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니오븀(Niobium)

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 3,188회 작성일 21-04-02 13:18

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원자번호 41번 원소는 상당히 혼란스럽고 흥미로운 역사를 가진 원소이다. 우리말로는 ‘니오브’라 불리어왔지만, 지금은 ‘나이오븀’과 ‘니오븀’ 두 가지로 불린다. 이 원소는 미국에서 채취해서 영국으로 보냈던 광석에서 1801년에 처음 발견되었고, 이에 따라 미국(America)을 일컫는 또 다른 이름인 컬럼비아(Columbia)을 따서 컬럼븀(columbium, 원소기호 Cb)으로 명명되었다. 그러나 곧이어 발견된 탄탈럼(tantalum, 그리스 신화에 등장하는 탄탈루스(Tantalus)의 이름을 따서 지음)과 같은 것으로 간주되었다가, 1846년에야 컬럼븀과 탄탈럼이 서로 다른 원소임이 확인되었다. 컬럼븀은 거의 모든 광석에서 탄탈럼과 함께 존재하고 또 성질이 탄탈럼과 아주 비슷하므로, 탄탈루스의 딸인 니오베(Niobe)의 이름을 따서 나이오븀(niobium, 원소기호 Nb)으로 고쳐 명명되었다. 이후 미국 등에서는 컬럼븀을, 독일을 비롯한 유럽에서는 나이오븀을 원소명으로 사용하여왔다. 1950년에 국제순수∙응용화학연맹(IUPAC)은 이 원소 이름을 나이오븀으로 부르기로 하였으나, 아직도 미국에서는 컬럼븀을 함께 사용하기도 한다. 나이오븀은 자동차 차체나 가스관 등에 사용되는 고강도저합금(HSLA) 강철, 제트 및 로켓 엔진 등에 사용되는 높은 온도에서도 안정한 초합금, 그리고 MRI 용 초전도자석의 초전도 코일 등에 사용되는 등, 현대 산업에서 아주 중요한 금속이다. 또한 나이오븀을 양극 산화시키면 여러 아름다운 색과 무늬를 얻을 수 있어 장신구에 많이 사용되기도 한다. 나이오븀에 대해 좀 더 자세히 알아보자.

원자번호 41번, 나이오븀

나이오븀(Niobium)은 원자번호 41번의 원소로, 원소기호는 Nb이다. 바나듐(V), 탄탈럼(Ta)과 함께 주기율표에서 5족(5B족)에 속하는 전이금속이다. 순수한 금속은 회색이나, 공기 중에 장시간 노출되면 표면이 산화되어 푸른색을 띤다. 순수한 금속은 무르고 연성(잡아 늘이기 쉬운 성질)이 있으나, 불순물이 들어가면 단단해 진다. 원소 상태에서 전기저항이 0이 되는 초전도체

현상을 보이는 것 중에서는 임계온도가 9.2K로 가장 높으며, 자기장이 투과하는 깊이가 가장 길다. 원자 및 이온의 크기와 화학적 성질들이 탄탈럼과 아주 비슷하다. 고온이 아니면 산소나 다른 반응성이 큰 원소들과도 반응하지 않으며, 대부분의 화학물질에 의해서도 잘 부식되지 않는다. 강산에도 온도와 농도가 높은 경우에만 녹는다. 화합물에서 주된 산화상태는 +5와 +3이다.

원자번호 41번, 나이오븀. <출처: (CC)W. Oelen at Wikipedia.org>

나이오븀의 원소 정보.

나이오븀은 지각 무게의 약 20ppm(0.002%)를 차지하는 대략 33번째 풍부한 원소로, 질소(N), 갈륨(Ga), 리튬(Li)과 존재 비가 비슷하다. 같은 족의 바나듐보다는 존재량이 월등히 적으나, 탄탈럼(1.7ppm)보다는 10배 이상이나 풍부하다. 천연에서는 원소 상태로 발견되지 않으며, 광물에 탄탈럼과 함께 들어있다. 원래의 주된 나이오븀 광물은 컬럼바이트(columbite, (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆: Nb가 Ta보다 많이 포함됨), 탄탈라이트(tantalite, 컬럼바이트와 같은 구조를 가지나 Ta가 Nb보다 많이 포함됨), 그리고 이들의 혼합 광석인 콜탄(coltan: columbite-tantalite)이었다. 그러다가 1950년에 브라질에서 방대한 양의 고품위 (Nb₂O₅함량이 약 2.5%) 파이로클로르(황록석, pyrochlore: (Na,Ca)₂Nb₂O₆(OH,F)) 광석이 발견된 이후에는 나이오븀은 주로 여기서 생산된다. 2011년 전세계 나이오븀 생산량은 63,000톤으로, 이의 90% 이상이 브라질에서 생산된다.

나이오븀은 주로 고강도저합금(high strength low alloy: HSLA) 강철 생산에 사용된다. 이들 강철은 자동차 차체, 송유관, 가스관, 각종 철 구조물 등에 사용된다. 또한 나이오븀은 고온용 초합금 제조에도 쓰이는데, 이들은 제트 및 로켓 엔진, 연소 장치 등에 사용된다. 그리고 나이오븀을 포함하는 초전도성 합금은 MRI스캐너, 가속기 등 입자 물리학 실험 장치 등에서 초전도자석을 만드는 데 사용된다. 이들 외에도 나이오븀은 용접봉, 원자로, 전자 및 광학 기구, 장신구 등에 사용된다.

나이오븀의 생물학적 역할은 알려진 바가 없으며, 금속 나이오븀과 이의 화합물들은 사람이나 동물에 거의 독성을 나타내지 않는다고 알려져 있다.

나이오븀의 역사와 분리∙발견, 원소명 명명

1801년 영국 화학자 해체트는 미국에서 채취된 후 영국으로 보내진 한 광석에서 새로운 원소, 즉 오늘날의 나이오븀의 산화물을 발견하였다.

1801년 영국 화학자 해체트(Charles Hatchett, 1765~1847)는 미국에서 채취된 후 영국으로 보내져 1753년부터 대영박물관에 진열되어온 한 광석에서 새로운 원소의 산화물을 발견하였다. 그는 새로 발견된 원소를 당시 미국(America)의 또 다른 이름이었던 컬럼비아(Columbia)를 따서 컬럼븀(columbium)으로, 그리고 이 원소가 발견된 광석을 컬럼바이트(columbite)라 이름 지었다. 컬럼븀이 오늘날의 나이오븀이다.

이듬해인 1802년에 스웨덴의 에셰베리(Anders Gustaf Ekeberg, 1767~1813)는 한 핀란드산 광석에서 새로운 원소를 발견하였는데, 이를 그리스 신화에 나오는 제우스의 아들인 탄타루스(Tantalus)를 따서 탄탈럼이라 하였다. 이는 이 원소의 광석을 산에 녹이기가 매우 어려웠기 때문에 붙인 이름이다. 이후 해체트의 컬럼븀(나이오븀)과 에셰베리의 탄탈럼이 상당 기간 서로 혼동되었는데, 이는 이들의 성질이 너무나 비슷했기 때문이다. 비록 울러스턴(William Hyde Wollaston, 1766~1828)이 1809년에 컬럼븀 산화물의 밀도는 5.918g/cm³이고 탄탈럼 산화물의 밀도는 8g/cm³ 이상으로 컬럼븀과 탄탈럼은 서로 다른 원소라고 결론지었지만, 많은 과학자들은 이들이 같은 원소라고 여겼다.

컬럼븀과 탄탈럼을 분명하게 구분한 사람이 독일의 로제(Heinrich Rose, 1795~1864)이다. 그는 1846년에 컬럼바이트 광석과 탄탈라이트 광석 둘 다에 두 가지 종류의 금속 원소가 들어있으며, 그 중 하나는 에셰베리의 탄탈럼이고 다른 하나는 해체트의 컬럼븀임을 확실하게 밝혔다. 그는 컬럼븀을 나이오븀(niobium, Nb)이라고 새로 명명하였는데, 이는 그리스 신화에서 탄타루스의 딸 이름 니오베(Niobe)을 따서 지은 것이다. 이후 탄탈럼과 나이오븀의 여러 차이점들이 밝혀졌다.

1864년에 드 마리낙(Jean Charles Galissard de Marignac, 1817~1894)은 염화나이오븀(NbCl₅)을 수소 기체 하에서 가열하여 비록 불순한 상태이기는 하나 금속 나이오븀을 얻었다. 순수한 금속 나이오븀은 1905년에 폰 볼턴(Werner von Bolton, 1868~1912)이 [NbF₇]^2-의 염을 소듐(Na)으로 환원시켜 처음으로 얻었다. 나이오븀은 20세기 초반에 백열등 필라멘트 재료로 사용되었으나, 1910년 이후에는 녹는점이 보다 높은 텅스텐(W)으로 대체되었다. 1920년대에는 강철에 소량의 나이오븀을 첨가하면 강도가 크게 좋아진다는 것이 발견됨에 따라 도구용 강철 생산에 텅스텐을 대체하여 사용되기 시작하였으며, 1930년대부터는 스테인리스강의 내부식성을 높이는 데도 사용되기 시작하였다, 1960년에는 나이오븀/주석(Sn) 합금에서 초전도체 성질이 발견되었고, 이후 나이오븀 초전도 합금은 자기공명 영상장치(MRI), 핵자기공명(NMR) 분광기, 입자 가속기 등의 초전도자석을 만드는 데 사용되게 되었다.

국제순수∙응용화학연합(IUPAC)의 나이오븀 원소명 채택

1846년에 독일의 로제가 컬럼븀(원소기호 Cb)을 탄탈럼과 명확하게 구분하고, 이에 새로운 이름 나이오븀(원소기호 Nb)을 붙인 이후, 독일과 러시아 등의 유럽에서는 주로 나이오븀으로, 영국과 미국에서는 주로 컬럼븀으로 불렸다. 화학자들은 어떤 이름으로 통일할 것인가에 대해 거의 100년간 토론하였는데, 1950년에 국제 순수∙응용화학연합(IUPAC)은 공식적으로 나이오븀을 채택하였다. 그러나 미국의 여러 기관과 산업계는 아직도 컬럼븀을 사용하기도 한다.

원소명이 나이오븀으로 통일된 것은 또 다른 원소인 텅스텐의 명칭 통일과 더불어 미국과 유럽 사이에 이루어진 타협으로 볼 수 있다. 텅스텐(W)은 스웨덴어로 ‘무거운 돌(tung+sten)’이라는 뜻이고, 우리도 과거에 이런 뜻을 갖는 한자어인 중석(重石)이라 불렀다. 텅스텐의 또 다른 이름은 볼프람(Wolfram)이고, 원소기호 W는 이에서 나왔다. 미국, 영국, 프랑스 등에서는 텅스텐을 사용했으나, 독일 등 대부분의 다른 유럽 나라에서는 볼프람을 사용하였다. IUPAC은 나이오븀은 유럽에서 주로 부르는 명칭을 채택하는 대신, 텅스텐은 미국 등에서 부르는 명칭을 채택함으로써 미국과 유럽 사이에서 일종의 타협을 한 것이다. 아직도 많은 단체나 사람들은 이전의 이름을 고집하여 사용하기도 하지만 국제적 학술지에서는 IUPAC 명칭이 거의 전적으로 사용되고 있다.

양극산화처리한 나이오븀 입방체(왼쪽)와 고순도의 나이오븀 결정(오른쪽). <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

물리적 성질

나이오븀은 회색의 금속 광택을 띠며, 결정은 체심입방(bcc) 구조를 하고 있다. 실온에서 공기에 장시간 노출되면 산화물 피막이 형성되어 푸른색을 띤다. 아주 순수한 상태에서는 비교적 무르고 연성이 있으나, 불순물이 들어가면 단단해지고 부서지기 쉬워진다. 모든 불순물을 완전히 제거하기가 어렵기 때문에, 문헌으로 보고된 여러 물리적 성질들이 약간씩 차이가 난다. 녹는점은 2468^oC이고, 끓는점은 4758^oC이며, 20^oC에서의 밀도는 8.57g/cm³이다.

나이오븀은 상자기성을 띠며, 저온에서 초전도체가 된다. 대기압에서 순수한 금속 나이오븀의 초전도 임계온도는 9.2K로, 원소 중에서는 가장 높다. 또한 자기장 투과 깊이도 가장 길다. 바나듐(V), 테크네튬(Tc)과 함께 제2종 초전도체가 되는 3가지 원소 중의 하나이다. 열 중성자를 비교적 잘 흡수한다.

동위원소
천연 상태에서 나이오븀은 안정한 핵 종인 ⁹³Nb 한가지 동위원소로만 존재한다. 질량수가 81~113인 여러 인공 방사성 동위원소들이 합성되었으며, 이들 중 가장 반감기가 긴 것이 ⁹²Nb(반감기 3470만년)인데 이는 모든 인공 동위원소 중에서 반감기가 가장 긴 것이다. 이외에 반감기가 비교적 긴 것들로 ⁹⁴Nb(20,300년), ⁹¹Nb(반감기 680년), ⁹⁵Nb(반감기 35일), ⁹²Nb(반감기 10.15일), ⁹⁶Nb(반감기 23.4 시간), ⁹⁰Nb(반감기 14.6시간) 등이 있다. 안정한 ⁹³Nb보다 가벼운 동위원소들은 주로 전자포획(β⁺ 붕괴)을 하고 지르코늄(Zr) 동위원소가 되며, ⁹³Nb보다 무거운 것들은 β^- 붕괴를 하고 몰리브데넘(Mo) 동위원소가 된다. 나이오븀 동위원소들에는 여러 핵이성체(nuclear isomer: 원자번호와 질량수, 즉 핵의 양성자수와 중성자수는 같으나 에너지 준위나 그 밖의 성질이 다른 핵 종)들이 있는데, ⁹³Nb도 반감기가 16.13년이고 에너지가 31keV인 준안정한 상태의 핵이성체 ^93mNb가 있는데, 이는 ⁹³Zr의 β^-붕괴로 생성된다. 이외의 중요한 준안정한 핵이성체로는 반감기가 60.86일인 ^91mNb와 3.61일인 ^95mNb가 있다. 이들 핵이성체들은 각각 ⁹³Nb, ⁹¹Nb, ⁹⁵Nb로 이성체 전이를 한다. 나이오븀 방사성 동위원소들이 실용적으로 응용된 예는 아직 없다.

화학적 성질

나이오븀의 전자배치는 [Kr]4d⁴5s¹이다. 따라서 화합물에서 가장 높고 흔한 산화 상태는 전자 5개를 잃고 크립톤(Kr)과 같은 전자배치를 하는 +5 상태이다. 그러나 +4, +3, +2, -1의 산화 수를 갖는 화합물들도 있는데 이들은 Nb-Nb 사이의 결합을 갖고 있다.

나이오븀의 화학적 특성은 여러 면에서 지르코늄(Zr)이나 탄탈럼과 비슷하다. 특히 탄탈럼과는 원자 반경이나 각 산화상태에서의 이온 반경이 거의 동일하며, 거의 같은 화학적 성질을 보인다. 실온에서 공기에 오랫동안 노출되면, 산화물 보호피막이 만들어지고 약간 푸른색을 띤다. 고온에서는 대부분의 비금속 원소들과 반응하는데, 염소(Cl₂)나 수소(H₂)와는 200^oC에서, 질소(N₂)와는 400^oC에서, 그리고 공기 중의 산소와는 200^oC에서 반응하여 보통 틈새형(interstitial) 비화학량론적(화합물에서 원소들 간의 비가 간단한 정수비가 아닌) 화합물을 생성한다. 실온에서는 플루오린(F₂), 플루오르화수소산(HF), HF/질산(HNO₃) 혼합물을 제외한 거의 모든 것과 반응하지 않는다. 대부분의 강산과도 높은 온도와 높은 농도에서만 반응하며, 용융된 알칼리에도 부식되지 않는다.

나이오븀의 바닥상태 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

나이오븀의 생산

나이오븀은 대부분의 광석에서 탄탈럼과 함께 들어있으며, 광석에서 이들을 분리∙생산하는 과정은 다양하고 복잡하다. 채취한 광석을 가루로 만들고 부유 및 강한 자력 선광 과정을 거쳐 농축한 후, 화학적 처리 과정을 통해 다른 광물 성분을 제거하여 오산화 나이오븀(Nb₂O₅)과 오산화 탄탈럼(Ta₂O₅)의 혼합물을 얻는다. 이 혼합물에서 각각의 산화물을 분리하는 데는 1866년에 드 마리낙이 개발한 방법을 여전히 사용하는데, 첫 단계는 혼합 산화물을 묽은 HF와 반응시켜 플루오르화 착물들을 만드는 것이다.

Ta₂O₅ + 14 HF → 2 H₂TaF₇+ 5 H₂O
Nb₂O₅ + 10 HF → 2 H₂NbOF₅+ 3 H₂O

종래에는 이들 플루오르화 착물을 각각 물에 거의 녹지 않는 K₂TaF₇와 물에 녹는 K₂NbOF₅ 형태로 변환시키고, 이들의 용해도 차이를 이용하여 두 화합물을 분리하였다. 그러나 요즈음은 선택적 용매 추출 방법이 보다 흔히 사용된다. 예로, H₂TaF₇는 묽은 HF용액에서 메틸 아이소뷰틸 케톤(methyl isobutyl ketone)으로 추출되며, 수용액 층의 산성도를 높이면 H₂NbOF₅도 유기 용매 층으로 추출된다. 추출된 H₂NbOF₅ 용액에 KF를 첨가하면 K₂NbOF₅가 침전으로 생성되고, 암모니아를 첨가하면 Nb₂O₅가 침전으로 얻어진다.

H₂NbOF₅+ 2 KF → K₂NbOF₅+ 2HF
2 H₂NbOF₅+ 10 NH₄OH → Nb₂O₅+ 10 NH₄F + 7 H₂O

나이오븀의 주된 용도는 강철 생산에 합금제로 첨가되는 것이므로, 나이오븀의 80% 이상은 페로나이오븀(FeNb) 형태로 생산된다. 페로나이오븀은 철과 나이오븀의 합금인데, 나이오븀 함량이 보통 60~70%이며, 보통 철 산화물과 나이오븀 산화물의 혼합물을 고온에서 알루미늄으로 환원시키는 테르밋 공정(aluminothermic process)으로 얻는다.

3 Nb₂O₅+ 3 Fe₂O₃+ 16 Al → 6 {Fe-Nb} + 8 Al₂O₃

금속 나이오븀은 K₂NbOF₅와 NaCl의 용융 혼합물을 전기분해시키거나, Nb₂O₅를 소듐(Na), 탄소(C), 수소(H₂), 또는 알루미늄(Al) 등으로 환원시켜 얻는다. 강철 생산에 사용되는 나이오븀이나 페로나이오븀에는 약간의 불순물들이 들어있어도 크게 문제가 되지 않으나 초전도합금이나 로켓 등에 사용되는 초합금에는 높은 순도의 나이오븀이 요구되는데, 이는 진공에서 전자빔 용해(electron beam melting) 방법으로 다시 정제시켜 얻는다.

나이오븀의 전세계 연간 생산량(금속 Nb로 환산한 양)은 1995년에 17,800톤에서 2005년에 38,700톤으로 약 2배 증가하였다. 2008년 생산량은 62,000톤으로 또다시 크게 증가하였고, 이중 브라질이 56,100톤(90.5%), 캐나다가 4,400톤(7.1%), 중국과 기타 여러 나라가 1,500톤(2.4%)을 생산하였다. 2009년 이후에는 연간 약 63,000톤의 생산량을 유지하고 있다. 전세계 광석 매장량은 440만 톤으로 추정된다. FeNb 1톤(Nb 함량 기준)당 가격은 2010년에 미화 37,500$로 2006년의 14,000$에 비해 대략 2.5배 증가하였다. 나이오븀은 성질이 비슷한 같은 족의 탄탈럼에 비해 생산량이 약 40배로 많고 가격도 약 1/3이기 때문에, 대체 가능한 용도에는 탄탈럼 대신에 나이오븀이 주로 사용된다.

나이오븀의 응용

나이오븀은 80% 이상이 페로나이오븀으로 생산되어 강철 합금제로 사용된다. 강철에 나이오븀을 0.1% 이내로 첨가하면 이의 특성이 크게 향상된 고강도저합금(HSLA) 강이 얻어지는데, 나이오븀 HSLA 강은 강하고, 가벼우며, 잘 부식되지 않아 자동차 차체, 송수관과 가스관, 철 구조물, 스테인리스 강, 철도 궤도 등에 사용된다. 또 고순도 FeNb와 니켈 나이오븀(NiNb)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe)을 기반으로 하는 초합금(superalloy) 제조에 사용되는데, 이들 초합금은 내열성이 탁월하여 제트 엔진 부품, 로켓 부품, 내열성 연소 장치, 핵 반응로, 항공기 기체, 화학 반응기 등에 사용된다.

나이오븀은 자동차 차체와 가스관 등으로 사용되는 고강도저합금(HSLA) 강철 생산에 주로 사용된다. <출처: gettyimages>

나이오븀 초합금은 내열성이 매우 좋아 로켓 추진체 노즐 등으로 사용된다.

나이오븀은 초전도 합금을 만드는 데도 많이 사용된다. 나이오븀-저마늄(Nb₃Ge), 나이오븀-주석(Nb₃Sn), 나이오븀-타이타늄(NbTi) 합금은 제2형 초전도체로, 강력한 초전도자석을 만드는 전선 코일로 사용된다. 이들을 사용한 초전도 자석은 자기공명영상(MRI) 스캐너나 핵자기공명(nuclear magnetic resonance: NMR) 분광기에 사용되어 의료 진단과 화합물 분석 등에 매우 중요하게 사용된다. 또한 입자 가속기 등에도 많은 양의 나이오븀 초전도 합금이 사용되는데, 스위스 제네바에 설치된 강입자충돌기(Large Hadron Collider)에는 600톤의 나이오븀 합금 초전도 전선 가닥이 사용되었으며, 국제핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor: ITER)에는 약 600톤의 Nb₃Sn와 250톤의 NbTi 초전도 전선 가닥이 사용된 것으로 파악된다.

의료 진단에 중요하게 사용되는 자기공명영상(MRI) 스캐너는 대부분 나이오븀 초전도 합금을 전선으로 사용한 초전도자석으로 강한 자기장을 얻는다. <출처: (CC)Tomáš Vendiš at Wikipedia.org>

캐나다에서 2011년에 주조된 액면 5$짜리 수렵월 주화. 은/나이오븀으로 되어있는데, 나이오븀을 선택적으로 산화시켜 각기 다른 색과 무늬를 만든다. <출처: 캐나다왕립조폐국>

나이오븀은 장신구와 기념 주화에도 사용된다. 나이오븀을 전기화학적으로 양극 산화시키면 얇은 산화물 피막이 형성되고, 이의 두께는 걸어진 전압에 따라 변하는데, 이 피막 두께에 따라 빛의 회절이 달라져서 색깔이 달라진다. 2011년에 캐나다 조폐국에서 제작되어 수렵월(hunter’s moon)로 명명된 액면 5$의 은-나이오븀 주화는 Nb를 선택적으로 산화시켜 모두가 다른 모양을 띠도록 제조되었다. 또한 다양한 색과 무늬를 갖는 장신구들이 이 방법으로 제작되어 사용되는데, 나이오븀 장신구는 가볍고 피부반응을 거의 일으키지 않는 장점도 갖고 있다. 이외에도 나이오븀은 대형 철 구조물의 음극화 보호, 화학공업 장치, 특수 스테인리스 강, 용접 등에 사용되기도 한다.

나이오븀은 가볍고 피부반응을 거의 나타내지 않고 양극 산화로 여러 가지 다양한 색을 낼 수 있어 장신구로 많이 사용된다.
<출처: (CC)The ChainMaille Lady at flickr.com>

화합물과 이들의 이용

나이오븀은 산화상태가 다른 여러 산화물을 만드는데, 이들은 NbO, Nb₂O₃, NbO₂, Nb₂O₅ 등이다. 이들 중 가장 흔한 것이 산화수가 +5인 Nb₂O₅인데, 무색이며 거의 반응성이 없다. Nb₂O₅는 금속 나이오븀과 대부분의 나이오븀 화합물, 그리고 합금 제조의 전구 물질로 사용된다. 또한 카메라 렌즈용 광학 유리 제조, 컴퓨터 화면 유리의 코팅, 세라믹 축전기(capacitor) 등에도 사용된다.

Nb₂O₅를 뜨거운 염기성 수산화물 용액에 녹이거나 알칼리 금속 산화물에 녹이면 나이오븀산 염(niobate)이 얻어진다. 나이오븀산 염들은 전기 및 광학 재료로 흔히 이용되는데, 가장 대표적인 것이 나이오븀산 리튬(lithium niobate, LiNbO₃)이다. LiNbO₃은 무색이고 물에 녹지 않는데, 이의 결정은 광도파관(optical waveguide), 이동전화와 광변조기, 기타 여러 선형 및 비선형 광학 응용에서 중요한 재료로 사용된다. 또 신호 제어가 용이하고 소형화가 가능한 표면 탄성파(surface acoustic wave) 장치 제작과 여러 레이저 장치에도 중요하게 사용된다.

나이오븀은 산화상태가 +3~+5인 여러 할로겐화물을 만든다. 오할로겐화물(NbX₅)의 경우, X가 F인 경우는 흰색, Cl인 경우는 노란색, Br인 경우는 주황색, I인 경우는 황동색을 띠며, 모두 승화성이 있다. 이들은 가수분해되어 산화물과 옥시할로겐화물(예로 NbOCl₃)을 생성한다. NbCl₅는 유기-나이오븀 화합물을 만드는 시약으로 사용된다. 산화상태가 +3이나 +4인 나이오븀 화합물들은 Nb-Nb 결합을 갖는 고분자 형태로 있다.

다른 나이오븀의 이성분 화합물들로 잘 알려져 있다. 질화나이오븀(NbN)은 저온에서 초전도체 성질을 보인다. 적외선 검출기에 사용되며, 특히 천문학과 통신 분야에서 중요하게 이용된다. 탄화 나이오븀(NbC 및 Nb₂C)은 아주 단단한 내화물로 내부식성이 우수하다. 초경합금(cemented carbide)의 첨가제로 흔히 사용되며, 절단 도구에도 사용되고 핵 반응로의 내화성 코팅에도 사용될 수 있다. 규화나이오븀(NbSi₂)도 초고온에 견디는 내화물로 사용된다. 이셀렌화나이오븀(NbSe₂)은 1300^oC에서도 분해되지 않는 고온 윤활제로 흔히 사용된다.

수치로 보는 나이오븀
나이오븀의 표준원자량은 92.9064g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁴5s¹([Kr]4d⁴5s¹)이며, 화합물에서는 주로 +5의 산화상태를 갖는다. 지각 무게의 약 20ppm(0.002%)를 차지하는 33번째로 풍부한 원소이다. 2009년 이후 전세계 연간 생산량은 약 63,000톤으로 유지되며, 이의 80% 이상은 페로나이오븀으로 생산되어 주로 강철 합금제로 사용된다. 1기압에서 녹는점은 약 2468^oC, 끓는점은 4758^oC, 그리고 20^oC에서의 밀도는 8.57g/cm³이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 652.1, 1380, 2416kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.6이다. 원자 반경은 146pm이고, 6배위된 Nb⁵⁺의 이온 반경은 64pm인데, 탄탈럼의 원자 및 이온반경과 거의 같다. 천연 상태에서는 안정한 핵 종인 ⁹³Nb로만 있다.
초전도체(superconductor)
전기저항이 0에 가까운 물질이 초전도체이다. 초전도 현상을 보이는 물질도 특정 온도(임계온도, T_c) 이하에서만 초전도 성질을 나타낸다. 초전도체는 큰 전류를 흘려도 열이 발생하지 않아, 이를 전선으로 사용하면 20%에 달하는 송전시의 에너지 손실을 막을 수 있고 전기∙전자 기기를 소형화시키고 에너지 효율적으로 작동하도록 한다. 초전도체는 내부로는 자기장이 들어갈 수 없으며, 또 내부에 있던 자기장도 밖으로 밀어내는 성질(마이스너 효과)이 있다. 이런 특성 때문에 자석 위에 떠오르는 자기부상현상이 나타난다. 초전도체는 외부 자기장의 세기가 어떤 임계치 이상으로 커지면 초전도 상태가 바로 무너지는 제1종 초전도체와 이런 무너짐이 상당히 넓은 자기장 세기 범위에서 일어나는 제2종 초전도체로 구분된다. 제2종 초전도체는 초전도 성질을 잃는 임계 자기장 세기가 비교적 크므로, 초전도자석, 초전도 송전, 고주파용 재료 등의 이용에 보다 적합하다. 원소 상태에서는 바나듐(V), 나이오븀(Nb), 테크네튬(Tc)만이 제2형 초전도체이며, 세라믹 초전도체들은 보통 제2종 초전도체 성질을 보인다.
초전도자석(superconducting magnet)
초전도체를 코일 전선으로 사용하는 전자석이다. 코일에 아주 강한 세기의 전류를 흘릴 수 있으므로 매우 강한 자기장을 얻을 수 있다. 보통은 강한 자기장에서도 초전도 성질을 유지하는 제2종 초전도체를 사용한다. 초전도 전자석은 자기공명영상(MRI) 및 핵자기공명(NMR) 장치, 입자가속기 등에 사용되며, 전력 에너지 저장 수단으로 이용될 수도 있다.

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일 2012.06.06

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