminium)이라 명명되었고, 이때 물리-화학적 성질도 예측되었던 원소이다. 주기율표에서 13족에 속해 같은 족의 알루미늄, 인듐, 탈륨과 유사한 성질을 가지고 있다.

1875년에 발견된 갈륨은 주로 녹는점이 낮은 갈린스탄(galinstan: 68.5% 갈륨, 21.5% 인듐, 10% 주석으로 이루어져 있으며, 녹는점은 -19°C 이다)과 같은 합금을 만들거나, 반도체 기판의 도펀트(dopant: 반도체 물질의 성능을 개선하기 위해 넣어주는 소량의 불순물)로 사용된다. 갈륨의 주요 화합물인 비소화 갈륨(GaAs)은 마이크로파 회로, 고속 스위칭 회로 및 적외선 회로 등 전자 소자 재료로 사용되며, 질소화 갈륨(GaN)과 인듐 갈륨 질소화물(InGaN)은 청색 및 보라색 발광 다이오드(LED)나 다이오드 레이저 재료로 쓰이는 등 전자 산업에서 필수적인 이용되는 원소이다.

• 상태 : 은색의 아주 무른 금속
• 원자번호 : 31
• 원자량 : 69.723(1)u
• 녹는점 : 29.76°C
• 끓는점 : 2400°C
• 밀도 : 5.91g/cm³
• 원자반지름 : 130pm
• 산화 상태 : +1, +2, +3
• 전자구조 : [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹

갈륨의 발견, 분리, 생산

러시아의 멘델레예프(D. Mendeleev)는 자신이 제안한 주기율표에서 알루미늄과 유사한 성질을 가졌지만, 아직 발견되지 않았던 새로운 원소를 '에카–알루미늄'이라고 명명하고 밀도, 녹는점, 산화물 형태 등 여러 가지 특성을 예측하였다. 심지어 그는 이 원소가 분광기(spectrophotometer)를 이용하면 발견될 것이며, 금속 형태는 산과 염기 모두에서 천천히 용해되며, 공기와는 반응하지 않을 것이라고 까지 예상하였다. 또한, 이 금속(M)의 산화물은 M₂O₃형태를 가지며, 산에 용해되어 MX₃ 염을 만들고, 무수 MCl₃은 ZnCl₂보다 더 큰 휘발성을 가질 것으로 생각했는데, 이후 이 모든 예측은 사실로 밝혀졌다. 실제 갈륨은 1875년 프랑스의 화학자 부아보드랑(P. E. Lecoq Boisbaudran)에 의해 섬아연석(sphalerite, 주성분 ZnS)의 분광학 연구 과정에서 발견되었으며, 그는 그해 말 섬아연석을 처리하여 수산화물을 얻고 이를 전기분해하여 순수한 갈륨 금속을 얻었다.

과거에는 갈륨이 포함된 석탄에서 얻었으나 지금은 보크사이트(bauxite)로부터 알루미늄을 생산하는 과정의 부산물에서 혹은 아연 가공 과정에서 소량으로 분리된다. 즉 소량의 갈륨(0.003～0.01%)이 들어 있는 보크사이트로부터 알루미나를 생산하는 베이어 공정(Bayer process)에서 생산되는데, 먼저 이 광석을 수산화 소듐 용액에 녹여 소듐 산화 갈륨(NaGaO₂) 형태로 농축하고, 이온 교환 수지를 이용하여 분리하거나 전기 분해하여 금속 갈륨을 얻는다. 99.9999 % 이상의 순도를 갖는 반도체용 갈륨은 띠 정제나 단결정 추출 방법(Czochralski process)으로 정제하여 얻을 수 있다.

갈륨의 IUPAC 원소 이름과 기호

갈륨의 원소 이름은 처음 발견한 부아보드랑이 자신의 조국을 기리기 위해 프랑스의 옛 라틴어 명 '갈리아(Gallia)'에서 따서 gallium이라 명명한 것으로 여겨지며, 그 원소 기호는 'Ga'이다. 또 다른 일화로 그의 이름 수탉(Le coq)의 라틴어 명 'gallus'에서 왔다는 설도 있다.

갈륨의 물리 화학적 성질

갈륨은 아주 무른 은색 빛을 띠는 금속으로 녹는점이 29.746 °C이기에, 상온에서 액체인 네 가지 금속(세슘, 루비듐, 수은, 갈륨) 중 하나이다. 특히 갈륨은 이들 중 반응성이 가장 낮고 독성이 적어 유일하게 고온 온도계에 사용할 수 있으며, 끓는점이 2204 °C이기에 액체로 존재하는 범위가 다른 어떤 원소보다 크다. 고온에서 낮은 증기압을 가지며 액체에서 고체로 변할 때 부피가 약 3.1 % 늘어난다. 갈륨은 다른 금속 결정 안으로 잘 확산되어 쉽게 합금을 만들 수 있으며, 이러한 합금은 잘 부서지는 특성을 가진다. 자연에 갈륨-69와 갈륨-71 동위원소가 각각 60.11%, 39.89% 존재하며, 둘 다 안정하다. 다양한 인공 동위원소가 합성되었는데, 특히 상업적으로 유용한 것으로 핵 의학 영상에 사용되는 갈륨-67과 PET-CT 장비에 쓰이는 갈륨-68이 있다.

갈륨은 화합물에서 주로 +3의 산화 상태로 존재하나, 일부 화합물에서는 +1과 +2를 갖기도 한다. 갈륨 금속은 상대적으로 높은 온도에서 O, S, Se, Te와 같은 16족의 칼코젠(chalcogen) 원소와 반응하는데, 실온에서는 표면에 형성된 산화물 보호막 때문에 공기나 물과 반응하지 않지만, 높은 온도에서는 산소와 반응하여 갈륨(III) 산화물(Ga₂O₃)을 형성한다. 황화 갈륨(III)(Ga₂S₃)은 갈륨 금속이나 수산화 갈륨(III)(Ga(OH)₃)과 황화 수소(H₂S)의 반응으로 만들 수 있으며, 산화 상태가 낮은 황화 갈륨(II)(GaS)과 황화 갈륨(I)(Ga₂S)도 역시 알려져 있다. 다른 칼코젠 이성분 화합물 셀레늄화 갈륨(III)(Ga₂Se₃)과 텔레륨화 갈륨(III)(Ga₂Te₃)은 반도체 성질을 가지고 있으나, 공기 중 수분에 의해 쉽게 가수 분해되므로 유용성은 제한적이다.

갈륨은 N, P, As 등과 같은 15족 닉토젠(pnictogen) 원소와도 결합하여 반도체 특성을 갖는 이성분 화합물을 만든다. 갈륨 금속은 강산에 녹아 황산 갈륨(Ga₂(SO4)₃) 이나 질산 갈륨(Ga(NO₃)₃)과 같은 갈륨(Ⅲ) 염을 형성하며, 이러한 염은 물에 녹아 수화된 갈륨 이온([Ga(H₂O)₆]³⁺)으로 존재한다. 갈륨은 염기성 수산화물 용액에 녹아 수산화 갈륨(Ga(OH)₄⁻) 음이온을 포함하는 갈산염(gallate)을 형성하기도 한다. 갈륨 할로젠화물 중 불소화 갈륨(III)(GaF₃)은 산화 갈륨(III)을 플루오린화 수소산이나 플루오린 기체와 반응시켜 얻으며, 물에 거의 녹지 않는 이온성 화합물이다. 플루오린화 갈륨(III)과 달리, 염화 갈륨(III)은 78 ℃의 녹는점을 갖는 이합체(Ga₂Cl₆) 형태로 존재하며, 브로민과 아이오딘도 유사한 화합물 Ga₂Br₆ 및 Ga₂I₆를 형성한다. 갈륨 트라이할로젠화물은 알칼리 금속 할라이드와의 반응에서 루이스 산으로 작용하여 GaX₄⁻ 음이온(여기서 X는 할로젠)을 만든다.

GaX₃ + MX(여기서 M과 X는 각각 알칼리 금속과 할로젠) → GaX₄⁻ + M⁺(알칼리 금속 양이온)

또한, 할로젠화 알킬(RX)과 반응하여 GaX₄⁻ 음이온과 탄소 양이온(carbocation)을 만든다.

GaX₃ + RX → GaX₄⁻ + R⁺(탄소 양이온)

갈륨은 알루미늄처럼 갈레인(gallane)으로 알려진 갈륨(III) 수소화물(GaH₃)도 형성할 수 있으나, 섭씨 -10 °C 이상에서는 불안정하여 갈륨 금속과 수소로 분해된다.

2GaH₃ 혹은 Ga₂H₆ → 2Ga + 3H₂

갈륨의 산업적 용도

1960년대 전까지 갈륨은 고온용 온도계나 녹는점이 낮은 합금을 만드는 데 주로 사용되었다. 현재는 상업적 수요의 98%가 반도체 관련 분야에 쓰이며, 다음으로 인조보석인 가돌리늄 갈륨 가넷(gadolinium gallium garnets)을 만드는데 사용된다. 고순도의 갈륨은 초고속 논리 칩, 휴대 전화 잡음 감소용 집적회로, 광전자용 소자 등에 사용하는 비소화 갈륨이나 질소화 갈륨의 제조에 쓰인다. 비소화 갈륨은 다양한 광전자 적외선 장치에도 사용되며, 비소화 알루미늄 갈륨(AlGaAs)은 고전력 적외선 레이저 다이오드(diode)에 쓰인다. 질소화 갈륨과 질소화 인듐 갈륨(InGaN) 반도체는 청색이나 보라색을 내는 레이저 다이오드와 발광 다이오드로 사용된다.

갈륨은 화성 탐사 로봇, 인공위성의 다중 접합 박막 태양전지, 그리고 고비용의 결정성 실리콘 태양 전지의 대안으로 태양 전지판에 사용되는 구리 인듐 갈륨 셀레늄 황화물 (Cu(In, Ga)(Se, S)2)과 같은 광전지 화합물의 필수 구성 원소이기도 하다. 갈륨은 대부분의 금속과 쉽게 결합하여 녹는점이 낮은 합금을 만들며, 이 중 갈린스탄과 같은 공정 합금(eutectic alloy)은 어는점이 -19 °C로 낮아 독성이 있는 수은을 대체하여 의료용 온도계에 사용된다. 갈륨은 유리나 도자기 표면에 잘 퍼지는 특성이 있어 거울을 만드는데 이용될 수 있다.

갈륨의 생물학적 역할은 알려진 것이 없으나 체내에서 갈륨 이온이 철(III) 이온과 유사한 거동을 보여 여러 갈륨 화합물들이 의약품과 방사성 의약품으로 사용되거나 개발 중이다. 질산 갈륨(제품명 Ganite)은 뼈로 종양이 전이되는 것을 막기 위한 고칼슘 혈증 치료 정맥 주사제로 사용되며, 경구용 갈륨 말토레이트(Gallium maltolate)는 암세포와 같은 증식화 세포와 +3 산화 상태의 철을 수용하는 박테리아에 대해 항증식성을 가진다고 보고되었기에, 여러 가지 암과 전염성 질병 및 염증성 질환에 대한 잠재적 치료제로써 임상 및 전임상 시험 단계에 있다. 갈륨-67이 표지된 갈륨 구연산염(gallium citrate)이나 질산 갈륨(gallium nitrate)과 같은 갈륨염은 핵의학 영상검사에서 방사성 약제로 사용된다. 68 분의 반감기를 가지며 양전자를 방출하는 갈륨-68은 PET-CT 장비의 진단용 방사성 핵종으로 사용된다.

참고자료

• 〈갈륨〉, 《화학백과》
• 〈갈륨〉, 《위키백과》
• 〈갈륨〉, 《나무위키》

같이 보기

• 알루미늄
• 인듐
• 주석

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