희토류

앞으로의 전쟁은 자원을 무기화 하는 경제전쟁이 시작된다

최근 ‘희토류’라는 낯선 단어가 지면에 자주 등장하고 있다. 희토류는 리튬, 크롬, 망간 등과 같이 매장량이 매우 적은 희귀금속의 한 종류로서 스칸듐, 이트륨, 란탄이 포함된 17개 원소를 말한다. 

稀土類元素 rare earth elements, rare earth metals는 주기율표의 17개 원소의 통칭으로 스칸듐과 이트륨, 그리고 란타넘족 원소를 말한다. 종종 악티늄족 원소를 포함시키는 경우도 있다.

희토류"라는 이름은 지구상에 거의 존재하지 않는 원소들이기 때문에 붙여졌다.

이원소로 인해 일본이 중국과 영토마찰을 하는 도중에 중국에게 참패를 하였다.

[이 희토류가 현대산업의 첨단 혁심 소재로 전기자동차 LCD 휴대폰용 축전지 등에 꼭 있어야 하는 중요재료다.]


희토류 원소들의 기호 특성과성질

이트륨 (Yttrium)이트륨은 화학 원소 로 기호는 Y이고 원자 번호 는 39이다. . 은색을 띠는 전이 금속 으로 희토류 원소 중 가장 흔하다. 

텔레비전 컬러 텔레비전 에서 빨간색을 내는 데에 이트륨 화합물이 사용된다 



1
이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide)는 초전도체 물질 중 하나로 임계 온도는 90K(-183℃)에서 93K(-180℃)로 비교적 높아 경제적인 초전도 합금 중 하나이다. 

90K은 산소의 끓는점으로 값이 비싼 액체 헬륨(-268℃)보다 비교적 값이 싸고 반응성이 적은 액체 질소(-196℃)로 초전도체를 만드는 게 가능해졌다. 처음의 임계 온도는 93K, 

즉 -180도였다. 첫 샘플은 Y1.2Ba0.8CuO4 이트륨-바륨-산화 구리이다.

이트륨 바륨 구리 산화물은 다음과 같이 만든다.

2
스칸듐(scandium)은 화학 원소로 기호는 Sc이고 원자 번호는 21이다. 무르고 은백색의 전이 금속 원소로, 스칸디나비아에서 산출되는 희귀 광물이다. 

이트륨과 란타넘족 원소와 함께 희토류로 분류하기도 한다.


3
란타넘(영어: lanthanum 랜서넘[*] [ˈlænθənəm]) 또는 란탄(독일어: Lanthan)은 화학 원소로 기호는 La(라틴어: Lanthanum), 원자 번호는 57이다. 란탄은 은백색의 금속으로 

대개 란탄족으로 분류한다. 세륨이나 희토류 원소와 함께 산출된다. 란탄은 가단성과 연성이 있고, 칼로 자를 수 있을 만큼 무르다. 희토류 원소 중에 가장 반응성이 크다.

란탄 금속은 탄소, 질소, 붕소, 셀렌, 규소, 인, 황, 할로겐 등과 직접 반응한다. 공기와 접촉하면 급격하게 산화한다. 차가운 물과는 느리게, 뜨거운 물과는 빠르게 반응한다. 

공기 중에 그냥 두면 빠르게 색깔이 변한다. 모나자이트와 배스트내사이트 등 희토류원소가 들어 있는 광석에서 발견된다. 또한 우라늄, 토륨, 플루토늄의 핵분열로 원자로에서도 

만든다. 스웨덴의 화학자인 무산더가 1839년에 처음으로 란탄을 확인했다.

란탄의 원소기호는 La, 원자번호는 57, 원자량은 138.906이다. 녹는점은 921℃이고, 끓는점은 3457℃이다. 란탄은 라이터 돌을 만드는 데 쓰이는 미시메탈이라는 합금을 이룬다. 

산화란탄을 카메라 렌즈용 유리에 첨가하면 빛의 굴절률이 높아진다.

4
악티늄(actinium, 문화어: 악티니움)은 화학 원소로 기호는 Ac, 원자 번호는 89이다.

악티늄은 1899년 처음 발견되었다.



일반적 성질 
족, 주기, 구역 n/a, 7주기, f-구역 
화학 계열 악티늄족 
겉보기 은색 
원자 질량 (227) g/mol 
전자 배열 [Rn] 6d1 7s2 
준위별 전자 수 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2 
물리적 성질 
상태 고체 
밀도 (실온) 10 g·cm−3 
녹는점 약 1323 K 
끓는점 3471 K 
융해열 14 kJ/mol 
기화열 400 kJ/mol 
열용량 (25 °C) 27.2 J/(mol·K) 
원자의 성질 
산화수 3 (중성 산화물) 
전기 음성도 1.1 (폴링 척도) 
이온화 에너지 1차: 499 kJ/mol
2차: 1170 kJ/mol 
원자 반지름 195 pm 
그 밖의 성질 
결정 구조 면심 입방구조 
열전도율 (300 K) 12 W/(m·K)

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[희토류 원소를 이용해 만드는 2차 전지의 원리]

현재 개발하고 있는 리튬 이온 이차 전지는 Li 산화물 양극과 탄소 음극, 유기 용매로 이루어진 전해액의 3부분으로 구성되어

있습니다. 양극 활물질에 포함된 Li 이온은 전해액에 의하여 음극으로 이동된 후 층상구조의 음극 활물질 사이로 삽입되게 되는데

이를 충전이라고 합니다.충전 과정에 의해 양극과 음극의 포텐셜의 차이가 발생하게 되고 이를 전지의 전압이라고 부르며 통상

리튬 이온 2차 전지의 경우 전압이 4.2V 가 될 때까지 충전을 수행합니다. 방전은 음극 활물질 사이에 삽입되어 있던 리튬이온이

다시 양극으로 이동할 때 발생하는 전자의 흐름을 이용하여 전기를 얻는 과정입니다.

 

작동원리

전기화학적 산화-환원 반응에 의해 발생하는 리튬이온의 이동(방전)으로 전류(전기)가 발생, 그 역방향은 충전

 

[리튬이온전지의 충방전 원리]

리튬이온의 물질 상태가 양극과 음극에서 서로 다르며, 이로 인한 물질의 고유 에너지 상태가 발생

에너지 상태의 차이를 전위차(전압)라 하며 전위차에 의해 전자가 이동(높은 곳에서 낮은 곳으로), 전류(전기)가 발생

방전 : 전자는 導線을 통해, 전자를 잃은 리튬이온은 전해질을 통해 음극 → 양극으로 이동

충전 : 외부 힘(충전기)에 의해 전자는 도선을 통해, 전자를 잃은 리튬 이온은 전해질을 통해 양극 → 음극으로 이동하여

음극활성물질(Carbon)의 층구조 사이에 저장된다

[구성요소]

물질 종류에 따른 2차 전지 구분 구성요소 역할및 소재

양극

(Cathode) 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활성물질 (리튬코발트옥사이드, LiCoO2)이 환원되는

전극)알루미늄 Foil

음극

(Anode) 음극 활물질(흑연, Carbon)이 산화되면서 導線으로 전자를 방출하는 전극

구리 Foil

분리막

(Separator) 양극과 음극의 전기적 접촉을 막는 다공성 막

폴리에틸렌 or 폴리프로필렌

전해질

(Electrolyte) 양극과 음극간의 이온 이동을 가능케 하는 중간 매개체

Liquid, Gel, Solid 형태의 화합물

　

[각형] Al Pouch

Safety Vent : 전지 Short 합선될 시에 가스가 발생하여 내압 상승으로 부풀어 올라 양극 리드 선을 끊어 전류를 차단하는 안전장치

 

PTC(Positive Temperature Coefficient) : 온도가 일정 수준 이상으로 상승하면 저항이 증가, 전류를 억제하여 전지가 수용

 

가능한 전류 수준으로 제어하는 안전장치

각형/폴리머

 

구분 : 두께(10-1mm) × 폭(mm) × 높이(mm)

예) 453048 : 두께 4.5mm × 폭 30mm × 높이 48mm

 

주요 활용 분야 : 휴대폰, PDA, Slim형 Note PC 등

 

Pack 종류 및 구조

Pack이란? : User의 다양한 전력 요구사항을 만족시키기 위하여 Cell을 User의 요구에 맞도록 직병렬

배열하거나, 특정 기기에 손쉽게 탈착, 삽입이 가능토록 구성한 전지 또는 전지 조합품

Smart 회로 : 전지 잔류용량, 사용 횟수 등을 PC에 알려줄 수 있는 Intelligent 회로

보호 회로 : Pack화 될 때 장착되며 과전류, 과전압, 과열시 導電을 차단한다.

　

[앞으로 희토류와 같은 희귀 금속은 자원무기로 사용될 소지가 많으므로 대체 재료를 개발을 하든지 또 다른 물질을

많은 연구를 통해서 발견해야 하는 것이 기업의 생존에 관한 또 다른 과제이다.