2023년 7월 3일, 상무부, 해관총서는 공식사이트에 공고를 발표하여 2023년 8월 1일부터 갈륨, 게르마늄 관련 물품에 대한 수출통제를 정식으로 실시한다고 밝혔다.갈륨과 게르마늄은 어떤 금속입니까?그들은"어떤 덕이 어떻게 국가로부터 이렇게 중시를 받을 수 있는가?"오늘은 먼저 금속갈륨이라는 원소에 대해 이야기해 봅시다.

01 갈륨의 발견

갈륨 금속은 화학 역사상 처음으로 이론적으로 예언되었다가 자연계에서 발견된 화학 원소이다.이야기는 이렇다. 프랑스 화학자 드 부바 보들란 (de Boisbaudran) 은 스펙트럼 분석법으로 원소를 분석할 때 알루미늄과 인듐 등 붕소족 원소의 스펙트럼 선이 같은 배열 방식을 보이고 여러 차례 나타나 규칙적인 변화를 보이는 것을 발견했다. 나아가 알루미늄과 인듐 두 원소 사이에 반드시 새로운 원소가 존재할 것이라고 추측했다.그는 1865년부터 스펙트럼을 리용하여 끊임없이 이런 미지의 원소를 찾기 시작하였는데 많은 종류의 광물을 분석한후에도 여전히 그 종적을 찾지 못하였는데 마치 화학자와 숨바꼭질놀이를 하는것 같았다.마침내 공을 들여 마음을 두지 않았다. 1868년, 데브와보들란은 프랑스 현지 광구의 아연광석을 수집했다. 그는 아연광석을 과량의 염산에 녹인 다음 일부 아연금속을 첨가했다. 그 결과 아연금속의 표면에 퇴적물이 생겨났다. 그는 이런 퇴적물을 수산화염에 놓고 태워 이런 원소의 두 안정된 자색스펙트럼선을 찾았다.그는 또 7년의 시간을 들여 최종적으로 1875년에 이런 새로운 원소를 확인했으며 같은 해에 그 수산화물을 전해하여 이런 새로운 금속을 얻었다.그는 프랑스의 라틴어 이름인 갈리아 (Gallia) 라는 단어를 사용하여 이 새로운 요소를 Gallium, 원소 기호는 Ga, 중국어 이름은 갈륨이라고 명명했다.
사실 데브와보들란이 갈륨을 발견하기 전에 유명한 러시아 화학자 멘텔레프 (««) 는 1871년에 이 원소를 예측하여 원소 주기표 알루미늄 원소와 인듐 원소 사이의 위치를 차지해야 한다고 생각하였으며, 그것의 원자량은 약 68, 밀도는 약 5.9g/cm³ 이며, 그 이화학적 성질은 알루미늄 원소와"알루미늄 원소와 비슷해야 한다고 추측하였다.언급할 만한 것은 재미있는 일이 발생했다는 것이다.데브와보들렌은 자신이 제조한 갈륨 금속의 비중과 기타 일부 물리적 성질을 측정하여 파리 과학원 회보에 발표한 후 갈륨의 비중이 4.7g/cm³가 아니라 5.9~6g/cm³가 옳지 않다는 멘델레프의 편지를 받았다.이후 프랑스 과학자들은 갈륨을 다시 청소하고 불순물을 제거한 뒤 갈륨의 비중을 다시 측정한 결과 5.94g/cm³로 나타나 멘젤레프의 추측과 거의 일치했다.이 기묘한 결과는 또 다른 측면에서 멘텔레프 원소주기율의 정확성과 중대한 과학적 의의를 실증했다.

02갈륨의 성질

갈륨원소 (Ga) 는 원소주기표상의 제4주기 IIIA족 금속으로서 원자서수 31, 상대원자질량 69.723이다.갈륨 금속 용해점은 29.78 ℃, 비등점은 2403 ℃ (고학민 등, 1990) 로 자연계가 액체 상태의 조건에서 온도 범위가 가장 넓은 금속 원소이다.고체갈륨의 외관은 청회색이고 액체갈륨은 은백색을 띤다.갈륨은 저온에서는 단단하고 바삭바삭하지만 실온을 넘기면 녹는다.갈륨의 응고점은 매우 낮으며 액체에서 고체로 전환될 때 팽창률은 3.1% 로서 이 성질은 물결빙체적팽창과 류사하다.플라스틱 용기에 보관하기에 적합하다.갈륨은 다른 금속에 대해 매우 강한"부식성"을 가지고 있어"금속의 종결자"라고 놀린다.이곳의 부식은 우리가 이해하는 화학반응이 아니라 물리적 작용이다. 갈륨은 비스무트 (Bi), 납 (Pb), 주석 (Sn), 카드뮴 (Cd), 인듐 (In) 등 많은 금속원소와 금속화합물이나 고용체를 형성할 수 있다. 예를 들면 각종 합금이다.갈륨의 화합가는 +1가, +2가, +3가이며, 그 중 +3가는 갈륨의 가장 안정적인 산화 상태이다.갈륨과 동족의 알루미늄 및 부근의 아연 금속의 화학 성질은 모두 유사하며, 그것들은 모두 양성 금속에 속하며, 산에도 용해될 수 있고 알칼리에도 용해될 수 있다.갈륨은 알루미늄과 마찬가지로 건조한 공기 중 표면이 산화해 얇은 산화물 박막을 형성해 내부가 계속 산화하는 것을 막는 둔화현상이라고 하기 때문에 상온과 건조한 환경에서 비교적 안정적이다.그러나 습한 공기 중에 갈륨 금속은 공기 중의 산소와 지속적으로 산화 반응을 일으켜 광택도를 잃는다.붉고 더운 건조한 공기에서는 표면이 Ga2O로 산화돼 회청색을 띠고 1000℃에서는 모두 산화된다.갈륨은 100℃ 이하의 물과 작용하지 않지만 200℃의 가압 수증기에서는 산화된다.갈륨은 차가운 질산에서도 마찬가지로 둔화 현상 (표면에 Ga2O3 보호막이 생성됨) 이 발생한다.갈륨은 차가운 황산과 염산에 천천히 용해되고 뜨거운 질산, 고염소산 및 짙은 불소산과 염산과 질산의 혼합산에 비교적 빨리 용해된다.갈륨도 짙은 강알칼리 용액에 쉽게 용해되어 갈륨산염을 형성한다.갈륨은 가열할 때 할로겐, 황 등 비금속원소와 빠르게 반응하여 상응하는 할로겐이나 황화물을 생성할 수 있다.
03 갈륨의 자원 분포
지각에서 갈륨의 풍도는 0.0015% 로 다른 많은 희귀 금속 원소를 능가한다.그러나 자연계에서 갈륨의 분포는 매우 분산되어 있으며, 대부분 반생광의 형식으로 보존되어 있으며, 주로 알루미늄 토광, 섬아연광 등 광산에 존재하며, 소량은 탄광, 주석광, 텅스텐 광산에 보존되어 있다.

미국 지질조사국이 2015년 발표한 자료에 따르면 전 세계 알루미늄 토광에서 갈륨의 매장량은 100만 톤을 넘는다.불완전한 통계에 따르면, 전 세계 갈륨의 50% 이상이 알루미늄 토광에서 나오며, 주로 분포하는 지역은 아프리카, 오세아니아, 남아메리카, 아시아 및 기타 지역으로 각각 32%, 23%, 21%, 18%, 6% 를 차지한다.또 갈륨의 40% 를 넘지 않는 갈륨은 연아연광과 탄광 (장리만 등, 2022) 에서 나온다.중국지질과학원 광물자원연구소의 2020년 보고서에 따르면 현재 갈륨의 세계 총 매장량은 약 23만 톤으로 중국의 갈륨 금속 매장량은 세계 1위이며 세계 총 매장량의 약 80~85% 를 차지한다.자연자원부의"2022년 전국 광물자원 매장량 통계표"에 따르면, 그 중 전국 갈륨 자원 매장량은 28865.64톤이며, 매장량이 비교적 많은 성은 광시 (11974.8톤), 장시 (6808.71톤), 구이저우 (5074.07톤), 산시 (3050.07톤), 신장 (1045.55톤) 윈난 (427.65톤), 네이멍구 (230.88톤), 허난 (133.82톤) 이다.갈륨은 전형적인 희귀 분산 금속으로, 그 부존 매체에 따라 유형을 구분하는데, 주로 탄광, 퇴적형 알루미늄 토광, 납 아연 금속광, 마그마형 바나듐 티타늄 자철광 및 소량의 반암형 구리 몰리브덴 광산에 부존한다.성별로 보면 갈륨금속이 알루미늄 토광에 존재하는 성으로는 광시, 허난, 산시 등 성구가 있다.탄광이나 주석 광산에 존재하는 곳은 네이멍구, 산시, 윈난 등 성구이다;마그마형 바나듐 티타늄 자철광이 존재하는 곳은 쓰촨 등 성 지역이다;섬아연광에 존재하는 곳은 후난 등 성 지역이 있다.
뿐만 아니라 중국은 전 세계 금속갈륨의 최대 생산국이며, 기타 주요 생산국으로는 일본, 한국, 러시아, 우크라이나 등이 있으며, 주로 미국, 유럽연합, 일본, 한국 등 선진 경제국에 공급된다.미국 지질조사국의 2022년 데이터에 따르면 우리나라의 조갈륨 생산량은 약 540톤으로 그해 전 세계 조갈륨 생산량의 98% 이상을 차지한다.
04 갈륨의 응용과 의미
금속갈륨의 응용분야는 반도체재료와 광학전자재료, 태양에네르기전지, 합금재료, 의료기기, 자성재료 등을 포함하여 매우 광범위하다.이 중 가장 많이 활용된 분야는 신흥 반도체 업종으로 전체 갈륨 소비량의 80% 이상을 차지했고 태양전지, 의학소재, LED 및 광학장비 등이 뒤를 이었다.미국 지질조사국의 2021년 데이터에 따르면, 갈륨의 최종 용도는 광전 설비 (레이저 다이오드와 발광 다이오드 포함), 집적 회로 (광전 탐지기와 태양 전지 포함), 연구 및 개발 등 세 종류로 나눌 수 있는데, 그 중 집적 회로와 광전 설비의 비중은 98% 이상이다.
반도체 재료

갈륨은 낮은 용해점과 높은 비등점의 희산금속으로서"전자공업의 등뼈"로 불리운다.갈륨과 비소, 질소로 구성된 화합물인 가아스(GaAs), 질화갈륨(GaN)은 모두 양질의 반도체 재료로 광전자공업과 마이크로파통신공업에서 마이크로파통신과 집적설비부품, 적외선광학과 탐측부품, 집적회로설비부품, 발광다이오드 등 광범위한 용도로 사용된다.그 중 갈륨비소는 2세대 반도체 재료로서 고주파, 고속, 고온 및 방사선 방지 등 환경 조건에서의 마이크로 전자 부품의 제조에서 매우 중요하며, 주로 무선 통신 (위성 통신, 이동 통신) 시설 설비, 광섬유 통신 시설 설비, 자동차 전자 설비 중의 마이크로 전자 부품을 제작하는 데 사용된다;군사 방면에서는 주로 레이더, 전자전쟁, 통신 등 방면에 쓰인다.질화갈륨은 전형적인 3세대 반도체 재료이자 현재 세계에서 가장 선진적인 반도체 재료로 신흥 반도체 광전 산업 사슬의 핵심 재료이자 기초 부품으로 핸드폰 고속 충전, 5G 네트워크 통신, 전원 배터리 설비, 신에너지 자동차, LED 광원 및 레이더 등 방면에서 모두 광범위하게 응용되고 있다.현재 반도체 업종은 전체 갈륨 전체 사용량의 약 80∼85%를 차지하는 금속갈륨 사용량이 가장 큰 업종이다.
태양전지



갈륨비소 태양전지는 높은 내열, 내복사, 광전 전환율 등 다양한 우수한 특성을 가진 전지로 우주 및 방산 분야에 자주 응용된다.과학기술수단이 제고됨에 따라 갈륨비소 태양전지의 생산과 사용원가가 대폭 낮아지고 응용범위와 속도가 끊임없이 제고되고있다.구리 갈륨 셀레늄은 줄여서 CIGS(Cu10%, In28%, Ga10%, Se52% 포함)로 박막 태양전지를 만드는 데 사용할 수 있다. 이것은 3세대 태양전지의 대표로서 생산, 설치, 사용 원가가 낮지만 광전 전환율이 높은 등 두드러진 장점을 가지고 있어 많은 태양전지 제품 중에서 각광을 받고 있다 (조정 등, 2017).현재 전 세계적으로 생산에 들어갔거나 건설 중인 구리 인듐 갈륨 셀레늄 태양 태양광 박막 공장은 이미 40개를 넘어섰으며, 이 박막 전지를 생산하는 갈륨 사용량은 전 세계 갈륨 소비의 약 5% 를 차지한다.그러나 CIGS의 생산 규모와 안정성 및 공급망이 완비되고 확대됨에 따라 태양전지 산업의 금속 갈륨에 대한 수요는 뚜렷하게 증가할 것이다.



합금 분야



갈륨과 인듐, 탈륨, 주석, 비스무트, 아연 등 여러 종류의 금속 원소는 일련의 저융점 합금을 구성할 수 있는데, 이러한 합금은 온도 측정 제어 설비, 계기 중의 수은 대체물, 금속 특수 코팅, 전자 공업 및 핵 공업 중의 냉각 회로 재료 등을 생산하는 데 사용할 수 있다.예를 들어, 인듐의 25% 를 함유한 갈륨 인듐 합금은 16 ℃ 에서 액체 상태로 녹아 자동 소화 장치의 감지 장비를 만드는 데 사용할 수 있습니다.갈륨과 구리, 니켈, 주석, 금 등은 냉용접제를 구성할 수 있어 일반 재료로 용접하기 어려운 이형 박벽 재료, 금속 사이 및 금속과 도자기의 냉용접 환경에 적합하다.갈륨 기반 액상 금속은 열 방출 분야에 사용될 수 있다.많은 능동적이고 수동적인 방열 수요 중에서 액체를 작업 유체로 하는 방열기는 방열 성능이 우수하여 광범위한 연구를 받았는데, 그 중 갈륨 기반 액상 금속은 우수한 작업 유체 후보가 될 수 있다.갈륨기 액상 금속은 일부 열악한 환경의 윤활제에 응용할 수 있다.고온, 고하중, 전기장이 존재하는 상황에서 일반적인 윤활제는 물체간의 직접적인 접촉을 완전히 피면할수 없어 물체표면에 마모가 생기게 되는데 갈륨기액상금속은 이런 환경에 적응하고 부품을 보호할수 있다.갈륨기 액상 금속은 높은 전도성과 유동성을 가지고 있어 단독으로 전도성 폴리머 복합재료의 전도성 충전재로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 전도성 폴리머 복합재료의 유연성, 내부식, 내화 등 성능을 개선할 수 있는 전도성 충전재로 사용할 수 있다 (윤부강 등, 2022).



의학 응용


갈륨금속과 그 화합물은 항균억제균, 생물의료영상, 의료용충전재, 의료진단, 질병치료 등 생물의학분야에서도 널리 응용되고있다.례를 들면 갈륨은 신형의 현상제에 작용하여 의사와 환자에게 새로운 유효병증정보를 제공할수 있는데 현재 비교적 많이 연구되고있는 재료는 방사성핵소 67과 68Ga이다.갈륨은 빛에 강한 반사 작용을 한다. 액체 상태의 시집은 일정한 파장 범위의 빛에 높은 반사율을 가지고 있다. 동시에 액체 상태의 농작물은 유리의 표면에 잘 달라붙을 수 있다. 이 두 가지 성질은 갈륨이 특수 광학 갈륨 거울을 만들 수 있게 한다.갈륨의 합금은 의료기구와 의료용 재료에 응용할 수 있다. 예를 들어 갈륨합금의 이화학적 성질과 무독성, 무자극성을 이용하여 치아 충전재로 사용할 수 있으며 좋은 치체 복원재로 사용할 수 있다.인듐갈륨합금 체온계는 의료진단에 사용할 수 있다. 예를 들어 구연산갈륨 (67Ga) 을 종양 양성현상에 사용하면 폐, 간, 비장 및 림프계 종양 진단에 사용할 수 있다.질산갈륨은 철분과 결합해 철분 함유 단백질의 형성을 막고 철 의존성 종양세포의 성장을 파괴해 세포의 철 섭취를 억제하고 세포 내 철의 안정적 상태를 파괴하는 목적을 달성할 수 있으며 나아가 종양을 죽일 수 있다 (이철 등, 2022).위장 췌장 신경 내분비 종양을 치료하기 위한 이소플라보노이드 주사액 (68 Ga) 이라는 약물도 있다. 현재 3상 임상시험에 들어갔으며 앞으로 더 많은 갈륨류 약물이 인류 최대의 병인 암을 치료하는 길에서 역할을 할 것으로 믿는다.

05 갈륨의 미래 발전
갈륨이 각종 신흥산업에 응용됨에 따라 그 응용폭도 부단히 제고되는 상황에서 그 전략적지위는 더욱 중요해질것이다.갈륨은 유럽연합, 미국, 일본 등 선진국이나 지역에서 이미 전략적 또는 핵심 광산 목록에 올랐고, 우리나라에서도 국가 전략 금속 목록에 올랐다.

우리 나라는 갈륨광자원이 풍부하여 세계에서 절대적인 우세지위를 차지하고있다.우리나라의 갈륨 광산은 세계 갈륨 광산의 85% 정도를 차지한다.우리나라는 갈륨 광산 생산의 주요 국가로, 생산되는 갈륨은 세계 갈륨 생산량의 90% 정도를 차지한다.우리 나라는 자원과 생산공급의 절대적인 우세를 갖고있어 글로벌갈륨시장에서 주도권을 갖고있다.

우리 나라의 갈륨광자원은 대부분 반생광종인데 그중 대부분은 알루미니움토광에서 산화알루미니움의 부산물을 생산하기에 주요광종의 채굴의 영향을 받게 된다.알루미늄 토광, 탄광의 생산량은 갈륨광에 직접적인 영향을 미치므로 이를 위해 한편으로는 갈륨광자원의 탐사, 보호와 비축을 강화하여 갈륨금속의 생산능력을 보호해야 한다;다른 한편으로는 탄광 채굴, 산화알루미늄 생산 과정 중 저품위 갈륨 추출 회수 기술의 연구와 응용을 강화하는 동시에 갈륨 자원의 2차 회수 이용 수준을 높여야 한다.

우리 나라는 비록 전 세계 금속갈륨의 최대 생산국이지만, 생산, 수출하는 것은 대부분 갈륨의 초급 제품, 즉 굵은 갈륨이다.선진국은 우리 나라에서 굵은 갈륨을 수입하여 정밀 갈륨으로 깊이 가공하여 다시 우리 나라에 수출한다.이는 우리나라를 조갈륨을 저가로 수출하고 정갈륨을 고가로 수입하는 난감한 상황에 빠지게 했다.갈륨 심가공 산업을 발전시키고 해외 선진국에 대한 의존을 줄여야 한다.기술연구개발강도를 높이고 갈륨자원을 집약적으로 리용하며 갈륨산업사슬을 업그레이드하고 고급갈륨산업의 자체생산, 공급, 제조, 판매의 전반 과정을 보완한다.

갈륨자원산업사슬은 현재 이미 당대 과학기술반도체의 주요방향으로 되였으며 갈륨산업사슬의 건전한 발전을 추진하고 고순도 갈륨과 갈륨화합물 생산기술연구를 강화하여 중국이 생산한"반도체공업신량곡"이 중국자체의 신흥과학기술산업을 먹여 중국과학기술산업의 비약을 조력하도록 하였다.

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