원자번호 60번, 네오디뮴(neodymium)

[freedom]

희토류 금속 원소들을 가끔 ‘첨단산업의 비타민’이라 부른다. 비타민은 비교적 소량으로 동물들의 정상적인 발육과 생리작용에 필수적인 역할을 하는 화합물로, 체내에서는 생성되지 않는 유기화합물들을 말한다. 현대 첨단산업을 지탱하고 발전시키기 위해서는 희토류 금속 원소들이 꼭 필요하다는 점에서 이들 원소들이 비타민에 비유된다고 하겠다. 이 때문에 희토류 금속 원소들은 전략물자로 분리되고 관리된다. 첨단산업의 비타민으로 사용하기 위해서는 성질이 탁월하면서 생산량도 어느 정도는 되어야 하며, 가격도 지나치게 비싸지는 않아야 하는데, 17가지의 희토류 금속 원소 중에서 이러한 조건을 갖춘 ‘첨단산업의 비타민’에 가장 걸 맞는 원소는 아마도 원자번호 60번의 네오디뮴(Nd)일 것이다. 네오디뮴의 발견과 성질, 그리고 이용에 대해 보다 자세히 알아보자.

원자번호 60번, 네오디뮴

네오디뮴(neodymium)¹⁾은 원자번호 60번의 원소로, 원소기호는 Nd이다. 주기율표에서 란타넘족에 속하는 희토류 원소의 하나이다. 란타넘족 원소(lanthanide 또는 lanthanoid)는 원자번호 57번인 란타넘(La)에서 71번인 루테튬(Lu)까지의 15가지 원소들을 말하는데, 이들은 가장 바깥 전자껍질에는 2개의 6s 전자를 갖고 있고, 원자번호가 클수록 4f전자가 더 많이 채워진다. 따라서 네 번째 란타넘족 원소인 네오디뮴은 4개의 4f전자를 갖고 있다. 네오디뮴은 은백색의 무른 금속으로, 화학반응성이 아주 크며 화합물에서는 주로 +3의 산화상태를 갖는다.

원소번호 60번 네오디뮴

네오디뮴의 원소정보

녹는점은 1024^oC이고, 끓는점은 3074^oC이며, 25^oC에서 밀도는 7.01g/cm³이다. 공기 중에서 표면이 산화되어 노란색 산화물 피막이 형성되는데, 산화물 피막이 떨어져 나오면서 금속 전체가 서서히 산화된다. 150^oC이상에서는 쉽게 타서 산화네오디뮴(III)(Nd₂O₃)이 된다. 찬 물과는 느리게, 그리고 더운 물과는 빠르게 반응하여 수산화네오디뮴(III)(Nd(OH)₃)이 되고 수소 기체를 발생시킨다. 산에 잘 녹으며, 수소, 할로겐 원소, 다른 비금속들과도 잘 반응한다. Nd³⁺ 이온은 수용액에서 [Nd(H₂O)₉]³⁺로 존재하며, 연보라색을 띤다.

네오디뮴은 란타넘족 원소 중에서 세륨(Ce) 다음으로 많은 양이 존재한다. 지각에서의 존재비는 약 38ppm (0.0038%)으로, 대략 27번째로 풍부한 원소이다. 존재비로 보면 구리(Cu, 70ppm)나 아연(Zn, 76ppm)보다는 적으나, 코발트(Co, 29ppm), 납(Pb, 13ppm), 주석(Sn, 2ppm)보다는 많다. 100가지 이상의 광물에 다른 란타넘족 원소들과 함께 들어 있는데, 상업적으로 가장 중요한 광석은 모나자이트(monazite)와 희토류광(bastnäsite)이다. 네오디뮴은 이들 광석에 들어있는 전체 란타넘족 금속의 약 10~18%를 차지한다. 종래에는 이들 광석에서 개별 성분 금속을 분리하지 않고 미시메탈(mischmetal) 형태로 회수하여 주로 사용하였으나, 근래에는 수요가 많아 이온교환 또는 용매 추출 방법으로 분리하여 사용한다. 2004년의 전세계 생산량은 산화네오디뮴(III)(Nd₂O₃)으로 환산해서 약 7000톤이었다.

네오디뮴의 가장 중요한 용도는 자석이다. 네오디뮴 자석은 현재 알려진 것 중에서 가장 강한 영구자석으로, 네오디뮴을 철, 붕소와 합금시켜 만드는데, 화학적 조성은 Nd₂Fe₁₄B이며, 성분 원소들의 첫 글자를 따서 NIB 자석이라 부르기도 한다. 이 자석은 비교적 값싸게 얻어지고 가벼우며 강한 자기장을 낸다. 마이크와 스피커, 이어폰, 컴퓨터 하드 디스크 등에 사용되며, 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 모터, 항공기와 풍력 발전기 등 가볍고 부피가 작으면서 강한 자기장이 필요한 거의 모든 기기와 장치에 사용된다. 네오디뮴의 또 다른 중요한 용도는 고체 적외선 레이저를 만드는 것으로, 가장 많이 사용되는 것이 네오디뮴 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 레이저인데, 이 레이저는 약 1064nm의 적외선을 방출하며 각종 레이저 가공, 의료용 레이저 수술과 처치에 이용되고, 군사적으로는 레이저 표적지시기와 거리측정기에도 흔히 사용된다. 그리고 네오디뮴이 첨가된 유리들이 아주 강한 출력의 레이저에 사용되는데, 이들은 새로운 핵융합 방식인 관성봉입핵융합(慣性封入核融合, inertial confinement fusion) 실험에 사용되고 있다. 한편, 네오디뮴 화합물들은 오래 전부터 유리의 적자색 착색제로 사용되어 왔다. 네오디뮴 유리는 광학 필터, 용접이나 유리를 세공할 때 착용하는 보안경 등으로 사용되며, 전등 갓으로도 사용되는데 빛의 형태에 따라 다른 색을 띤다. 이외에도 네오디뮴 화합물은 올레핀 중합 촉매, 커패시터 재료, 형광 표지제 등으로 요긴하게 사용되며, 브라운관의 색조 대비를 향상시키는 물질로도 사용되었다.

네오디뮴의 발견과 역사

네오디뮴의 발견 과정은 원자번호 59번 프라세오디뮴의 경우와 같으며, 발견 연도와 발견자도 같다. 1803년에 스웨덴의 베르셀리우스((JÖns Jakob Berzelius, 1779~1848)는 세라이트(cerite) 광석에서 새로운 금속 산화물로 여겨지는 ‘세리아(ceria)’를 발견하였고 이의 금속 원소를 세륨(cerium)이라 하였다. 1839년에 베르셀리우스의 학생이었던 모산데르((Carl Gustav Mosander, 1797~1858)는 ‘세리아’에서 기존의 산화물과는 다른 새로운 금속 산화물을 발견하였는데, 베르셀리우스는 이를 ‘란타나(lantana 또는 lanthana)’로, 그리고 이의 금속 원소를 란타넘(lanthanum)으로 명명하였다. 그 후 1841년에 모산데르는 ‘란타나’가 단일 산화물이 아니고, 염기성이 큰 진짜 란타나와 염기성이 보다 적고 용액이 핑크색인 또 다른 산화물의 혼합물임을 밝혀냈다. 산에 녹인 용액이 핑크색인 이 산화물을 디디미아(didymia)로, 그리고 이를 이루는 금속 원소를 디디뮴(didymium)이라 부르고 원소 기호를 Di로 하였는데, ‘디디뮴’이란 이름은 란타넘과 성질이 아주 비슷한 원소라는 의미에서 그리스어로 쌍둥이를 뜻하는 ‘didymos’에서 따온 것이다. 이 후 약 40여년이 지난 1885년에 오스트리아의 벨스바흐(Carl Auer von Welsbach, 1858~1929)는 디디미아에서 새로운 두 원소를 분리·발견하였는데, 그 중 하나는 염의 용액이 녹색인 것에서 ‘녹색 쌍둥이’이란 뜻의 그리스어 ‘prasisos didymos’에서 따와 프라세오디뮴(praseodymium)이라 명명하였고, 다른 하나는 ‘새로운 디디뮴’이란 뜻의 그리스어 ‘neos didymos’에서 따와 네오디뮴(neodymium)으로 명명하였다. 네오디뮴 염과 용액의 색은 적자색이다. 오늘날 용어로는 세리아와 란타나는 각각 순수한 산화세륨(IV)(CeO₂)와 산화란타넘(La₂O₃)를 뜻하며, 디디뮴은 프라세오디뮴과 네오디뮴의 혼합물을 뜻한다.

모산데르(Carl Gustav Mosander, 1797~1858)

벨스바흐(Carl Auer von Welsbach, 1858~1929)

벨스바흐가 얻은 네오디뮴은 순수한 상태는 아니었으며, 순수한 네오디뮴은 1925년에 처음으로 얻어졌다. 네오디뮴을 다른 희토류 금속에서 분리시키는 방법은 1950년대까지는 주로 질산암모늄 복염의 용해도 차이를 이용한 분별 결정법이 사용되었으나, 이후 이온 교환방법이 개발되어 보다 값싸고 간편하게 높은 순도의 네오디뮴을 얻을 수 있게 되었다. 네오디뮴은 1927년에 유리의 적자색 착색제로 상업적으로 처음 사용되기 시작하였다. 1964년에는 미국의 벨 연구소(Bell laboratories)에서 처음으로 Nd:YAG 레이저가 개발되어 사용되기 시작하였고, 네오디뮴 자석은 1982년에 미국의 GM사와 일본의 스미토모(Sumitomo) 특수 금속에서 개발되었다.

네오디뮴 금속 사진 <출처: (cc) http://images-of-elements.com/>

물리적 성질

네오디뮴은 순수한 상태에서는 은백색을 띠며, 무르고 전성이 있는 금속이다. 공기 중에서는 표면이 쉽게 산화되어 푸른색이 도는 회색을 띤다. 녹는점은 1024^oC이고, 끓는점은 3074^oC이며, 25^oC에서의 밀도는 7.01g/cm³이고, 녹는점에서의 밀도는 6.89g/cm³이다. α-형과 β-형의 두 가지 동소체가 존재하는데, α-형은 육방조밀격자(hcp) 구조를 하며, 약 863^oC에서 체심입방(bcc) 구조를 하는 β-형으로 전이된다. 20K이상의 온도에서는 상자기성(paramagnetic)을 보이나, 이보다 낮은 온도에서는 반강자성(antiferromagnetic: 원자의 전자 스핀이 인접한 스핀과 크기는 같으나 반대 방향으로 배열하여 순 자성이 0인 상태)을 보인다. 전기 비저항은 25^oC에서 약 640 nΩ·m이다.

동위원소
네오디뮴은 천연상태에서 ¹⁴²Nd(27.2%), ¹⁴³Nd(12.2%), ¹⁴⁴Nd(23.8%), ¹⁴⁵Nd(8.3%), ¹⁴⁶Nd(17.2%), ¹⁴⁸Nd(5.7%), ¹⁵⁰Nd(5.6%)의 7가지 동위원소로 존재한다. 이중 ¹⁴⁴Nd는 반감기가 2.29x10¹⁵년인 방사성 동위원소로 α-붕괴를 하고 ¹⁴⁰Ce이 되며, ¹⁵⁰Nd는 반감기가 6.7x10¹⁸년인 방사성 동위원소로 두 번의 β^- 붕괴를 하고 사마륨-150(¹⁵⁰Sm)이 된다. 질량수가 124~161사이에 있는 31가지 인공 방사성 동위원소들이 확인되었는데, 반감기가 긴 것들은 ¹⁴⁷Nd (반감기 10.98 일)과 ¹⁴⁰Nd (반감기 3.37 일)이다. 질량수가 142보다 작은 동위원소들은 주로 전자포획 또는 β⁺ 붕괴를 하고 프라세오디뮴(Pr) 동위원소가 되며, 질량수가 142보다 큰 것들은 주로 β^- 붕괴를 하고 프로메튬(Pm) 동위원소가 된다. 13가지 준안정한 핵 이성체들이 확인되었는데, 반감기가 긴 것들은 ^139mNd(반감기 5.5시간)과 ^135mNd(반감기 5.5 분)이다.

화학적 성질

네오디뮴은 다른 란타넘족 금속 원소와 마찬가지로, 화학 반응성이 아주 크다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 [Xe]4f46s2이며, 화합물에서 가장 흔한 산화 상태는 +3이다. 고체 상태에서는 +2와 +4의 산화상태를 갖는 화합물들도 알려져 있으나, 수용액에서는 +3 상태만 안정하다. 공기 중에서 천천히 표면이 산화되어 노란색의 Nd2O3 산화물 피막을 만드는데, 이 산화물 피막이 시간이 지나면서 떨어져 나가 새로운 금속 표면이 노출되어 산화가 계속 진행되기 때문에 1cm 정도 크기의 금속은 1년 내에 완전히 산화된다. 150oC이상에서는 쉽게 타서 산화네오디뮴(III) (Nd2O3)가 된다. 따라서 금속 네오디뮴은 보통 석유에 담그거나 플라스틱으로 싸서 보관한다. 네오디뮴은 찬 물과는 느리게, 그리고 더운 물과는 빠르게 반응하여 수산화네오디뮴 (Nd(OH)3)이 되고 수소 기체를 발생시킨다. 산에 잘 녹으며, 할로겐 원소들과도 잘 반응하여 삼할로겐화물(NdX3)을 만든다. 가열하면, 수소, 질소 등의 비금속 원소들과도 잘 반응한다. 4 Nd + 3 O2 → 2 Nd2O3 2 Nd + 6 H2O → 2 Nd(OH)3 + 3 H2 2 Nd + 3 X2 → 2 NdX3 (X = F, Cl, Br, I)

네오디뮴의 바닥 상태 전자 배치 <출처 : (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>

Nd³⁺ 이온은 수용액에서 [Nd(H₂O)₉]³⁺로 존재하며, 연보라색을 띤다. 네오디뮴 이온들의 표준 환원 전위(E^o)는 다음과 같다.

Nd⁴⁺ + e^-  Nd³⁺     E^o = 4.9 V
Nd³⁺ + e^-  Nd²⁺     E^o = -2.6 V
Nd³⁺ + 3 e^-  Nd    E^o = -2.32 V

여기서 Nd⁴⁺/Nd³⁺의 표준 전위는 Nd⁴⁺가 수용액에서 안정하지 않으므로 추정된 값이다.

네오디뮴의 생산

네오디뮴은 다른 희토류 원소들과 마찬가지로, 주로 모나자이트(monazite)와 희토류광(bastnäsite)에서 추출된다. 이들 광석은 주로 세륨, 란타넘, 네오디뮴, 프라세오디뮴을 포함하고 있는데, 네오디뮴의 함량은 보통 10~18%이다. 모나자이트에는 이들 외에 보통 5-10%의 토륨 산화물(ThO₂)과 약 3%의 이트륨 산화물(Y₂O₃)이 들어있으나, 희토류광에는 이들 산화물이나 다른 중란타넘족 원소(원자번호 63번 유로퓸(Eu) 이후의 란타넘족 원소)가 거의 들어있지 않다. 토륨은 약한 방사성 원소이나, 이의 방사성 붕괴 산물인 라듐(Ra)으로 오염되어 있어 모나자이트에서 희토류를 얻을 때는 이들을 제거하는 것이 필요하다. 따라서 희토류 광석에서 희토류 원소들을 분리하고 추출하는 방법은 광석에 따라 달라진다.

희토류광(bastnäsite)의 사진<출처: (cc) Ra'ike>

희토류 금속의 분리·생산은 대부분 희토류 혼합 산화물 또는 혼합 염화물 형태의 생성물을 얻는 과정을 거친다. 모나자이트 광석의 경우에는 토륨을 pH 3~4에서 ThO₂로 침전시켜 제거하고, 라듐을 황산염으로 BaSO₄와 함께 침전시켜 없애는 과정이 먼저 필요하다. 혼합산화물을 염산으로 처리하면 산화세륨(CeO₂)을 제외한 다른 산화물은 녹아 혼합 염화물이 된다. 금속 상태를 원하는 경우에는 용융 혼합 염화물 또는 플루오르화물을 전기분해시키거나, 칼슘(Ca)과 함께 가열·환원시켜 희토류 금속 합금 형태인 미시메탈을 얻는다. 과거에는 네오디뮴이 주로 유리 착색제로 소량 사용되었으며, 대부분은 미시메탈 형태로 다른 희토류 금속과의 합금으로 생산되었다. 그러나 최근에는 순수한 네오디뮴의 수요가 많아져, 이온교환 방법이나 용매 추출법을 이용하여 네오디뮴 화합물을 분리한 후 금속 네오디뮴 또는 산화네오디뮴 형태로 생산한다.

금속 네오디뮴은 무수 할로겐화네오디뮴을 칼슘(Ca)으로 환원시켜 얻는데, 할로겐화물로는 흡습성이 적고 안정한 CaF₂가 부산물로 생성되는 플루오르화네오디뮴(NdF₃)이 선호된다. 산화네오디뮴은 네오디뮴 염 용액에 염기를 가하여 Nd(OH)₃를 침전으로 얻고 이를 가열 탈수시키면 얻을 수 있다.

네오디뮴의 연간 전세계 생산량은 산화네오디뮴(III)(Nd₂O₃)으로 환산해서 약 7000톤으로 추정되는데, 거의 전량이 중국에서 생산된다. 2012년 10월 현재의 금속 네오디뮴(순도 99% 이상) 가격은 미화로 약 125$/kg인데, 5월에는 약 160$이었다. 그리고 산화네오디뮴 Nd₂O₃(순도 99% 이상)의 가격은 미화 약 95,000$/톤 인데, 5월에는 약 115,000$/톤이었다. 이러한 가격은 같은 무게의 란타넘이나 세륨에 비해 4~6배 더 높다.

네오디뮴 자석

네오디뮴의 용도

네오디뮴은 주로 영구자석, 고체상태 적외선 레이저, 적자색 유리, 촉매, 커패시터 재료 등으로 사용된다.

영구자석
네오디뮴의 가장 중요한 용도는 자석을 만드는 것이다. 네오디뮴-철-붕소(neodymium-iron-boron, NIB) 자석은 현재까지 개발된 영구자석 중에서 가장 강한 것으로, 전형적인 화학적 조성은 Nd₂Fe₁₄B이다. 네오디뮴 자석은 먼저 발명된 또 다른 희토류 자석인 사마륨-코발트(SmCo₅) 자석보다 자기장의 세기는 강하면서 가격은 저렴하다. 또 그 동안 많이 사용해온 알니코(Alnico) 자석이나 페라이트 자석에 비해서도 훨씬 강한 자기장을 내며, 자기 에너지 밀도는 5~20배나 된다. 이처럼 작은 부피와 무게로 강한 자기장을 내는 네오디뮴 자석은 강한 자기장이 요구되는 많은 제품에서 알니코, 페라이트, 사마륨-코발트 자석을 대체하여 사용되는데, 고급 마이크, 확성기, 이어폰, 컴퓨터 하드 디스크 드라이브, 각종 무선 공구, 서보 모터, 전기 파워 핸들, 하이브리드 자동차, 전기 자동차와 자전거의 전기 모터, 풍력 터빈의 발전기 등 아주 다양한 제품에 사용된다. 예로, 토요타(Toyota) 프리우스(prius) 하이브리드 자동차의 전기 드라이브 모터에는 1대 당 약 1kg의 네오디뮴이 사용된다. 네오디뮴 자석은 또한 개방형(open) MRI(자기공명영상) 스캐너에도 사용되는데, 일반 MRI 스캐너가 초전도 전자석을 사용하는 폐쇄형인데 반해 개방형 MRI는 영구자석을 사용하며 폐쇄 공포증이 있는 사람들이 선호한다.

이러한 네오디뮴 자석은 장점만 있는 것이 아니고 몇 가지 단점이 있는데, 자석 성질을 잃게 되는 온도가 310~400^oC로 다른 자석 재료의 700~800^oC에 비해 낮다는 것과 쉽게 부식된다는 것이 주요 단점이다. 부식의 문제는 표면을 니켈 또는 구리-니켈 도금하여 어느 정도 해결하고 있다.

네오디뮴 자석은 컴퓨터 하드 디스크 드라이브 등에도 활용된다.

네오디뮴 자석은 스피커, 헤드폰, 이어폰 등 음향기기에도 들어간다. <출처: (cc) Ulfbastel>

레이저
Nd³⁺ 이온이 들어있는 여러 투명한 유리성 물질은 파장이 1054~1064nm인 강한 적외선을 방출하는 고체 레이저에 이득 물질(gain medium: 레이저를 만들기 위해 사용하는 에너지 축적 물질)로 사용될 수 있다. 이런 물질의 예로는 Nd³⁺가 첨가된 이트륨 알루미늄 가넷(ytterium aluminum garnet, Nd:YAG), 플루오르화 이트륨 리튬(ytterium lithium fluoride, Nd:YLF), 가돌리늄 갈륨 가넷(gadolinium gallium garnet, Nd:GGG), 이트륨 오쏘바나듐산(ytterium orthovanadate, Nd:YVO₄), 유리(Nd:glass) 등이 있다. 이들 중에서 가장 흔히 사용되는 것이 1964년에 처음 개발된 Nd:YAG 레이저인데, 이 레이저 이득 물질은 YAG에 약 1%의 네오디뮴을 첨가시켜 만든다.

Nd:YAG 레이저는 보통 1064nm의 강한 적외선을 방출하는데, 비선형(non-linear) 광학 물질²⁾을 통과시키면 주파수가 2배, 3배, 4배인 532nm, 355nm, 266nm인 빛을 얻을 수 있다. 이 레이저는 병원에서 널리 이용되는데, 레이저–유발 열 요법, 후발백내장 수술과 홍채절개술 등의 안과 레이저 수술, 전립선 수술, 피부암 제거, 양성갑상선종 억제, 성형 의학, 치과에서 행하는 구강 내의 연조직 수술 등에 사용된다. 산업적으로는 금속이나 플라스틱의 절단, 용접, 가공에 널리 사용되며, 군사적으로는 레이저 표적지시기와 거리측정기에 사용된다. 이외에도 여러 기초과학 연구에 사용된다.

네오디뮴 유리(Nd:glass) 레이저에서 방출되는 강력한 레이저광의 주파수를 3배로 해서 얻은 351nm 파장의 자외선은 관성봉입핵융합 실험에 사용되는데, 이는 인류의 미래 에너지원으로 많은 관심을 받고 있는 새로운 방식의 핵 융합 실험이다. 영국의 핵무기연구소(Atomic Weapons Establishment)의 HELEN(high Energy Laser Embodying Neodymium)에 있는 1조 와트(1-terawatt) Nd-유리 레이저는 핵탄두 내의 압력, 온도, 밀도 사이의 관계를 조사하는데 사용되었으며, 이를 사용하면 약 백만(10⁶)도의 플라스마를 만들 수 있다고 한다.

Nd:YAG 레이저. 네오디뮴 이온은 여러 투명 물질에 첨가되어 강한 적외선 레이저 빛을 내는 물질로 사용된다. 사진의 녹색 빛은 Nd:YAG 레이저 빛의 주파수를 2배로 한 것이다. <출처: (cc) Kkmurray at Wikimedia.org>

레이저 핵융합. 네오디뮴 유리 고체 레이저의 에너지는 매우 커서 핵융합 실험에 사용된다.

유리

네오디뮴은 유리 착색제로도 사용된다. 용융된 유리에 산화네오디뮴(Nd₂O₃)을 넣어 만드는데, 이 유리는 노란색 빛은 잘 흡수하나, 붉은색, 파란색, 녹색의 빛은 잘 통과시켜 보통 적자색을 띤다. 이때 다른 유리 착색제와 함께 네오디뮴을 첨가하면 다른 여러 색의 유리도 얻을 수 있다. 그러나 네오디뮴은 빛의 흡수 정도가 작아, 진한 색의 유리를 얻기 위해서는 비교적 높은 농도로 첨가해야 하는데, 원조격인 모저(Moser) 유리는 Nd₂O₃을 약 5%로 첨가하였다. 네오디뮴 유리는 우아한 전등 갓을 만드는데도 많이 사용되었는데, 조명의 형태에 따라 색이 달라지는 이색성(dichroic)을 보인다. 예로, 햇빛이나 백열등 아래서는 붉은색을 띤 자주색, 형광등 아래서는 푸른색, 그리고 삼파장 조명 아래서는 녹색을 띤다. 또한 네오디뮴 유리는 백열등 전구에 널리 사용되는데, 이 전구는 보통 전구에 비해 태양 빛에 보다 가까운 백색광을 낸다. 네오디뮴은 또한 유리에 포함된 철 불순물에 의한 녹색을 제거하는데도 사용되며, 네오디뮴 화합물들은 법랑의 착색제로도 사용된다.

네오디뮴은 또한 디디뮴(네오디뮴과 프라세오디뮴의 혼합물) 유리의 한 성분인데, 디디뮴 유리는 용접이나 유리 세공을 할 때 착용하는 보안경으로 사용된다. 네오디뮴과 디디뮴 유리는 백열등에서 나오는 노란색을 걸러내므로, 실내 사진 촬영에서 색상 강화 필터로 사용된다.

네오디뮴 유리 전등 갓. 네오디뮴 유리는 빛의 형태에 따라 나타나는 색이 다르다. 왼쪽은 형광등, 오른쪽은 백열등 하에서 보이는 것이다. <출처: (cc) Scientific29 at Wikimedia.org>

기타 용도
이들 외에도 네오디뮴은 다른 희토류 금속과 마찬가지로, 촉매, 신틸레이터 검출기, 플루오르화 유리 광 섬유, 탄소 아크등 전극 등에 사용될 수 있다. 또한 컬러 TV 브라운관에서 붉은색과 녹색의 색 대비를 향상시키고 화면을 밝게 하는 데도 사용되었다. 이외에도 타이타늄산바륨(BaTiO₃)과 함께 배합되어 전자 부품의 절연 코팅에 쓰이며, 거의 모든 전자 제품에 필수적으로 들어가는 적층 커패시터(multilayer capacitor, MLC)에도 사용된다.

주요 네오디뮴 화합물

네오디뮴은 여러 비금속 원소들과 +3가 상태의 이성분 화합물들을 만든다. 이들은 할로겐화물(NdX₃: X=F. Cl, Br, I), 산화물(Nd₂O₃), 황화물(Nd₂S₃), 질소화물(NdN), 인화물(NdP), 탄화물(Nd₄C₃) 등이다. 또한 +2가 화합물들도 알려져 있는데, 이들로는 황화네오디뮴(II) (NdS)과 할로겐화네오디뮴(II) (NdX₂: X= Cl, Br, I)을 들 수 있다.

산화네오디뮴(III) (Nd₂O₃)
네오디뮴의 많은 양은 산화네오디뮴(III) (Nd₂O₃) 형태로 생산되어 판매된다. Nd₂O₃는 금속 네오디뮴이나 네오디뮴 화합물(예로, 수산화물, 질소화물, 탄산염, 질산염, 옥살산염)을 공기 중에서 태우면 푸른색이 도는 회색 분말로 얻어진다. 녹는점이 2233^oC인 아주 안정한 화합물로, 묽은 산에 녹고 물에도 약간(용해도: 75^oC에서 0.003g/100mL) 녹는다. 네오디뮴 유리를 만드는데 사용되고, 법랑의 착색제, 중합 촉매, 커패시터 재료, 고무 첨가제 등으로도 쓰인다. 다른 네오디뮴 화합물을 합성하는 원료물질로도 사용된다.

수산화네오디뮴(III) (Nd(OH)₃)
수산화네오디뮴(III) (Nd(OH)₃)는 물에 거의 녹지 않는 화합물로, Nd³⁺ 수용액에 염기를 가하면 푸른색 또는 연보라색 침전으로 얻어진다. 가열하면 300~350^oC에서 2Nd₂O₃·3H₂O로 전환되고, 더욱 온도를 높이면 2Nd₂O₃·H₂O가 된다. 산화네오디뮴(III)(Nd₂O₃)과 마찬가지로, 촉매, 유리, 커패시터 등에 사용된다.

할로겐화물
네오디뮴은 4가지 할로겐 원소(X) 모두와 NdX₃형의 할로겐 화합물을 만든다. 이들 중에서 가장 흔히 사용되는 것이 NdCl₃인데, 희토류 광석에서 네오디뮴을 분리·생산할 때 거치는 중간물질의 하나로 Nd₂O₃를 염산(HCl) 또는 염화암모늄(NH₄Cl)으로 처리하면 얻어진다.

Nd₂O₃ + 6 NH₄Cl → 2 NdCl₃ + 3 H₂O + 6 NH₃

NdCl₃는 공기 중에서 습기를 흡수하여 수화물인 NdCl₃·6H₂O이 된다. 물에 잘 녹고 에틸 알코올에도 약간 녹는다. NdCl₃은 태양광 아래서는 자주색을 띠나, 형광등 아래서는 연한 노란색을 띤다. 네오디뮴 레이저와 광섬유에 사용되며, 다이엔(diene: 2개의 이중 결합을 갖는 화합물)의 중합 촉매, 폐수의 오염 물질 분해, 알루미늄과 알루미늄 합금의 부식 방지, DNA를 비롯한 유기 물질의 형광 표지 등에 사용된다. NdCl₃은 또한 다른 네오디뮴 화합물 얻는데 유용하게 사용된다. 650^oC 이상에서 금속 Nd에 의해 환원되어 NdCl₂이 되며, 고온에서 H₂S, NH₃, PH₃와 반응하여 각각 Nd₂S₃, NdN, NdP를 만든다.

플루오르화네오디뮴(III) NdF₃은 Nd₂O₃를 염산에 녹여 가열한 후 플루오린산(HF)을 첨가하면 침전으로 얻어진다. 물과 대부분의 산에 녹지 않는다. 금속 네오디뮴의 생산, 플루오르화물 유리를 이용한 네오디뮴 레이저와 광섬유 제조 등에 사용된다.

염화네오디뮴(III). NdCl3는 태양 빛에서는 적자색을 보이나, 형광등 아래서는 약한 노란색을 보인다. 이와 같은 이색성은 네오디뮴 화합물, 용액, 유리의 특징이다.<출처: (cc) Walkerma at en.wikipedia>

황산네오디뮴(III) Nd2(SO4)3 <출처: (cc) Bahmtec at Wikimedia.org>

생물학적 역할과 독성

네오디뮴(III) 이온 (Nd³⁺)은 식물 성장을 촉진하는 것으로 보고되었는데, 아마도 Ca²⁺과 비슷하기 때문으로 여겨진다. 동물에는 약간의 독성을 나타내는데, 네오디뮴 먼지와 염들은 눈과 점막에 매우 자극적이고, 피부에도 약간의 자극성을 나타낸다. 네오디뮴 염 용액을 정맥 주사하면 항응고 작용을 보인다. 네오디뮴 먼지가 들어있는 공기를 장기간 마시면 폐색전증(lung embolism: 폐의 혈관이 막히는 질환)이 유발될 수 있고 간 손상을 입을 수 있다. 네오디뮴 금속 먼지는 불이 붙을 수 있으며, 습기가 있으면 폭발 할 수도 있으므로 주의해야 한다. 또한 네오디뮴 자석은 아주 강해서 두 자석 또는 자석과 금속 사이에 신체 일부가 끼어 다칠 수 있다.

1. 수치로 보는 네오디뮴

   네오디뮴의 표준원자량은 144.242g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f⁴6s² ([Xe]4f⁴6s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +3이나, +2 의 산화상태를 갖는 화합물들도 있다. 지각에서의 존재 비는 약 38ppm (0.0038%)으로 대략 27번째로 풍부한 원소이며, 희토류 광석에서 전체 희토류의 약 17%를 차지한다. α-와 β–형의 두 가지 동소체가 있으며, α→β 전이 온도는 약 863^oC이다. 1기압에서 녹는점은 1024^oC이고 끓는점은 3074^oC이며, 25^oC에서의 밀도는 7.01g/cm³이고 녹는점에서의 액체 밀도는 6.89g/cm³이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 533.1, 1040, 2130 kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 1.14이다. 원자 반경은 181.4pm(비교: La, 187pm; Ce, 181.8pm; Pr, 182.4pm)이며, 6배위체의 Nd³⁺ 이온 반경은 98.3pm (비교: La³⁺, 103.2pm; Ce³⁺, 102pm; Pr³⁺, 99pm)이다. Nd⁴⁺/Nd³⁺ 표준 환원 전위는 4.9V로 추정되고, Nd³⁺/Nd²⁺와 Nd³⁺/Nd 표준 환원 전위는 각각 -2.6V와 -2.32V이다. 천연상태에서 ¹⁴²Nd(27.2%), ¹⁴³Nd(12.2%), ¹⁴⁴Nd(23.8%), ¹⁴⁵Nd(8.3%), ¹⁴⁶Nd(17.2%), ¹⁴⁸Nd(5.7%), ¹⁵⁰Nd(5.6%)의 7 가지 동위원소로 존재하는데, ¹⁴⁴Nd(반감기 2.29x10¹⁵년)와 ¹⁵⁰Nd(반감기 6.7x10¹⁸년)은 방사성 동위원소이다.

2.  비선형 광학 물질(non-linear optical material, NLO material)

   유전분극(dielectric polarization, 절연체에서 전기장에 의해 분극이 되는 현상)되는 정도가 전기장의 세기에 정비례하지 않는 물질로, 이런 물질에 강한 레이저 빛을 통과시키면 주파수가 2배(2차 비선형), 3배(3차 비선형), 또는 그 이상 되는 빛을 얻을 수 있으며, 주파수가 다른 빛을 같이 통과시키면 주파수가 두 빛 주파수의 합이거나 차인 빛을 얻을 수 있는 등 다양한 비선형 광학 현상을 보인다. Nd:YAG 레이저에서 나오는 1064nm의 빛을 532nm 빛으로 바꾸는 데 사용되는 2차 비선형 물질로는 인산모노포타슘(KH₂PO₄, KDP), 삼붕산리튬(LiB₃O₅, LBO), β-붕산바륨(BaB₂O₄, BBO) 결정들이 흔히 사용된다.

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.

자료출처 : 네이버캐스트