베릴륨
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1. 개요
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주기율표 제2족에 속하는 알칼리 토금속 원소로, 원자로의 감속재, 반사재로 쓰인다. 결정구조는 밀집육각결정, 공간군은 P63/mmc.
1797년 프랑스의 화학자 보클랭은 녹주석(Beryl)에서 미지의 금속산화물을 발견했다. 그는 이 산화물을 맛보고[1] 단맛이 났기 때문에 그리스어로 '달다'를 의미하는 '글루시늄'이라는 이름을 붙였다. 하지만 원소를 분리하지는 못하고, 1828년 독일의 화학자 뷔시와 뵐러가 각각 독자적으로 원소의 분리에 성공해, 그해에 베릴륨이라는 이름을 붙였다. 단맛이 나는 베릴륨이지만[2], 실은 발암성이 강하고, 심각한 만성 폐질환을 일으키는 맹독성 원소이다.
금속 치고는 이온화 에너지가 높아 공유 결합을 하기도 한다.
짝수의 양성자를 가진 원소이지만 안정한 동위원소는 베릴륨-9 뿐이다. 베릴륨-8은 알파 붕괴를 하는 가장 가벼운 동위원소이다. 수명도 매우 짧기 때문에 항성이 헬륨을 탄소로 융합하는 삼중알파과정에서 병목현상을 유발한다.
2. 용도
이게 공학적으로는 '''최고의 재료'''다. 두 번째로 가벼운 금속 원소로써 알루미늄의 0.7배, 철의 0.23배 정도로 지극히 낮은 비중을 가지면서도 강철에 비해서 강성이 50% 이상 높은 상식 밖의 내구성까지 갖추었다. 티타늄이랑 비슷한 거 아니냐고 할 수 있는데, 베릴륨이 갖춘 차별점은 그 가볍다는 티타늄보다도 '''훨씬 가볍고, 훨씬 튼튼하다는 것이다'''.[3][4] 가볍고 강한 장점을 살린 게 아래 사진의 스피커 같은 고음용 트위터의 진동판.
녹주석은 공업용으로 주로 쓰이며, 투명한 것은 에메랄드나 아쿠아마린 등의 보석으로 취급한다. 무색의 투명한 녹주석의 결정 내부에 크롬 이온 또는 바나듐 이온이 함유되어 녹색이 된 것이 에메랄드, 2가 철이온이나 스칸듐이 함유되어 물색이 된 것이 아쿠아마린이다. 미소녀 전사 세일러 문(애니메이션 1기)의 주요 악역인 퀸 베릴의 이름도 녹주석 베릴(beryl)에서 가져왔다.
원자력 발전에는 핵분열 후에 방출되는 중성자의 속도를 낮춰, 다음의 핵분열을 일으키기 위한 감속재가 필요하다. 베릴륨은 주로 중성자의 감속재나 반사재로서 이용된다. 아주 작고 산란단면적이 큰 베릴륨은 경수, 중수, 흑연과 함께 중성자의 감속재 및 반사재로 이용된다. 예를 들어 우라늄 원자탄의 경우 무기급 우라늄 코어를 베릴륨 반사재로 10cm의 두께로 감싸면 52kg 정도인 임계질량을 1/3 로 감소시켜 18kg 정도로 줄일 수 있다. 이는 천연우라늄을 반사재로 쓰는 것보다 효율이 좋다. 또한 적외선에 대한 반사력도 뛰어나서 인공위성의 적외선 탐사장치에 쓰이고, X선에 대한 투과성도 좋아서 X선 방사창문 등 X선 기기의 부품소재로 사용된다.
또, 구리에 1~2%의 베릴륨을 섞은 것은 '베릴륨청동'이라 불리며, 강인하고 탄력성이 있으며, 전기전도성도 높아서 전기제품 등에 쓰인다.
하지만...
- 녹는점이 1282도로 높은 편이며 반응성 때문에 용접하기 어렵다.
- 맹독성 발암물질이다. 베릴륨으로 인해 발생되는 질환은 특별히 '베릴륨증'이라고 부른다.[5] 워낙 튼튼해서 일정 형태로 가공된 후에는 별 문제가 없다고는 하지만 필연적으로 분진이 발생할 수밖에 없는 제조/가공 과정에서 심각한 문제가 생길 수 있으며, 이것때문에 최소한 도검류, 공구류, 차량 등 필연적으로 사용하면서 진동과 마찰이 발생하며 가공부위가 손상될수밖에 없는 물건에는 절대 사용할 수가 없다. 중금속 분진들이 극히 위험한 거야 대부분 다 그렇지만 연마 작업 시 발생하는 베릴륨 분진은 유독성에서 그 위험하다는 석면 분진을 가볍게 능가한다.
- 가격이 더럽게 비싸다. 베릴륨 자체가 지각에서 그렇게 희귀하지는 않지만,[6] 베릴륨의 원료인 녹주석이 채산성이 있을 만큼 모여있는 곳이 미국 유타 주 중부지역밖에 없다. 그리고 더 큰 문제는 그 녹주석을 '머티리언'[7]이라는 단 한 회사에서 독점 공급한다는 것이다. 큰 규모의 새 광상이 발견되기 전까지는 당연히 가격이 떨어질 수가 없다. 당연한 소리지만 그 광상을 저 회사에서 발견 혹은 매입을 했다면...[8]
따라서 베릴륨은 여러 용도에 적합한 아주 좋은 특성을 가진 원소이긴 하지만, 독성이 커서 가급적 사용을 피해야 하고, 사용시에는 엄격한 작업 환경을 마련하여 지키고, 베릴륨이 들어있는 각종 제품도 엄격하게 관리되어야 한다.[9]
Bigpicture 원소 기호 '빅데이터' 자료에 의하면 서적에서의 언급 빈도 순위는 55위로 기본 원소 20개 중에 '''꼴찌'''라는 굴욕을 맞이했다. 바로 윗순위가 38위인 아르곤이라는 점에서 상당히 낮은 빈도 수이다.
무게는 알루미늄보다 가볍고 강철보다 강하면서도 열변형(온도팽창계수)이 적고 적외선을 잘 반사시키는 장점을 살려 제임스 웹 우주 망원경에 사용되고 있다. 베릴륨 반사경에 적외선을 반사하는 금을 코팅해서 우주 망원경의 주반사경의 재료로 쓰고 있다. 그 덕에 반사경의 집광면적은 허블 우주 망원경의 7.3배나 되면서도 우주 망원경의 전체무게는 6.5t으로 허블의 절반밖에 안 된다.
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고성능 스피커의 진동판으로도 쓴다. 대표적인 게 포칼의 트위터이며 이어폰, 헤드폰의 진동판 소재나 코팅재로도 알음알음 쓰이고 있다.베릴륨 소재의 부품이 들어간 제품엔 하나같이 특히나 위험하다고 주의사항 설명란을 크고 빽빽히 적어놓은 것을 볼 수 있을 것이다.
[1] 연금술적 전통이라고 해야 될 것이다. 연금술에서는 물질을 '''직접 냄새를 맡거나 맛을 보는 방법으로''' 많이 구분했다. 물론 현대 화학 실험에서 저 짓하다가는 고문관으로 찍히는 건 물론이고 좀 심하게 위험한 물질이라면 그냥 혀끝 갖다댄 것만으로도 죽거나 혀를 자르게 되는 수가 있다.[2] 베릴륨의 단맛 때문에 예전에는 '''베릴륨을 먹기도 했다.''' [3] 그도 그럴 것이 주기율표상 4번인 데다 비중도 1.85밖에 안 돼서 동 부피일 때 '''티타늄의 40%, 강철의 1/4 정도의 무게밖에 안 나간다.''' 더 가벼운 금속으로 리튬이 있기는 하지만 얘는 튼튼하지도 않은 데다 알칼리 금속이라 물만 닿았다 하면 폭발하기 때문에 산업 소재로는 당연히 못 쓴다.[4] 또한 티타늄은 통념과는 다르게 그렇게 튼튼한 소재가 아니다. 순수 티타늄은 강철보다도 무르며 합금으로 만들었을 때에도 비싼 강철 합금과 비슷한 수준이다. 고급 강철 합금과 비슷한 강도를 갖추면서도 그 강철 합금의 절반 정도로 매우 가볍기 때문에 티타늄이 우수한 재료라고 하는 것이다. 그런데 그 강철 합금보다 더 튼튼하면서 비교도 못 할 정도로 가벼운 베릴륨은 그야말로 현실판 미스릴이라고 해도 과언이 아니다.[5] 짧은 시간 동안 고농도의 분진에 노출되면 급성 폐렴 증세가 나타나며, 긴 시간동안 낮은 농도에 노출되면 폐, 간, 피부, 피하조직, 림프절 등에 염증성 종양이 생성된다.[6] 원소mg/지각kg 기준 2.8 정도로, 주석보다 조금 많은 수준이다. 56,300인 철이나 5,650인 티타늄과는 비교도 안 되는 수준으로 적지만 텅스텐보다도 두 배 이상 많으며 함유량이 0.0X 자리에서 노는 은 이리듐 팔라듐 등의 희귀 금속보다는 훨씬 많다.[7] Materion. 1940년대부터 브러시 웰맨이라는 이름으로 베릴륨 재료를 생산해 온 미국의 기업. 2011년 현재의 사명으로 변경하였다.[8] 2020년 기준으로 베릴륨의 가격은 kg당 약 850달러로 은보다 비싼 어마어마한 수준이다. 텅스텐도 kg당 33달러, 티타늄도 kg당 11달러 정도고 순철은 kg당 0.4달러 수준으로 가격이 형성되어 있다. 귀금속 은도 kg당 520달러 정도다. 그야말로 폭리다.[9] 베릴륨 트위터를 쓰며 자사의 베릴륨 가공 특허를 가지고 있고 고급 음향기기 회사로 유명한 포칼의 스피커를 사면 사용 설명서에 장장 한 페이지에 걸쳐 베릴륨 관련 주의사항이 빼곡히 나열되어 있다. 보호그릴 벗기지 마라, 피부나 호흡기에 절대 닿게 하지 마라, 혹시 체내에 흡수되면 즉시 의사한테 달려가라, 버리려면 반드시 재활용 센터에 맡겨라 등등... 심지어 파손 시 베릴륨 처리 용으로 쓰는 테이프와 봉투까지 동봉해준다.