희토류 원소: 현대 산업의 필수 촉매제

석유가 산업의 생명줄이라면 희토류는 산업의 비타민이라고 할 수 있습니다. 희토류는 첨단 과학, 기술, 군사 분야에서 사용되는 귀중한 전략 자원으로 "신소재의 어머니"로 불립니다.

하지만 "희토류는 흙이 아닙니다." 희토류는 금속 그룹의 약어입니다. 희토류 원소(REE)는 18세기 후반부터 발견되었습니다. 과학자들은 거의 3~5년마다 희토류의 새로운 용도를 발견하고 있으며, 발명품 6개 중 1개는 희토류에 의존하고 있습니다.

희토류는 "산업용 MSG", "신소재의 어머니"로 불리는 귀중한 전략 자원입니다. 희토류 영구 자석, 발광 소재, 수소 저장 소재, 촉매와 같은 기능성 소재는 첨단 산업, 첨단 장비 제조, 신에너지 및 신흥 산업에 필수적입니다.

미국 지질조사국의 2015년 자료에 따르면 전 세계 희토류 매장량은 약 1억 3천만 톤(희토류 산화물(REO) 단위로 측정)에 달합니다. 이 중 중국이 5500만 톤, 브라질이 2200만 톤, 미국이 1300만 톤, 호주 210만 톤, 인도 310만 톤, 말레이시아 3만 톤, 기타 국가가 4100만 톤을 보유하고 있습니다.

17가지 희토류 원소의 용도 목록

란탄은 합금 재료와 농업용 필름의 주성분입니다.
세륨은 자동차 유리 산업을 선도하는 요소입니다.
프라세오디뮴은 세라믹 안료에 많이 사용되는 원소입니다.
네오디뮴은 항공우주 소재 제조에 폭넓게 활용되고 있습니다.
프로메튬은 위성의 보조 에너지 공급원입니다.
사마륨은 원자로에 사용되는 원소입니다.
유로피움은 렌즈 제조 및 액정 디스플레이 화면의 구성 요소입니다.
가돌리늄은 의료용 MRI에서 조영제 역할을 합니다.
테르븀은 항공기 날개 레귤레이터에 사용됩니다.
에르븀은 군용 레이저 거리측정기에 사용되는 부품 중 하나입니다.
디스프로슘은 필름과 인쇄의 광원 역할을 하는 원소입니다.
홀뮴은 광통신 장치의 구성 요소입니다.
툴륨은 종양의 임상 진단과 치료를 가능하게 합니다.
이터븀은 컴퓨터 메모리 장치의 첨가제입니다.
루테튬은 에너지 배터리 기술에 사용됩니다.
이트리움은 전기 배선 및 항공기 하중 지지 부품에 사용됩니다.
스칸듐은 합금 제조에 자주 사용됩니다.

란탄(La)

"란탄"이라는 원소는 1839년 스웨덴인 "모산더"라는 사람이 세리아에 다른 원소가 포함되어 있다는 사실을 발견하면서 명명되었습니다. 그는 "숨겨진"이라는 뜻의 그리스어를 차용하여 이 원소의 이름을 "란탄"으로 명명했습니다.

란탄은 압전 재료, 열전 재료, 자기 저항 재료, 발광 재료, 수소 저장 재료, 광학 유리, 레이저 재료, 다양한 합금 재료 등 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 란탄은 또한 많은 유기 화학 제품의 촉매제 제조에도 사용됩니다. 란탄은 광변환 농업용 필름에도 사용됩니다. 과학자들은 농작물에 미치는 영향 때문에 란타늄을 '슈퍼 칼슘'이라고 명명했습니다.

세륨(Ce)

'세륨'은 1803년 독일의 클라우스와 스웨덴의 우스퍼지히와 허쉬너가 발견하고 명명했습니다. 이 이름은 1801년에 발견된 소행성 세레스를 기념하기 위한 것이었습니다.

(1) 유리 첨가제로서 세륨은 자외선과 적외선을 흡수할 수 있으며 현재 자동차 유리에 널리 사용되고 있습니다. 자외선으로부터 보호하고 차량 내부 온도를 낮추어 에어컨의 전기를 절약할 수 있습니다. 1997년부터 일본의 모든 자동차 유리에 산화세륨이 첨가되었습니다. 1996년에는 최소 2,000톤의 산화세륨이 자동차 유리에 사용되었고, 미국은 약 1,000톤을 사용했습니다.

(2) 세륨은 현재 자동차 배기가스 정화 촉매에 사용되어 대량의 자동차 배기가스가 대기 중으로 배출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 이 분야에서 미국의 소비량은 전체 희토류 소비량의 3분의 1을 차지합니다.

(3) 황화 세륨은 환경과 인체에 더 안전하며 안료의 납과 카드뮴과 같은 금속을 대체할 수 있습니다. 플라스틱 착색에 도움이 될 뿐만 아니라 코팅, 잉크 및 제지 산업에도 좋습니다. 현재 이 시장을 선도하는 기업은 프랑스 Rhone-Poulenc 회사입니다.

(4) Ce: LiSAF 레이저 시스템은 미국에서 개발한 고체 레이저입니다. 트립토판 농도를 모니터링하여 생물학 무기를 탐지할 수 있으며 의학 분야에서도 사용할 수 있습니다. 세륨은 광범위한 응용 분야를 가지고 있으며 연마 분말, 수소 저장 재료, 열전 재료, 세륨 텅스텐 전극, 세라믹 커패시터, 압전 세라믹, 세륨 실리콘 카바이드 연마재, 연료 전지 원료, 가솔린 촉매, 특정 영구 자석 재료, 다양한 합금강 및 비철금속과 같은 거의 모든 희토류 응용 분야에 포함되어 있습니다.

프라세오디뮴(Pr)

약 160년 전 스웨덴의 모산더는 란탄에서 새로운 원소를 발견했지만, 그것은 단일 원소가 아니었습니다. 모산더는 이 원소의 특성이 란탄의 특성과 매우 유사하다는 것을 발견하고 '프라세오디뮴-네오디뮴'이라고 명명했습니다.

"프라세오디뮴-네오디뮴"은 그리스어로 "쌍둥이"를 의미합니다. 약 40년 후인 1885년, 가스 램프 갓이 발명되었을 때 오스트리아의 웰스바흐는 "프라세오디뮴-네오디뮴"에서 "네오디뮴"과 "프라세오디뮴"이라는 두 원소를 분리하는 데 성공했습니다. 이 "쌍둥이"가 분리되면서 프라세오디뮴은 그 재능을 발휘할 수 있는 넓은 세계를 갖게 되었습니다.

희토류 원소인 프라세오디뮴은 유리, 세라믹 및 자성 재료의 주요 성분입니다.

(1) 영구 자석을 만드는 데 사용됩니다. 영구 자석 재료를 제조하기 위해 순수한 네오디뮴 금속 대신 값싼 프라세오디뮴-네오디뮴 금속을 사용하면 항산화 특성과 기계적 특성이 크게 향상되었으며 다양한 모양의 자석으로 가공 할 수 있습니다. 다양한 전자기기와 모터에 널리 사용됩니다.

(2) 석유 촉매 분해는 용도 중 하나입니다. Y형 제올라이트 분 자체에 프라세오디뮴과 네오디뮴이 풍부한 물질을 첨가하여 만든 석유 분해용 촉매는 촉매의 활성, 선택성 및 안정성 측면에서 촉매를 개선하고 촉매 성능을 높일 수 있습니다.

(3) 프라세오디뮴은 연마 연마에도 좋은 선택입니다. 그 외에도 프라세오디뮴은 광섬유 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 프라세오디뮴의 탄생과 함께 네오디뮴도 등장했습니다. 네오디뮴의 등장은 희토류 분야를 활성화하고 희토류 분야에서 중요한 역할을 하며 희토류 시장에 영향을 미쳤습니다.

네오디뮴(Nd)

네오디뮴은 희토류 분야에서 독보적인 위치로 인해 수년 동안 시장에서 화제가 되어 왔습니다. 금속 네오디뮴의 가장 큰 사용자는 네오디뮴 영구 자석 소재입니다. NdFeB 영구 자석의 도입은 희토류 첨단 기술 분야에 새로운 활력을 불어넣고 새로운 에너지를 가져다주었습니다. 오늘날 '영구 자석의 왕'으로 알려진 NdFeB 자석은 자기 에너지 밀도가 높습니다.

프로메튬(Pm)

1947년 마린스키(J.A.Marinsky), 글렌데닌(L.E.Glendenin), 코리엘(C.E.Coryell)은 원자로의 사용 후 우라늄 연료에서 원소 61을 성공적으로 분리하여 그리스 신 프로메테우스의 이름을 따 프로메튬(Promethium)으로 명명했습니다. 프로메튬은 원자로에서 생성되는 인공 방사성 원소입니다.

(1) 열원으로 사용할 수 있습니다. 진공 감지 및 인공위성을 위한 보조 에너지를 제공합니다.

(2) Pm147은 저에너지 베타선을 방출하여 프로메튬 배터리를 만듭니다. 미사일 유도 장치 및 시계의 전원으로 사용됩니다. 이 유형의 배터리는 크기가 작고 몇 년 동안 계속 사용할 수 있습니다. 프로메튬은 휴대용 엑스레이 기기, 형광체 제조, 두께 측정 및 내비게이션 조명에도 사용됩니다.

사마륨(Sm)

1879년 부아보드란은 이트륨-콜룸바이트에서 얻은 '프라세오디뮴-네오디뮴'에서 새로운 희토류 원소를 발견하고 광석의 이름을 따 사마륨이라고 명명했습니다.

사마륨은 밝은 노란색을 띠며, 산업적으로 가장 먼저 사용된 희토류 자석인 사마륨-코발트 영구 자석의 원료입니다. 이 영구 자석은 SmCo5 시리즈와 Sm2Co17 시리즈의 두 가지 유형으로 제공됩니다. SmCo5 시리즈는 1970년대 초에 발명되었고, Sm2Co17 시리즈는 나중에 개발되었습니다. 현재는 후자 유형에 대한 수요가 우세합니다. 사마륨-코발트 자석에 사용되는 산화사마륨의 순도는 매우 높을 필요는 없으며, 비용상의 이유로 순도가 95% 정도인 제품이 주로 사용됩니다. 산화사마륨은 세라믹 커패시터와 촉매에 사용됩니다. 또한 사마륨은 핵 특성을 가지고 있어 원자로의 구조물, 차폐 및 제어 재료로 사용되어 핵분열로 발생하는 막대한 에너지를 안전하게 활용할 수 있습니다.

유로화(Eu)

1901년, 유진 앙투안 드마르케이는 사마륨에서 나온 새로운 원소를 발견하고 이를 유로피움이라고 불렀습니다. 이 이름은 아마도 "유럽"이라는 용어에서 유래된 것 같습니다. 산화유로늄은 형광등의 주요 성분입니다. Eu3+는 적색 형광체의 활성화제 역할을 하고 Eu2+는 청색 형광체의 공급원 역할을 합니다. Eu3+는 적색 형광체의 활성화제로 사용되며, Eu2+는 청색 형광체의 활성화제로 사용됩니다. 현재 Y2O2S: Eu3+가 발광 효율, 코팅 안정성, 재활용 비용 측면에서 가장 우수한 형광체입니다. 발광 효율과 콘트라스트를 개선하는 기술의 발전과 함께 광범위하게 적용되고 있습니다. 최근에는 새로운 X-선 의료 진단 시스템에서 유로피움 옥사이드가 자극 방출 형광체로 사용되기도 합니다. 산화유로늄은 컬러 렌즈 및 광학 필터 제조, 버블 저장 장치, 원자로의 제어, 차폐 및 구조 재료로도 사용됩니다.

가돌리늄(Gd). 1880년 스위스의 G. 드 마리냑은 "사마륨"을 두 원소로 분리했는데, 그 중 하나는 소릿에 의해 사마륨으로 확인되었고, 다른 하나는 부아보드르의 연구에 의해 확인되었습니다. 1886년 마리냑은 이트륨의 발견자인 희토류 연구의 선구자인 네덜란드 화학자 가돌랭을 기리기 위해 이 새로운 원소의 이름을 가돌리늄으로 명명했습니다. 가돌리늄은 현대 기술 혁신에서 중요한 역할을 할 것입니다. 주요 용도는 다음과 같습니다:

(1) 수용성 상자성 복합체는 의학에서 인체의 핵자기공명(NMR) 영상 신호를 개선할 수 있습니다.

(2) 황산화물은 특수 밝기 및 X-선 형광 스크린을 갖춘 오실로스코프의 매트릭스 그리드로 사용할 수 있습니다.

(3) 가돌리늄 갈륨 가넷의 가돌리늄은 버블 메모리 저장에 이상적인 단일 기판입니다.

(4) 카모트 사이클 제한이 없는 경우 고체 자기 냉동 매체로 사용할 수 있습니다.

(5) 핵 반응의 안전을 보장하기 위해 원자력 발전소에서 연쇄 반응 수준을 제어하는 억제제로 사용됩니다.

(6) 사마륨 코발트 자석의 첨가제로 사용되어 온도에 따라 성능이 변하지 않도록 합니다.

가돌리늄(Gd)

1880년 스위스의 G. 드 마리냑은 "사마륨"을 두 가지 원소로 분리했는데, 그 중 하나는 소릿에 의해 사마륨으로 확인되었고 다른 하나는 부아보드르의 연구를 통해 사마륨으로 확인되었습니다. 1886년 마리냑은 이트륨의 발견자인 희토류 연구의 선구자인 네덜란드 화학자 가돌랭을 기리기 위해 이 새로운 원소의 이름을 가돌리늄으로 명명했습니다. 가돌리늄은 현대 기술 혁신에서 중요한 역할을 할 것입니다.

주요 용도는 다음과 같습니다:

(1) 수용성 상자성 복합체는 의학에서 인체의 핵자기공명(NMR) 영상 신호를 개선할 수 있습니다.

(2) 황산화물은 특수 밝기 및 X-선 형광 스크린을 갖춘 오실로스코프의 매트릭스 그리드로 사용할 수 있습니다.

(3) 가돌리늄 갈륨 가넷의 가돌리늄은 버블 메모리 저장에 이상적인 단일 기판입니다.

(4) 카모트 사이클 제한이 없는 경우 고체 자기 냉동 매체로 사용할 수 있습니다.

(5) 핵 반응의 안전을 보장하기 위해 원자력 발전소에서 연쇄 반응 수준을 제어하는 억제제로 사용됩니다.

(6) 사마륨 코발트 자석의 첨가제로 사용되어 온도에 따라 성능이 변하지 않도록 합니다.

테르븀(Tb)

1843년 스웨덴의 칼 모산더가 테르븀을 발견한 것은 이트륨 지구에 대한 연구를 통해서였습니다. 테르븀의 주요 응용 분야는 하이테크 산업입니다. 기술 혁신을 목전에 둔 기술 집약적이고 지식 집약적인 프로젝트입니다.

주요 적용 분야는 다음과 같습니다:

(1) 3색 형광체, 테르븀 활성화 인산염 매트릭스, 테르븀 활성화 규산염 매트릭스, 테르븀 활성화 세륨 마그네슘 알루미네이트 매트릭스에서 녹색 분말의 활성화제로 사용되는 형광체로, 모두 여기 상태에서 녹색 빛을 발산하는 형광체입니다.

(2) 지난 몇 년 동안 테르븀 기반 자기 광학 재료는 대규모 생산 시점에 도달했습니다. Tb-Fe 비정질 박막 기반 자기 광학 디스크는 오늘날 컴퓨터의 저장 매체로 활용되고 있으며 저장 용량은 10-15 배 증가했습니다.

(3) 자기 광학 유리. 테르븀을 함유한 패러데이 로테이터 유리는 로테이터, 아이솔레이터 및 순환기 제조의 핵심 재료이며 레이저 기술에 널리 사용됩니다. 특히 자기 변형 합금인 테르븀-디스프로슘 철(TerFenol)의 개발로 테르븀의 새로운 응용 분야가 열렸습니다. 1970년대에 발견된 TerFenol은 테르븀과 디스프로슘이 절반씩 섞여 있고 때로는 홀뮴이 첨가되어 있으며 나머지는 철로 이루어져 있습니다. 미국 아이오와주 에임스 연구소에서 처음 개발된 TerFenol은 자기장에 노출되면 일반적인 자성 물질보다 더 큰 치수 변화를 보입니다. 이러한 변화는 정밀한 기계적 움직임을 가능하게 합니다. 처음에는 주로 소나에 사용되었지만 현재는 연료 분사 시스템, 액체 밸브 제어, 마이크로 포지셔닝, 항공기 및 우주 망원경의 기계식 액추에이터, 메커니즘, 날개 조절기 등 다양한 기술 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다.

디스프로슘(Dy)

1886년 프랑스인 부아보데는 홀뮴을 두 가지 원소로 분리하는 데 성공했습니다. 하나는 여전히 홀뮴이라고 불리며, 다른 하나는 홀뮴에서 "구하기 어렵다"는 이유로 디스프로슘이라고 명명되었습니다. 디스프로슘은 현재 많은 첨단 기술 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.

디스프로슘의 주요 용도는 다음과 같습니다:

(1) NdFeB 영구 자석의 첨가제로서. 이러한 자석에 약 2% ~ 3%의 디스프로슘을 첨가하면 보자력을 높일 수 있습니다. 과거에는 디스프로슘에 대한 수요가 많지 않았지만 NdFeB 자석에 대한 수요가 증가하면서 필수 첨가제 원소가 되었습니다. 등급은 95%~99.9% 정도여야 하며, 수요도 빠르게 증가하고 있습니다.

(2) 디스프로슘은 형광체 활성화제로 사용됩니다. 3가 디스프로슘은 단일 발광 중심 삼원색 발광 물질의 유망한 활성화 이온입니다. 주로 황색 발광과 청색 발광의 두 가지 발광 대역으로 구성됩니다. 디스프로슘이 도핑된 발광 물질은 삼원색 형광체로 사용할 수 있습니다.

(3) 디스프로슘은 일부 기계 시스템의 정밀한 움직임을 가능하게 하는 거대한 자기 변형 합금 테르븀 디스프로슘 철(Terfenol) 합금의 제조에 필수적인 금속 원료입니다.

(4) 디스프로슘 금속은 기록 속도와 판독 감도가 높은 자기 광학 저장 재료로 사용할 수 있습니다.

(5) 디스프로슘 램프의 제조에 사용됩니다. 디스프로슘 램프에 사용되는 작동 물질은 요오드화 디스프로슘입니다. 이 램프는 고휘도, 좋은 색상, 높은 색온도, 작은 크기 및 안정적인 아크의 장점이 있습니다. 영화, 인쇄 등의 광원으로 사용되어 왔습니다.

(6) 디스프로슘은 중성자 포집 단면적이 크다는 특징이 있기 때문에 원자력 산업에서 중성자 에너지 스펙트럼을 측정하거나 중성자 흡수체로 사용됩니다.

홀뮴(Ho)

19세기 후반에는 스펙트럼 분석의 발견과 주기율표의 발표, 희토류 원소의 전기화학적 분리 기술의 발전으로 새로운 희토류 원소의 발견이 더욱 촉진되었습니다. 1879년 스웨덴의 화학자 스반테 클리프가 홀뮴 원소를 발견하고 스웨덴의 수도 스톡홀름의 이름을 따서 홀뮴으로 명명했습니다.

홀뮴의 응용 분야는 여전히 추가 개발이 필요하며 사용량은 그리 많지 않습니다. 최근 바오터우 강철 희토류 연구소는 고온 및 고진공 증류 정제 기술을 사용하여 비희토류 불순물 함량이 매우 낮은 고순도 금속 홀뮴(Ho/ΣRE>99.9%)을 개발했습니다.

현재 홀뮴의 주요 용도는 다음과 같습니다:

(1) 메탈할라이드 램프의 첨가제로 사용되었습니다. 메탈할라이드 램프는 고압 수은 램프를 기반으로 하는 가스 방전 램프를 말합니다. 전구가 다양한 희토류 할로겐화물로 채워져 있는 것이 특징입니다. 현재 주로 희토류 요오드화물이 사용되며, 가스 방전 중에 다양한 스펙트럼 라인 색상을 방출합니다. 홀뮴 램프의 광원은 요오드화 홀뮴으로, 아크 영역에서 더 높은 농도의 금속 원자를 생성하여 방사선 효율을 크게 높일 수 있습니다.

(2) 홀뮴은 이트륨 철 또는 이트륨 알루미늄 가닛의 첨가제로 활용될 수 있는 원소입니다.

(3) 홀뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷(YAG)은 2μm의 파장에서 레이저 광을 생성할 수 있는 소재입니다. 인체 조직은 2μm 레이저 빛에 대해 매우 높은 흡수 효율을 가지며, 이는 HD: YAG보다 거의 세 배나 높은 수치입니다. 의료 수술에 Ho: YAG 레이저를 사용한다고 가정해 봅시다. 홀뮴 결정에 의해 생성된 홀뮴이 없는 빔은 너무 많은 열을 발생시키지 않고 지방을 제거할 수 있으므로 건강한 조직에 대한 열 손상을 최소화할 수 있습니다.

(4) 극소량의 홀뮴을 자기 변형 합금 Terfenol-D에 추가로 통합하여 합금의 포화 자화에 해당하는 필요한 외부 필드를 낮출 수 있습니다.

(5) 홀뮴 도핑 광섬유는 광섬유 레이저, 광섬유 증폭기, 광섬유 센서, 광통신 장치 등 다양한 광전자 부품 제조에 적합하며, 오늘날 빠르게 성장하는 광섬유 통신에서 더욱 중요해질 것입니다.

에르븀(Er)

1843년 스웨덴의 과학자 모산더는 에르븀 원소를 발견했습니다. 에르븀의 광학적 특성은 매우 뛰어나서 항상 사람들의 관심사였습니다:

(1) 1550nm에서 Er3+의 발광이 특별한 의미를 갖는 이유는 이 파장이 광섬유 통신에서 광섬유의 손실이 가장 낮은 파장이며, 980nm 및 1480nm 파장의 빛에 여기된 후 에르븀 이온(Er3+)이 기저 상태 4I15/2에서 고에너지 상태 4I13/2로 전이되기 때문입니다. 고에너지 상태의 Er3+가 다시 접지 상태로 전이되면 1550nm 파장의 빛을 방출합니다. 석영 광섬유는 다양한 파장의 빛을 전송할 수 있지만 파장에 따라 빛의 감쇠율이 다릅니다. 1550nm 대역의 빛은 석영 광섬유로 전송할 때 가장 낮은 감쇠율(0.15dB/km)을 가지며, 이는 감쇠율의 거의 하한에 해당합니다.

(2) 또한 에르븀 도핑 레이저 결정과 출력 1730nm 및 1550nm 레이저는 사람의 눈에 안전하고 대기 투과 성능이 우수하고 전장 연기를 투과하는 능력이 강하며 기밀성이 우수하고 적에게 쉽게 감지되지 않으며 군사 표적을 비출 때 대비가 높습니다. 군사용으로 사람의 눈에 안전한 휴대용 레이저 거리측정기로 제작되었습니다.

(3) Er3+는 유리에 첨가하여 희토류 유리 재료를 만들 수 있으며, 이는 현재 가장 큰 출력 펄스 에너지와 가장 높은 출력을 가진 고체 레이저 재료입니다.

(4) Er3+는 희토류 업컨버전 레이저 재료의 활성 이온으로도 사용할 수 있습니다.

(5) 에르븀은 안경 렌즈, 유리 및 결정화 유리의 탈색 및 착색에도 사용할 수 있습니다.

툴륨(Tm)

툴륨은 1879년 스웨덴의 클라이브가 발견한 것으로, 스칸디나비아의 옛 이름인 툴레의 이름을 따서 명명되었습니다.

툴륨의 주요 용도는 다음과 같습니다: (1) 툴륨은 휴대용 의료용 엑스레이 기계의 방사선원으로 사용됩니다. 원자로에 방사선을 조사하면 툴륨은 엑스레이를 방출할 수 있는 동위원소를 생성합니다. 이 원소는 휴대용 혈액 방사선 조사기를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 이 조사기는 고압 중성자 빔의 작용으로 툴륨-169를 툴륨-170으로 변환하여 X-선을 방출하여 혈액을 조사하고 백혈구 수를 감소시킬 수 있습니다. 이러한 백혈구는 장기 이식 거부 반응을 일으켜 초기 장기 거부 반응을 줄입니다.

(2) 툴륨은 종양 조직에 대한 조혈 친화력이 높기 때문에 종양 진단 및 치료에 임상적으로 사용될 수 있습니다. 무거운 희토류는 가벼운 희토류보다 더 큰 친화력을 가지고 있으며, 툴륨은 가장 높은 친화력 목록의 최상위에 있습니다.

(3) 툴륨은 활성화제인 LaOBr로 사용됩니다: Br (파란색), X- 선 강화 스크린에 사용되는 형광체에서 광학 감도를 향상시켜 인체에 대한 X- 선의 노출과 피해를 줄입니다. 이전의 텅스텐산칼슘 강화 스크린과 비교하여 X-선 선량을 50%까지 줄일 수 있으며, 이는 의료 응용 분야에서 중요한 실용적 의미를 갖습니다.

(4) 툴륨은 메탈할라이드 램프와 같은 새로운 광원의 첨가제로도 사용할 수 있습니다.

(5) Tm3+를 유리에 첨가하여 희토류 유리 레이저 재료를 만들 수 있으며, 현재 가장 큰 출력 펄스 부피와 가장 높은 출력을 가진 고체 레이저 재료입니다. Tm3+는 또한 희토류 업컨버전 레이저 재료의 활성화 이온이 될 수 있습니다.

이테르븀(Yb)

1878년 장 샤를과 G. 드 마리냑은 '에르븀'에서 새로운 희토류 원소를 발견했고, 이 원소는 나중에 이터비의 이름을 따서 이터븀으로 명명되었습니다.

이터븀의 주요 용도는 다음과 같습니다:

(1) 열 차폐 코팅 재료로. 이테르븀은 전기 도금된 아연 층의 내식성을 향상시키는 데 매우 효과적이며, 이테르븀을 첨가한 코팅은 원소가 없는 코팅보다 입자가 더 미세하고 균일하며 콤팩트합니다.

(2) 자기 변형성 물질. 이 재료는 초자기 변형, 즉 자기장에서 팽창하는 성질을 가지고 있습니다. 이 합금은 주로 이테르븀/페라이트 합금과 디스프로슘/페라이트 합금으로 구성되며, 일정 비율의 망간을 첨가하여 초자기변형을 일으킵니다.

(3) 이테르븀 원소는 압력 측정에 사용됩니다. 실험에 따르면 이테르븀 원소는 보정된 압력 범위 내에서 높은 감도를 가지며 동시에 압력 측정에 이테르븀을 적용할 수 있는 새로운 길을 열었습니다.

(4) 이전에 일반적으로 사용되던 은-수은 합금을 대체하는 어금니 충치용 레진 기반 충전물.

(5) 일본 연구자들은 이테르븀 도핑 가돌리늄 갈륨 가넷 내장 회로 도파관 레이저의 제조를 완료했으며, 이는 레이저 기술의 발전에 큰 의미가 있습니다. 또한 이터븀은 형광체 활성화제, 무선 세라믹, 컴퓨터 메모리 소자(버블) 첨가제, 유리 섬유 플럭스 및 광학 유리 첨가제로도 사용됩니다.

루테튬(Lu)

1907 벨스바흐와 우르벵은 서로 다른 분리 방법을 사용하여 '이테르븀'에서 새로운 원소를 독립적으로 연구하고 발견했습니다. 웰스바흐는 이 원소의 이름을 Cp(카시오페움)로, 우르벵은 파리의 옛 이름인 루테티아를 따서 루테튬(루테튬)으로 명명했습니다. 나중에 Cp와 Lu가 같은 원소라는 것이 밝혀져 통칭하여 루테튬이라고 부르게 되었습니다.

(1) 일부 특수 합금의 제조. 예를 들어, 중성자 활성화 분석은 루테튬-알루미늄 합금으로 수행할 수 있습니다.

(2) 안정적인 루테튬 핵종은 석유 분해, 알킬화, 수소화 및 중합 반응을 촉매합니다.

(3) 특정 특성을 개선하기 위해 이트륨 철 또는 알루미늄 가넷에 원소를 추가합니다.

(4) 자기 버블 저장용 원자재.

(5) 복합 기능성 결정인 루테튬 도핑 사 붕산 알루미늄 (이트륨-네오디뮴)은 염 용액 냉각 결정 성장의 기술 분야에 속합니다. 실험에 따르면 루테튬이 도핑된 NYAB 결정은 광학 균일성 및 레이저 성능에서 NYAB 결정보다 우수합니다.

(6) 외국 관련 부처의 연구에 따르면 루테튬은 전기 변색 디스플레이와 저차원 분자 반도체에 잠재적으로 사용될 수 있는 것으로 나타났습니다.

또한 루테튬은 에너지 배터리 기술 및 형광체 활성화제로도 사용됩니다.

이트륨(Y)

1788년 아마추어 화학자이자 광물학자, 광석 수집가였던 스웨덴 군 장교 칼 아르헤니우스는 스톡홀름만 외곽의 이터비 마을에서 아스팔트와 석탄처럼 생긴 검은 광물을 발견했습니다. 그는 이 지역 지명을 따서 이터비트라는 이름을 붙였습니다. 1794년 핀란드의 화학자 요한 가돌린은 이터븀 샘플을 분석했습니다. 그는 베릴륨, 실리콘, 철의 산화물 외에도 "새로운 토양"이라고 불리는 미지의 원소인 38% 산화물도 포함되어 있음을 발견했습니다. 1797년 스웨덴의 화학자 안데르스 구스타프 에케버그는 이 "새로운 토양"을 확인하고 이트리아(이트륨 산화물)로 명명했습니다.

(1) 강철 및 비철 합금용 첨가제. FeCr 합금은 일반적으로 0.5-4% 이트륨을 함유하고 있어 스테인리스강의 내산화성과 연성을 향상시킬 수 있습니다. MB26 합금에 이트륨이 풍부한 혼합 희토류를 적당량 첨가하면 합금의 종합적인 성능이 크게 향상되며, 일부 중강도 알루미늄 합금을 대체하여 항공기 하중 지지 부품으로 사용할 수 있습니다. Al-Zr 합금에 소량의 이트륨이 풍부한 희토류를 첨가하면 전도도가 증가합니다. 대부분의 국내 전선 공장에서 이 합금을 채택하고 있습니다. 구리 합금에 이트륨을 첨가하면 전도성과 기계적 강도가 모두 향상됩니다.

(2) 엔진 부품은 6% 이트륨과 2% 알루미늄을 포함하는 질화규소 세라믹 소재를 사용하여 개발할 수 있습니다.

(3) 400와트 네오디뮴 이트륨 알루미늄 가넷 레이저 빔을 사용하여 대형 부품에 드릴링, 절단 및 용접과 같은 기계 가공을 수행합니다.

(4) Y-Al 가넷 단결정으로 구성된 전자 현미경 형광 스크린은 형광 밝기가 높고 산란광 흡수가 적으며 고온 및 기계적 마모에 대한 내성이 우수합니다.

(5) 최대 90% 이트륨을 포함하는 고이트륨 구조 합금은 저밀도 및 고융점이 필요한 항공 및 기타 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

(6) 현재 많은 주목을 받고 있는 이트륨이 도핑된 SrZrO3 고온 양성자 전도성 물질은 높은 수소 용해도가 필요한 연료 전지, 전해 전지 및 가스 센서의 생산에 매우 중요합니다. 또한 이트륨은 고온 내성 스프레이 재료, 원자로 연료 희석제, 영구 자석 재료의 첨가제, 전자 산업에서 게터로도 사용됩니다.

스칸듐(Sc)

1879년 스웨덴의 화학 교수인 L.F. 닐슨(1840-1899)과 P.T. 클레브(1840-1905)는 희귀 광물인 가돌리나이트와 실바타이트에서 새로운 원소를 발견했습니다. 이들은 이 원소를 멘델레예프가 예측한 '붕소와 유사한' 원소인 '스칸듐'으로 명명했습니다. 이들의 발견은 주기율표의 타당성과 멘델레예프의 선견지명을 더욱 확인시켜 주었습니다.

이트륨과 란탄화물에 비해 스칸듐은 이온 반경이 훨씬 작고 수산화물은 알칼리성이 훨씬 약합니다. 따라서 스칸듐과 희토류 원소를 혼합하여 암모니아(또는 매우 묽은 알칼리)로 처리하면 스칸듐이 먼저 침전됩니다. 따라서 "분별 침전" 방법을 사용하여 희토류 원소로부터 비교적 쉽게 분리할 수 있습니다. 또 다른 방법은 질산염의 분극 분해를 사용하여 분리하는 것입니다. 질산 스칸듐이 가장 분해하기 쉽기 때문에 분리 목적을 달성할 수 있습니다. 스칸듐 금속은 전기분해로 얻을 수 있습니다.

금속 스칸듐을 처리할 때는 용융 아연을 음극으로 사용하여 ScCl3, KCl, LiCl의 세 가지 물질을 혼합하고 전기분해합니다. 아연 전극에 스칸듐이 침전된 후 아연이 증발하여 스칸듐 금속만 남게 됩니다.

또한, 스칸듐은 우라늄, 토륨, 란타나이드 원소를 얻기 위해 광석을 처리하는 과정에서 매우 쉽게 회수할 수 있습니다.

우라늄, 토륨 및 란타나이드 원소뿐만 아니라 중요한 스칸듐 공급원으로 간주되는 텅스텐 및 주석 광석에서 관련 스칸듐을 회수하는 것도 포함됩니다. 스칸듐은 대부분 화합물에서 3가 상태로 존재하며 공기 중의 산소에 의해 Sc2O3 형태로 산화되기 매우 쉬워 금속의 광택이 사라지고 색이 짙은 회색으로 변합니다.

그 외에도 스칸듐의 주요 용도는 다음과 같습니다:

(1) 스칸듐은 뜨거운 물과 반응하여 수소를 방출할 수 있으며 산에도 쉽게 용해됩니다. 강력한 환원제입니다.

(2) 스칸듐 산화물과 수산화물은 알칼리성이지만 염회는 물에 거의 녹지 않습니다. 염화 스칸듐은 물에 쉽게 용해되고 공기 중에 용해될 수 있는 흰색 결정입니다.

(3) 야금 산업에서 스칸듐은 종종 합금의 강도, 경도, 내열성 및 성능을 향상시키기 위해 합금(합금 첨가제)을 만드는 데 사용됩니다. 예를 들어, 용철에 소량의 스칸듐을 첨가하면 주철의 특성을 크게 향상시킬 수 있으며, 알루미늄에 소량의 스칸듐을 첨가하면 강도와 내열성을 향상시킬 수 있습니다.

(4) 스칸듐은 반도체 산업에서 수많은 응용 분야를 찾는 원소입니다. 여러 나라에서 인기를 끌고 있는 반도체에 아황산 스칸듐을 사용하는 것이 한 가지 예이며, 이 외에도 스칸듐 함유 페라이트는 여전히 유망한 컴퓨터 코어로 사용되고 있습니다.

(5) 화학 산업에서 스칸듐 화합물은 알코올 탈수소 및 탈수제, 폐염산을 이용한 에틸렌 생산 및 염소 생산의 효율적인 촉매로 사용됩니다.

(6) 스칸듐이 함유된 특수 유리는 유리 산업에서 제조할 수 있습니다.

(7) 전등 산업에서 스칸듐과 나트륨으로 만든 스칸듐 나트륨 램프는 고효율과 긍정적 인 빛의 색상이라는 장점이 있습니다.

(8) 스칸듐은 45Sc의 형태로 자연에 존재합니다. 또한 스칸듐에는 40-44Sc와 46-49Sc 등 9개의 방사성 동위원소가 있습니다. 그 중 46Sc는 화학 산업, 야금 및 해양학에서 추적자로 사용되어 왔습니다.

Ethan Huang

저는 자석에 관한 대중 과학 글을 쓰고 있습니다. 제 기사는 주로 자석의 원리, 응용 분야, 업계 일화에 초점을 맞추고 있습니다. 제 목표는 독자들에게 유용한 정보를 제공하여 모든 사람이 자석의 매력과 중요성을 더 잘 이해할 수 있도록 돕는 것입니다. 동시에 자석과 관련된 여러분의 의견을 듣고 싶습니다. 자석의 무한한 가능성을 함께 탐구하는 동안 자유롭게 팔로우하고 참여해 주세요!

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