Gallium( Ga), 31- 갈륨

 

원자번호 31번 원소인 갈륨은 1869년에 멘델레예프(Dmitri Mendeleev,1834~1907)가 화학 원소의 주기율표를 제안했을 당시에는 아직 발견되지 않았지만, 멘델레예프가 에카-알루미늄으로 그 존재와 물리-화학적 성질을 예언했던 원소이며, 그가 예언했던 원소들 중에서 가장 먼저 1875년에 발견되어 그의 주기율표가 옳았음을 보여준 원소이다. 갈륨은 녹는점이 약 30oC로 손안에서 녹으며, 액체로 존재하는 온도 범위가 아주 넓은 원소이고, 다른 원소들에서는 찾아보기 어려운 여러 특이한 성질들을 보인다. 금속 자체로 또는 녹는점이 낮은 합금으로 만들어 온도계에 수은(Hg) 대신 사용되었다. 1960년대 이후 갈륨과 여러 15족 원소(질소, 인, 비소 등) 사이의 화합물들이 발광 다이오드(LED), 다이오드 레이저, 트랜지스터에 사용되면서, 갈륨은 이제 조명과 전자산업에서 필수적인 원소가 되었다. 이들은 전자기기의 표시등, CD 판독, LCD 패널의 배면광, 고속/고용량 컴퓨터 칩, 통신의 잡음 제거 회로 등에 광범위하게 사용되기 때문에 오늘날 사용되는 전자기기들 중에서 갈륨을 전혀 사용하지 않은 것을 찾아 보기가 어려울 정도이다. 이와 같이 특이하고 현대 전자 산업에서 필수적인 갈륨에 대해 알아보기로 하자.     원자번호 31번, 갈륨 갈륨(Gallium)은 원자번호 31번의 원소로, 원소기호는 Ga이다. 주기율표에서 붕소(B), 알루미늄(Al), 인듐(In), 탈륨(Tl)과 함께 13족(3A족)에 속하는 붕소 족 원소의 하나이다. 아주 무른 은색 금속으로, 녹는점이 29.7646oC로 낮으나, 끓는점은 2204oC로 높아 액체로 존재하는 온도 범위가 아주 넓다. 실온에서 액체 상태인 여러 합금을 만든다. 수은(Hg)과는 달리, 액체 갈륨은 유리나 피부 표면에 잘 퍼지기 때문에 취급하기가 어렵다. 대부분의 금속에 쉽게 확산되어 들어가 그들을 부서지기 쉽게 만든다. 화학적 성질은 알루미늄과 비슷하고, 실온에서는 산화물 보호피막을 만들기 때문에 내부는 공기나 물과 반응하지 않는다. 고온에서는 산소와 반응하여 산화 갈륨(III)(Ga2O3)을 만든다. Ga와 Ga2O3는 강산과 알칼리에 모두 녹는 양쪽성 물질이다.

 

원자번호 31번, 갈륨.

갈륨의 원소 정보.

 

 

갈륨은 자연상태에서 원소 자체로는 존재하지 않고 화합물로만 존재한다. 지각에서의 존재 비는 약 17ppm(0.0017%)이며, 여러 황화물 광물들에 소량 들어 있다. 갈륨의 함량이 높은 광물은 갈라이트(gallite, CuGaS2)와 저마나이트(germanite, Zn, Cu, Ge, As 황화물의 복합 광석)이나, 이들 광물들은 희귀하여 갈륨 생산에 이용되지는 않는다. 섬아연석(sphalerite, ZnS), 보크사이트, 또는 석탄에 낮은 농도로 들어 있는데, 갈륨은 주로 알루미늄 생산의 부산물로 얻어지며, 석탄을 태울 때 얻어지는 그을음에서 회수되기도 한다.   갈륨은 고온온도계의 충진 물질, 온도 표준 물질, 녹는점이 낮은 합금의 재료 등으로 사용된다. 또한 반도체의 도판트(dopant: 반도체 제작에서 반도체 물질에 가하는 소량의 불순물)나 중성미자(neutrino)의 검출 장치에도 사용된다. 그러나 지금은 거의 대부분이 반도체 산업에서 사용되는데, 생산된 Ga의 95%이상이 비소화 갈륨(갈륨 비소, GaAs)을 만드는 데 사용된다. GaAs는 홑 원소 반도체인 저마늄(Ge)과 등전자 관계에 있으며, 많이 사용되는 규소(Si)에 비해 여러 장점을 갖고 있는 화합물 반도체 물질이다. GaAs을 비롯한 Ga과 15족 원소와의 여러 이성분 화합물(예로, GaN, GaP)이나 이들의 혼합 결정(예로, GaAS1-xPx)은 전기를 빛으로 변환시키는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)와 이를 역으로 이용하여 빛 에너지를 전기에너지로 전환시키는 광전지에 많이 사용된다. 또한 트랜지스터로 제작되어 마이크로파 소자와 고속 논리 회로에도 사용된다.   갈륨의 생물학적 역할을 아직 알려지지 않았다. 그러나 여러 갈륨 화합물들이 의약품과 방사성 의약품으로 사용되거나 개발 과정에 있다.

 

 

갈륨의 역사 1869년에 러시아의 멘델레예프는 현대 화학에서 가장 위대한 발견 중의 하나인 원소의 주기율을 발견하였다. 주기율은 원소들이 어떻게 서로 연관되는가를 나타내는 것으로, 그 연관성을 주기율표로 나타내는데 주기율표에서는 성질이 유사한 원소들을 같은 족에 넣는다. 멘델레예프는 당시까지 알려진 63개의 원소들을 원자량 순서로 정리하여 주기율표를 만들면서 몇 곳에 빈칸을 남겨두고 이들 빈칸에 들어갈 원소들의 원자량과 성질을 예언하였다. 그 중의 하나가 원자번호가 31번째인 원소였는데 그는 이 원소는 원자량이 대략 68이고, 밀도는 5.9g/cm3이며, 녹는점은 낮고, 원자가는 +3이며, 산소와는 M2O3형 화합물을 만들고, 공기에서는 안정하나 산과 알칼리에는 천천히 녹아야 한다고 예언하였다. 그는 이 원소가 주기율표에서 알루미늄 바로 아래에 있다고 하여 이 원소를 에카-알루미늄(eka-aluminum)이라 불렀다. 이 에카-알루미늄이 멘델레예프의 예언 후 6년 만인 1875년에 실제로 발견되었는데, 이것이 갈륨이다. 멘델레예프가 예언한 원소 중에는 에카-붕소(eka-boron, 원자번호 21)와 에카-규소(eka-silicon, 원자번호 32)도 있었는데, 에카-붕소는 1879년에 발견되어 스칸듐(Sc)으로 명명되었고, 에카-규소는 1885년에 발견되어 저마늄(Ge)로 명명되었다.

 

갈륨은 멘델레예프가 주기율을 통해 예언한 31번째 원소, '에카-알루미늄'이다.

부아보드랑은 멘델레예프가 예언한 에카-알루미늄을 발견하고자 노력한 끝에 섬아연석을 처리해 갈륨을 발견한다.

 

 

갈륨은 프랑스 화학자 부아보드랑(P. E. Lecoq Boisbaudran, 1838~1912)에 의해 처음으로 분리·발견되었다. 그는 원소들의 스펙트럼을 15년 동안이나 연구하고 있었는데, 나름대로의 이론을 근거로 멘델레예프가 예언한 에카-알루미늄이 아연 광석에서 발견될 수 있을 것으로 짐작하고 이를 찾고자 수년간 노력하였다. 그는 1875년에 아연 광석의 일종인 섬아연광(주성분 ZnS)의 스펙트럼에서 두 개의 보라색 선을 발견하고는, 이들이 그가 찾고 있는 새로운 원소에 의한 것으로 확신하였다. 스펙트럼 발견 후 한 달 만에 섬아연석을 처리하여 수산화물(Ga(OH)3)을 얻고 이를 수산화 포타슘(KOH) 용액에서 전기분해하여 새로운 금속을 얻었다. 그는 자신이 분리∙발견한 새로운 금속 원소의 이름을 자신의 나라 프랑스를 기리기 위해 프랑스의 옛 라틴어 명칭 갈리아(Gallia)를 따서 갈륨(Gallium)으로 명명하였다. 부아보드랑은 에카-알루미늄의 발견 사실을 멘델레예프에게 알리면서 밀도는 4.7g/cm3라고 전하였고, 멘델레예프는 밀도를 다시 측정해 줄 것을 요청했는데, 실제 밀도는 예언과 일치하는 5.91g/cm3이다.   갈륨은 고온 온도계의 충진제와 녹는점이 낮은 합금의 재료로 주로 사용되어 왔다. 처음 분리된 1875년에서 1965년까지 90년간의 전체 갈륨 사용량은 약 5톤에 불과한 것으로 추정된다. 1950년대에 갈륨의 비소 화합물인 GaAs에서 반도체 성질이 알려진 이후, Ga를 이용한 여러 반도체 소자들이 개발되어 사용되면서 그 사용량이 늘어나게 되었다. 1962년에 미국 물리학자 홀로니악(Nick Holonyak Jr., 1928~ )이 GaAs결정을 이용해서 붉은색 빛을 내는 LED를 발명하였다.  그는 LED가 에디슨의 백열등을 대체할 것이라 예언하였는데, 이 예언은 오늘날 현실화되고 있다. 이후 갈륨을 포함하는 여러 화합물 반도체들이 만들어지고 다양한 색을 내는 LED들이 개발되어, 이제는 Ga화합물을 이용한 LED가 첨단 TV와 조명 장치에서 필수적인 것이 되었다. 홀로니악은 또한 1962년에 GaAs를 사용한 가시광선 다이오드 레이저를 처음으로 선보였다. 이후 아주 다양한 반도체 레이저들이 개발되어 사용되고 있는데, 이들의 대부분은 Ga화합물을 사용한다.

 

고순도 갈륨 결정. <출처: (CC)footbar at Wikipedia.org>

 

 

물리적 성질 갈륨은 아주 무른 은색 금속으로, 칼로 쉽게 잘라진다. 녹는점은 29.7646oC로 금속 중에서는 수은(Hg, 녹는점 -38.83oC), 세슘(Cs, 녹는점 28.44oC) 다음으로 낮고, 끓는점은 2204oC로 높아 액체로 존재하는 온도 범위가 2174oC나 된다. 삼중점은 29.7666oC이다. 액체에서 고체로 될 때, 부피가 약 3.1% 늘어나는데, 이 때문에 갈륨을 금속이나 유리 용기에 보관하는 것은 피하는 것이 좋다. 액체 갈륨은 쉽게 과냉각(녹는점 이하의 온도에서 고체로 되지 않고 액체로 있는 현상)된다. 수은과는 대조적으로, 액체 갈륨은 유리, 도자기, 피부 등에 잘 퍼져서 거울같은 면을 만들며 유리관에서는 물처럼 오목한 면을 만드는데, 유리나 도자기 표면에 Ga2O3막을 입히면 이런 현상을 방지할 수 있다.   갈륨은 대부분의 금속이나 합금에 쉽게 확산되어 들어가 이들을 쉽게 부서지게 만들며, 합금을 잘 만든다. 갈륨의 전기 전도도는 Al의 약 1/10이며, 밀도는 5.91g/cm3로 Al의 2배가 조금 넘는다. 반자기성(diamagnetic)으로 자석에 끌리지 않는다. 보통 사방정계(orthorhombic) 구조를 하는데, 단위세포에 있는 8개의 원자 중 한 원자만 가장 가까운 거리(244pm)에 있고 나머지 6개 원자는 이보다 더 떨어져 있다. 가장 가까운 원자들 사이의 결합은 공유결합 성격을 가지며, 따라서 Ga2 분자가 결정의 기본 구성 단위로 여겨진다. 이것이 주기율표에서 바로 위에 있는 Al(녹는점 660.32oC)이나 바로 아래 있는 In(녹는점 156.6oC)에 비해 월등히 녹는점이 낮은 이유로 추측되고 있다.   천연 상태의 동위원소는 69Ga(60.11%)와 71Ga(39.89%) 두 가지로, 이들은 모두 안정하다. 여러 가지 방사성 동위원소들이 인공적으로 합성되었는데, 상업적으로 중요한 것은 67Ga(반감기 3.3일)과 68Ga(반감기 68분)이다. 67Ga 은 전자 포획 후 바로 감마선을 방출하는 특성이 있어 67Ga3+염이 핵 의학 영상촬영(갈륨 스캔, gallium scan)에 사용된다. 68Ga은 양전자 방출을 하는 특성이 있어 진단 PET-CT에서 사용된다.

 

 

화학적 성질

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

갈륨 원자는 31개의 전자를 갖고 있어, 바닥 상태 전자 배치는 [Ar]3d104s24p1 이다. 화학적 성질은 Al과 비슷하나, 약간 덜 전기양성적이다. 화합물에서의 산화수는 보통 +3이고, Ga3+/Ga 반쪽 전지의 표준 전극 전위는 -0.529 V 이다.    Ga3+ + 3e- → Ga                  Eo= -0.529 V   갈륨은 산화물 보호피막을 만들기 때문에 실온에서는 공기나 물과 반응하지 않는다. 고온에서는 대부분의 비금속 원소와 반응하며, 산소와는 산화 갈륨(III)(Ga2O3)을 만든다. 닉토겐(pnictogen) 원소(15족, 즉 질소족 원소인 N, P, As 등을 일컫는 말)들과 반도체 성질을 갖는 이성분 화합물을 만든다. Ga와 Ga2O3는 강산과 알칼리 수용액에 모두 녹는 양쪽성 물질이다. Ga3+는 물에서 [Ga(H2O)6]3+로 존재하며, 이의 pKa는 2.60으로 [Al(H2O)6]3+ 의 pKa 4.96보다 작다. 즉 Ga3+ 염의 수용액은 Al3+ 염의 수용액보다 더욱 강한 산성을 띤다.

 

[Ga(H2O)6]3+ = [Ga(H2O)5(OH)]2+ + H+           (pKa = 2.60)   Ga의 원자 반경은 135pm로 알루미늄의 143pm와 비슷하다. 6 배위체에서 Ga3+ 이온 반경은 62pm로 Al3+의 53.5pm보다는 상당히 큰 반면, 높은 스핀 착물에서의 Fe3+의 이온반경 64.5 pm, 또는 낮은 스핀 착물에서의 Fe2+의 이온반경 61pm와는 비슷하다.

 

 

갈륨의 생산

갈륨은 과거에는 황화물 광석이나 석탄을 태울 때 생기는 그을음 (Ga 함량 약 1%)에서 얻었으나, 지금은 주로 알루미늄 생산의 부산물로 얻으며, 아연 생산의 부산물로도 소량 얻는다. 알루미늄 광석인 보크사이트(bauxite)에는 0.003~0.01%의 Ga이 들어 있는데, 보크사이트를 NaOH로 처리(베이어 공정, Bayer process)하여 알루미늄을 NaAlO2로 녹여낼 때 Ga도 NaGaO2가 되어 함께 녹아 나온다. 이 용액을 수은을 양극으로 하여 전기분해하면 Na-Ga-Hg 아말감이 얻어지고, 이를 NaOH로 가수분해시키면 NaGaO2가 추출된다. NaGaO2 용액을 농축시키고 다시 전기분해하여 금속 Ga을 얻는다. 99.9999% 이상의 순도를 갖는 반도체용 Ga은 금속 Ga을 띠 정제나 결정 성장 방법으로 정제해서 얻는다.   알루미늄 광석인 보크사이트에 들어있는 Ga의 함량과 알루미늄의 생산량(2009년 4140만 톤)을 고려할 때, 알루미늄 산업에서 부산물로 회수 가능한 Ga는 연간 1,000톤이 훨씬 넘는다. Ga의 정확한 전세계 생산량은 파악되지 않고 있는데, 2009년 기준의 총 생산시설 용량은 184톤이고, 중국(59 톤), 독일(35 톤), 카자흐스탄(25 톤), 러시아(19 톤) 등이 큰 생산 용량을 가지고 있다. Ga 가격은 1928년에는 50$/g 이었으나, 1965년에는 당시 금 값(1.1$/g)과 비슷한 1$/g이었고, 1986년에는 99.9999% 순도의 반도체용 Ga 값이 0.45$/g이 되었다. 2011년 상반기에는 약 0.9$/g였으나, 2012년 3월초 현재의 시세는 0.5$/g으로 금 값의 1/100에도 미치지 못하고 있다. 회수 기술의 발달과 세계 경제의 향방이 이 금속의 가격에 얼마나 큰 영향을 미치는가를 엿 볼 수 있다.

갈륨은 주로 보크사이트에서 알루미늄을 얻는 과정의 부산물로 얻어진다. 보크사이트에는 0.003~0.01%의 갈륨이 들어 있다.

 

 

갈륨과 비소화 갈륨(GaAs)의 이용 갈륨은 액체로 존재하는 온도 영역이 매우 커서(녹는점이 29.7646oC이고 끓는점은 2204oC) 수은 대신 갈륨을 넣어 고온 온도계를 만드는 데 사용된다. 이때 갈륨이 유리벽을 따라 잘 퍼져나가는 성질을 막기 위해 온도계 유리관 벽에 Ga2O3투명 막을 입힌다. 갈륨에 다른 금속을 첨가하여 합금을 만들면 녹는점이 더욱 낮아져 실온에서도 액체인 합금이 얻어지는데, 예로 녹는점이 -19oC인 갈린스탄(Galinstan)은 68.5% Ga, 21.5% In, 10% Sn으로 이루어진 합금이다. 이 합금은 유독성이 있는 수은을 대체한 의료용 온도계에 널리 사용되며, 컴퓨터의 냉각제, 치과용 수은 아말감 대체물질 등으로도 사용되리라 기대된다. 갈륨은 아주 순수한 상태로 얻어지기 때문에, 이의 녹는점과 삼중점은 표준 온도로 이용된다.   Ga은 중성미자(neutrino) 검출 장치에도 사용된다. 러시아의 SAGE(Soviet-American Gallium Experiment) 검출장치에는 무려 약 50톤의 초고순도 갈륨이 들어 있으며, 이탈리아의 GALLEX/GNO 검출 시설에도 약 30톤이 사용되었다. 71Ga는 중성미자에 의해 방사성 동위원소인 71Ge(반감기 11.43일)가 되며, 71Ge의 방사선 측정으로 중성미자가 검출된다. 갈륨 검출기는 낮은 에너지의 중성미자에 민감하며, 주로 태양 중심부에서 일어나는 핵융합 반응에서 발생하는 중성미자를 검출하여 태양 중심부를 직접 관찰하는 수단으로 사용된다.

 

갈륨 합금인 갈린스탄은 유독성이 있는 수은을 대체한 의료용 온도계에 널리 사용된다.<출처: Geratherm>

이탈리아의 GALLEX/GNO 검출 시설. 갈륨은 중성미자 검출 장치에도 사용된다. <출처: interactions.org>

 

 

갈륨은 95% 이상이 비소화 갈륨(gallium arsenide: GaAs)을 만드는 데 사용된다. GaAs는 반도체로 많이 사용되는 Ge와 등전자 관계에 있으며, III족 (13족)과 V족 (15족) 원소로 이루어진 대표적인 III-V족 화합물 반도체이다. Si에 비해 전자의 이동 속도가 6배나 빠르며, 열에 덜 민감하고 잡음이 적으며, 소비전력이 적어 열 발생이 적고 배선 용량이 적은 점 등, 고집적화에 적합한 여러 장점을 갖고 있다. 트랜지스터를 만들어 초고속 논리 칩, 마이크로파 주파수 영역의 집적회로 등의 제작에 이용되며, 이들은 휴대전화와 인공위성 등에 사용된다.   GaAs의 또 다른 주요 용도는 발광 다이오드(LED) 제작이다. LED는 전류를 직접 빛으로 변환시키는 장치로, 전자기기의 표시등, 계산기의 숫자판, LED TV의 배면광, 그리고 각종 조명 기구 등에 널리 사용된다. LED의 기본 반도체 물질로는 GaAs 이외에 질화갈륨(GaN), 인화 갈륨(GaP)도 사용된다. 전류를 통하면 GaAs는 적외선, GaN과 GaP는 녹색 영역의 빛을 내나, Ga의 일부를 Al이나 In으로 치환하거나, 또는 As의 일부를 P 로 치환하면 여러 다른 파장의 빛도 얻을 수 있다. 또 전류를 빛으로 전환시키는 것과는 반대로, 빛을 전류로 전환시키는 광전지에도 이들 물질이 이용된다.   이들 LED 물질들은 다이오드 레이저를 만드는 데도 사용된다. 사용하는 화합물에 따라 가시광선이나 적외선 영역에 속하는 다양한 파장의 단색광이 얻어지는데, 이들은 통신, 레이저 포인터, CD판독, 화학물질 검출 장치 등에 널리 사용된다.

 

GaAs 등 여러 갈륨 화합물들은 발광 다이오드(LED) 제작에 쓰인다. <출처: (CC)Jeff Wilcox at wikipedia.org>

갈륨 화합물을 이용한 다이오드 레이저가 블루레이 판독에 이용되고 있는 모습.

 

 

갈륨 화합물과 이들의 이용 앞에서 보았듯이, 갈륨의 가장 중요한 화합물은 15족 원소(pnictogen, 닉토겐)와의 이성분 화합물(pnictide, 닉타이드)로, III-V족 화합물 반도체들이다. 이들은 고온에서 구성 원소들 사이의 직접 반응으로 만들 수도 있고, 갈륨 또는 갈륨 화합물과 닉토겐 화합물의 반응에서 얻을 수도 있다. GaAs의 합성 방법을 예로 들면 다음과 같다.   Ga + As → GaAs 2Ga + 2AsCl3 → 2GaAs + 3Cl2 2Ga(CH3)3 + 2AsH3 → 2GaAs + 6CH4   Ga의 닉타이드들로는 GaN, GaP, GaAs, GaSb 등이 있으며, 이들은 GaSb를 제외하고는 모두 트랜지스터, LED, 다이오드 레이저 제작에 널리 사용된다. 최근에는 미량의 Mn2+ 불순물이 포함된 갈륨산 마그네슘(MgGaO4)이 자외선을 받으면 녹색 인광을 낸다고 보고된 바, 이의 활용이 기대된다.   Ga를 공기 중에서 가열하면 Ga2O3가 생성된다. 이 Ga2O3를 진공에서 Ga와 함께 500~700oC로 가열하면 산화 갈륨(I) (Ga2O)이 생성되는데, 이는 아주 강한 환원제로 황산(H2SO4)을 황화 수소(H2S)로 환원시킬 수 있다. Ga과 H2S를 함께 가열하면 Ga2S3가 생성되는데, 이 화합물은 Ga(OH)3와 H2S에서의 반응에서도 얻을 수 있다. Ga와 S간의 화합물로는 Ga2S, GaS, Ga4S5도 알려져 있다.  한편, Ga는 셀레늄(Se)과는 Ga2Se, GaSe, Ga2Se3 를, 그리고 텔루륨(Te)과는 GaTe, Ga2Te3, Ga2Te5를 만든다.   Ga는 할로겐(X)과 GaX3형 화합물을 만드는데, GaF3는 녹는점이 1000oC 이상이고 약 950oC에서 승화되는 반면, GaCl3는 녹는점이 77.8oC이고 끓는점이 212.2oC이다. GaX3를 2몰비의 Ga와 반응시키면 승화성이 큰 GaX가 얻어지고, 1 몰비의 Ga와 반응시키면 실험식이 GaX2인 화합물들이 얻어진다. GaX2은 실제로는 Ga의 산화수가 +1인 것과 +3인 것의 복합체로, 여러 N, As, O, S, Se 주게(L)들과 [GaIL4]+[GaIIIX4]- 형 착화물들을 만든다.   Ga의 수소화물인 Ga2H6(digallane)도 알려져 있는데, 이 화합물은 GaCl3와 LiGaH4를 -30oC에서 반응시켜 얻을 수 있다. Ga2H6는 붕소 화합물인 다이보레인(diborane, B2H6) 처럼, 두 Ga 원자 사이에 두 개의 수소 원자가 각각 다리형태로 연결되어 있다. 알킬 갈륨(GaR3: R=알킬기)은 Ga를 HgR2나 RMgBr로 알킬화 시키거나, GaCl3를 AlR3로 반응시켜 얻는다. Ga(CH3)3은 녹는점이 -16oC이고 끓는점은 56oC이며, Ga(C2H4)3는 녹는점이 -82oC이고 끓는점은 143oC이다. 이들 화합물들은 열에 의해 쉽게 분해되는 성질이 있기 때문에, 기상 에피택시(Vaper Phase Epitaxy: VPE) 기법을 써서 기판 위에 Ga 화합물 결정을 성장시키는 데 사용되는 전구 물질로 많은 관심을 끌고 있다.

 

 

의학적 이용 갈륨의 생물학적 역할은 아직 알려진 것이 없다. Ga3+는 Fe3+와 전하가 같고 이온 반경이 비슷하여, Fe3+가 관여하는 여러 과정에 영향을 미칠 것으로 여겨지나 확실히 밝혀진 것은 없다.  몇 가지 Ga3+ 화합물들이 의학적으로 이용되고 있는데, 질산 갈륨(Ga(NO3)3: 상품명 ganite)은 암과 연관된 고칼슘혈증(hypercalcemia)을 치료하는 주사제로 사용된다. 이 화합물은 파골 세포 활성을 억제하여 뼈가 침식되는 것을 막아줌으로써 혈중 칼슘 농도를 낮추는 역할을 하는 것으로 여겨진다. 기타 몇 가지 갈륨 화합물들이 암이나 감염 및 염증 질환의 치료제로 시험 중에 있으며, 방사성 인공 동위원소인 67Ga와 68Ga 화합물들이 방사성 의료 진단에 사용된다.   갈륨과 이의 화합물들이 사람과 동물에 독성을 나타낸다는 보고가 있는데, 갈륨에 장기간 노출되면 피부염을 일으키고 혈액 세포의 생성이 줄어들며, 피부에 접촉되면 갈색 반점이 생긴다고 한다.

 

 

1. 수치로 보는 갈륨
   갈륨의 표준원자량은 69.723g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹ ([Ar]3d¹⁰4s²4p¹)이다. 화합물에서 주된 상태 상태는 +3이다. 지각에서의 존재 비는 약 17 ppm (0.0017%)이다. 주로 알루미늄 생산의 부산물로 얻어지며, 2009년 기준의 전 세계 갈륨 생산 시설 용량은 184톤이고, 중국이 이의 약1/3인 59톤의 생산 시설을 갖고 있다. 1기압에서 녹는점은 29.7646^oC이고 끓는점은 2204^oC이며, 삼중점은 29.7666^oC이다. 20^oC에서 밀도는 5.91g/cm³이다. 녹는점에서의 액체 밀도는 6.095g/cm³로 녹을 때 부피가 약 3.1% 줄어든다. 20^oC에서 전기 비저항은 270 nΩ∙m(비교, Al 28.2 nΩ∙m)이고, 열 전도율은 40.6 W∙m^-1∙K^-1(비교, Al, 237 W∙m^-1∙K^-1)이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 578.8, 1979, 2963 kJ/mol 이며, 폴링의 전기 음성도는 1.81이다. 원자 반경은 135 pm이고, Ga³⁺ 이온(6 배위체)의 반경은 62 pm(비교, 높은 스핀 Fe³⁺ 64.5 pm, 낮은 스핀 Fe²⁺ 61 pm)이다. 천연 상태의 동위원소는 ⁶⁹Ga(60.11%)와 ⁷¹Ga(39.89%)로, 이들은 모두 안정하다.

2. III-V족 화합물 반도체
   IIIA족 (13족: Al, Ga, In) 원소와 VA족 (15족: N, P, As, Sb) 원소들 사이에 만들어지는 반도체 성질을 띠는 이성분 화합물들을 말한다. 대표적인 화합물들을 이들의 띠 간격 에너지(Eg)와 함께 열거하면 GaAs (E_g = 138 kJ/mol, 870 nm), GaP(E_g = 218 kJ/mol, 550 nm), GaN(E_g = 328 kJ/mol, 365 nm)이다. III-V족 화합물 반도체들을 혼합 성장시켜 다양한 띠 간격의 여러 반도체들을 얻을 수 있는데, 예로 GaAs와 GaP의 혼합 성장에서 얻어지는 GaAs_1-xP_x는 x값에 따라 138~218 kJ/mol (550~870 nm)의 띠 간격을 갖는다. 이들로 LED나 다이오드 레이저를 만들면 띠 간격에 해당하는 파장의 빛이 나온다.

3. 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)
   전류가 흐르면 빛을 방출하는 반도체 소자로, 1962년에 홀로니악(Nick Holonyak Jr., 1928~ )이 GaAs 결정을 써서 처음 만들었다. 처음에는 여러 전자기기의 표시등과 계산기 숫자판 등으로 사용되었는데, 지금은 조명기구, LED TV의 배면 광원 등으로도 사용된다.

4. 닉토겐(pnictogen)과 닉타이드(pnictide)
   주기율표에서 15족, 즉 질소족 원소들을 닉토겐(pncitogen)이라 하며, 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi)가 이에 속한다. 닉토겐들과 전기양성적 원소들과의 이성분 화합물을 닉타이드(pnictide)라 부르며, 대표적인 것들이 GaAs, GaN, GaP 등이다.

 

 

 

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  2012.03.28

Gallium Atomic Weight   69.723 Density   5.904 g/cm3 Melting Point   29.76 °C Boiling Point   2204 °C Full technical data Pick up gallium and it will melt in your hand: it liquefies at slightly above room temperature. A hair dryer created this Dali-esque cube. Alloys of gallium, indium and tin are replacing mercury in thermometers. Scroll down to see examples of Gallium.