안녕하세요, 송송입니다. 서두는 각설하고 계속 이어서 19번 칼륨부터 22번 티타늄까지 함께 알아가보도록 하겠습니다.
19. 칼륨, 포타슘(K, Potassium)
| 분류 | 데이터 |
| 원자번호, 양성자 수 | 19 |
| 원자가 전자 수 | 1 |
| 원자량 | 39.0983 |
| 녹는점 | 63.65 ℃ |
| 끓는점 | 774 ℃ |
| 밀도 | 0.862 |
| 상온에서의 홑원소 상태 | 금속 - 고체 |
| 주요 화합물 | KOH(수산화칼륨), KNO3(질산칼륨), KCl(염화칼륨), K2SO4(황산칼륨) 등 |
| 동위 원소 | 39K(93.2581%), 40K(0.0117%), 41K(6.7302%) |
- 원소 이름의 유래 : 아라비아어 "알칼리(Qali)"
칼륨(K)은 알칼리 금속에 속하는 금속 원소이며, 칼로 자를 수 있을 정도로 매우 무르며, 화학 반응성이 아주 큰 은백색 고체 금속입니다. 공기 중에서 쉽게 산화되고, 물과는 많은 열과 수소 기체를 내면서 격렬히 반응하고 폭발하기도 한다. 따라서 금속 칼륨은 아르곤과 같은 비활성 기체 하에서 기름이나 석유에 담가 보관하고 있죠.
반도체 분야에서의 칼륨(K)은 알칼리세정제로써 KOH(수산화칼륨) 화합물로 Si wafer 세정에 널리 사용되고 있습니다.
20. 칼슘 (Ca, Calcium)
| 분류 | 데이터 |
| 원자번호, 양성자 수 | 20 |
| 원자가 전자 수 | 2 |
| 원자량 | 40.078 |
| 녹는점 | 839 ℃ |
| 끓는점 | 1484 ℃ |
| 밀도 | 1.55 |
| 상온에서의 홑원소 상태 | 금속 - 고체 |
| 주요 화합물 | CaO(산화칼슘), CaF2(플루오르화칼슘), CaCl2(염화칼슘), CaSO4(황산칼슘), CaCO3(탄산칼슘) 등 |
| 동위 원소 | 40Ca(96.941%), 42Ca(0.647%), 43Ca(0.135%), 44Ca(2.086%), 46Ca(0.0004%), 48Ca(0.187%) |
- 원소 이름의 유래 : 라틴어 "석회(Calx)"
칼슘(Ca)는 대리석이나 석회석의 주요 성분인 탄산칼슘(CaCO3)나 척추 동물의 뼈를 이루는 인산칼슘(CaHPO4)에서 생성되는데요, 칼슘은 인체에 가장 많이 함유된 금속 원소이며 우리에겐 필수영양소이죠. 칼슘의 경우는 반응성이 높은 알칼리 토금속으로, 여러 비금속 원소들과 반응이 쉽게 일어납니다. 그렇기 때문에, 공기에 노출되면 산화칼슘(CaO)을 만들죠.
겨울철 실생활에서도 많이 사용되고 있는데요, 우리가 제설을 할때 뿌리는 친구가 바로 염화칼슘(CaCl2)이죠. 이에 대한 원리는 눈에 염화칼슘을 뿌리게 되면 물의 어는점이 0 ℃보다 낮아져 얼음이 녹게 되는것이죠.
산업에서도 칼슘이 유용하게 사용되고 있는데요, 세라믹 분야에서 시멘트, 강철 제조에 필수로 사용되고 있으며, 유리 제작에서도 첨가물로써 사용되고 있습니다.
2020년도에는 배터리 분야에서도 이용해보려는 연구가 있었는데요, 기존 리튬 배터리에서 칼슘을 이용한 배터리에 대한 연구가 진행되었었습니다.
반도체 분야에서는 제조공정에서 발생하는 폐수 슬러지(CaF2가 주성분임)으로 현재 이를 재활용 또는 환경적으로 정화하기 위한 노력이 진행되고 있습니다.
21. 스칸듐 (Sc, Scandium)
| 분류 | 데이터 |
| 원자번호, 양성자 수 | 21 |
| 원자가 전자 수 | - |
| 원자량 | 44.955908 |
| 녹는점 | 1541 ℃ |
| 끓는점 | 2831 ℃ |
| 밀도 | 2.989 |
| 상온에서의 홑원소 상태 | 금속 - 고체 |
| 주요 화합물 | - |
| 동위 원소 | 45SC(100%) |
- 원소 이름의 유래 : 라틴어 "스웨덴(Scandia)"
스칸듐(Sc)은 화학적 성질이 알루미늄(Al)과 비슷합니다. 녹는점은 알루미나보다 높지만, 지구상에 존재량이 적어 고가라 산업에서는 크게 각광받지 못하고 있죠.
가격이 비싸기 때문에 용도에 적절한 곳이 아니면 사용되지 않고 있습니다. 따라서 스칸듐(Sc)은 태양처럼 밝은 조명을 만드는데 쓰이는 물질로, 요오드화스칸듐을 수은 등의 광원에 첨가하면 밝기가 매우 밝아져 강한 빛을 내야하는 야구장, 야외 경기장 등 야간 조명이 필요한 곳에 사용되고 있습니다.
22. 티타늄, 타티타늄, 티탄(Ti, Titanium)
| 분류 | 데이터 |
| 원자번호, 양성자 수 | 22 |
| 원자가 전자 수 | - |
| 원자량 | 47.867 |
| 녹는점 | 1660 ℃ |
| 끓는점 | 3287 ℃ |
| 밀도 | 4.54 |
| 상온에서의 홑원소 상태 | 금속 - 고체 |
| 주요 화합물 | TiO2(산화티타늄), TiN(질화티타늄) 등 |
| 동위 원소 | 46Ti(8.25%), 47Ti(7.44%), 48Ti(73.72%), 49Ti(5.41%), 50Ti(5.18%) |
- 원소 이름의 유래 : 그리스 신화에 등장하는 거인 "타이탄(Titan)"
티타늄(Ti) 강하고 가벼우며 녹이 슬지 않는 우수한 특징을 갖고 있습니다. 금속 중에서는 4번째로 많으며 화성암으로 이루어진 모래에 많이 존재합니다. 티타늄(Ti)는 거의 완벽에 가까운 물질이라고도 할 수 있을 정도로, 강철만큼 강하면서도 무게는 강철의 절반밖에 되지 않고 생체 친화도가 높고 광촉매 기능을 하기도 합니다. 다만, 강도가 높은 이런 장점은 가공이나 제련이 어려운 단점으로도 작용하죠. 그렇기 떄문에 풍부한 매장량임에도 값이 비쌉니다.
특히, TiO2는 광촉매로 각광받고 있는데요, 일반적으로 광촉매 반응의 원리는 TiO2 표면에 Band gap 이상의 에너지를 갖는 파장의 UV를 조사할 경우, TiO2 표면에 전자(-)는 Valence band에서 Conduction band로 전이가 일어나게 되고, 이로 인해 Valance band에는 정공(hole)이 생성되게 됩니다.
* Energy band gap에 대해 이해되지 않는 분들은 아래 포스팅을 참고해주세요!
(반도체에 기본 베이스랍니다!)
2023.07.14 - [분류 전체보기] - [반도체] 간단히 알아보기 @ Energy band gap
[반도체] 간단히 알아보기 @ Energy band gap
안녕하세요, 송송입니다. 저번 시간에는 반도체에 대해서 아주 살짝 찍어 먹은 듯 했습니다. 실제로, 반도체에 대해 더 자세하게 말하고 싶지만, 그렇게 되면 기초적인 부분을 다 설명하고 넘어
ssongsong23.tistory.com
이렇게 생성된 전자와 정공은 TiO2 표면으로 확산 이동하게 되는것이죠. TiO2 표면에 흡착된 물이나 OH-과 정공(hole)이 반응하여 OH Radical을 생성하기도 하며, 수중에 존재하는 산소의 경우에는 전자와 반응하여 O2- Radical을 생성하여 TiO2 표면의 유기물질 등을 분해하게 됩니다.
티타늄 합금은 우수한 경량 및 고온 저항 및 내식성으로 자동차 부품에 많이 사용되고 있고, 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다.
반도체 분야에서는 금속 배선 공정에 사용되고 있습니다. 이때 대표적으로 알루미늄(Al), 텅스텐(W)과 같이 티타늄(Ti)가 사용되고 있습니다. 티탸눔은 웨이퍼와 부착성이 좋고, 전기 저항이 낮으며, 열적 화학적 안정성이 우수한 장점이 있기 때문입니다.
배터리 분야에서도 티타늄은 빠지지 않고 사용되고 있습니다. 리튬이온전지의 용량과 안정성을 높이는 티타늄 음극재 소재에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이는 부피 변화가 적고 다양한 온도 범위에서도 구조적 안정성을 유지할 뿐만 아니라 고용량과 긴 수명을 갖는다는 장점이 있다고 합니다.
티타늄(Ti)는 우리 실생활에서도 많이 보이는 정말 유용한 물질입니다. 제가 소개해드린 용도 외에도 많죠.
더욱이 대표되는 사용처나 적용되는 분야가 있다면 댓글로 적어주세요~ 저도 참고하겠습니다.