기능성 세라믹은 최첨단 기술을 제조하기 위해 개발된 새로운 유형의 세라믹입니다. 감지 기술, 컴퓨터 과학, 생명공학, 자동차 산업, 환경 과학 분야에서 널리 사용됩니다.
희토류 원소는 기능성 세라믹의 특성과 성능을 향상시키는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 희토류 원소는 빛, 전기, 자기, 소리, 전력, 열의 영향에 반응하는 기능성 세라믹을 강화합니다.
이 글은 기능성 세라믹에서 희토류 원소의 활용을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 자세히 살펴보겠습니다.
희토류 원소와 그 중요성:
희토류 원소(REE)는 주기율표에서 유사한 성질을 가진 17개의 원소입니다. 주기율표에서 REE 원소는 다음과 같습니다.
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란타넘(La)
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스칸듐(Sc)
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세륨(Ce)
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이트륨(Y)
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네오디뮴(Nd)
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디스프로슘(Dy)
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프라세오디뮴(Pr)
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사마륨(Sm)
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가돌리늄(Gd)
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테르븀(Tb)
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유로퓸(Eu)
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야테르븀(Yb)
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홀뮴(EU)
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프로메튬(Pm)
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루테튬(Lu)
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에르븀(Er)
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툴륨(Tm)
이 17가지 원소는 다양한 첨단 기술 장치의 핵심 요소입니다. 희토류 원소는 다양한 응용 분야를 가진 200개 이상의 제품을 제조하는 데 사용됩니다.
REE는 제조업에서 널리 사용됩니다.
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가전제품,
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개인용 컴퓨터,
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하드 드라이브,
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전기 자동차(EV),
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하이브리드 차량,
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휴대폰,
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텔레비전,
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그리고 평면 모니터 등
희토류 재료는 레이더 시스템, 소나 시스템, 유도 시스템, 레이저, 전자 디스플레이 등 방위 시스템 장비 제조에도 사용됩니다.
해당 제품에 사용된 희토류 원소의 총량은 부피, 무게, 가치에 비하면 그리 크지 않지만, 장치의 기능에는 필수적이라는 점을 언급할 가치가 있습니다.
예를 들어, 스핀들 모터와 컴퓨터 음성 코일 제조에는 총 중량보다 더 적은 양의 희토류가 필요합니다. 하지만 희토류 없이는 이러한 제품을 제작할 수 없습니다.
중국은 현재 전 세계 희토류 원소의 약 60~70%를 보유하고 있습니다. 1990년대 초, 희토류 원소의 생산, 공급, 그리고 수출은 중국 내 국가적 문제로 떠올랐습니다. 그 후 중국은 해외로 수출되는 희토류 원소의 양을 줄이기 시작했습니다.
현재 중국은 그 용도와 가용성을 고려하여 희토류 물질 7종의 수출을 제한하고 있습니다.
기능성 세라믹이란?
기능성 세라믹은 기존 세라믹 및 구조 세라믹보다 우수한 품질을 위해 개발된 세라믹입니다. 자기, 전기, 광학 엔지니어링 작업에 널리 사용됩니다.
구조, 구성, 그리고 특성이 매우 다양하며, 다양한 첨단 기술 용도로 활용될 수 있습니다.
기능성 세라믹 제조에는 원료 가공, 제형, 혼합 및 분쇄, 탈수, 전합성, 분쇄, 과립화, 성형, 소결 및 전기도금을 포함한 장기 가공 시스템이 필요합니다.
기능성 세라믹의 엄격한 가공 방법은 자기적, 전기적, 열적, 광학적, 광전적, 계면적, 기계적, 수송적, 열역학적, 열전기적, 강유전적, 생물학적 활성, 생체적합성 및 전기화학적 특성과 같은 특성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
기능성 세라믹에서의 희토류 원소 사용:
초전도 세라믹용 REE: 초전도 세라믹은 극한 온도에서도 뛰어난 전도성을 나타내는 세라믹 소재입니다. 이 소재는 반자성이 없고 저항이 없습니다. LaSrCuO, LaBaCuO, YbCuO, BaPbBi는 가장 많이 사용되는 초전도 세라믹 소재입니다. 이 소재들은 희토류 원소로 구성되어 있습니다.
희토류 원소는 세라믹의 임계 전류 밀도를 높이고 자기장 내 성능을 향상시킵니다. 초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 전달할 수 있고 자기장을 밀어냅니다. 따라서 자기장은 초전도체를 통과할 수 없습니다.
초전도 세라믹이 사용되는 주요 분야로는 정수 시스템, 슈퍼컴퓨터 제조, 자기부상열차 제조, 전력 송배전 시스템 등이 있습니다.
광학 세라믹용 REE: 희토류 원소는 광학 세라믹의 필수 요소입니다. 광학 세라믹은 투명하고 가시광선을 투과시킬 수 있는 특수 기능성 세라믹입니다.
투명 세라믹 생산에는 순수 초미세 소재 또는 고품질 결정축을 가진 등축정이 필요합니다. 이 결정은 주요 투명상이며, 고정량의 개질 첨가제를 사용하는 엄격하게 관리되는 소결 공정을 통해 생산됩니다.
희토류 원소는 광학 세라믹의 색상과 빛을 조절하고 크기를 최소화하며 에너지 효율을 높입니다.
일반적으로 사용되는 광학 세라믹의 예로는 알루미나, 삼산화 이트륨(Y2O3), 지르코늄 란탄 납 티타네이트 세라믹(PLZT), 알루미나, 산화 칼슘, 마그네시아, 산화 토륨(ThO2) 등이 있습니다.
자기 세라믹용 REES: 자성 세라믹은 단일 또는 여러 금속 원소로 구성됩니다. 자성 세라믹의 주요 원소는 철입니다. 페라이트 세라믹은 자성 세라믹의 일반적인 명칭입니다.
페라이트는 기존 자성 금속보다 저항률이 높은 반도체입니다. 와전류 손실이 적습니다.
자성 세라믹 소재는 용도에 따라 연자성 소재와 경자성 소재로 나눌 수 있습니다. 경자성 소재는 자화 및 탈자성이 매우 강합니다. 자기 저장 장치 및 자석에 사용되며, 희토류 자석과 페라이트 자석으로 구성됩니다.
반대로, 연자성 재료는 자화되기 쉽고 쉽게 자화되거나 감자될 수 있습니다. 이러한 연자성 재료의 자속 방향 또한 변경될 수 있습니다. 연자성 재료는 변화하는 자기장에 반응해야 하는 전자 부품에 널리 사용됩니다.
자성 세라믹은 결정 구조에 따라 육방정계 페라이트, 스피넬계 페라이트, 가넷계 페라이트의 세 가지 유형으로 나뉩니다. 가넷계 페라이트는 주로 기능성 세라믹에 사용됩니다. 높은 저항률과 매우 낮은 고주파 손실로 인해 극한 주파수 자기장에서 사용됩니다.
압전 세라믹용 REE: 압전 세라믹은 압전 효과를 갖는 기능성 세라믹입니다. 희토류 원소는 이러한 세라믹의 소결 성능, 전기적 특성, 그리고 압전 계수를 향상시킵니다.
압전 효과는 기계적 응력이 가해졌을 때 물질이 전하를 생성하는 능력을 말합니다. 압전 효과는 양압전 효과와 음압전 효과의 두 가지 유형이 있습니다. 응력에 의해 전하가 생성되는 것을 양의 압전 효과라고 하고, 전하로 인해 응력이 생성되는 것을 음압전 효과라고 합니다.
지르콘산티탄산납, 티탄산바륨, 티탄산납은 주로 압전 세라믹으로 사용되며, 페로브스카이트형 압전 세라믹으로 알려져 있습니다.
앞서 논의했듯이, 대부분의 초전도 세라믹은 희토류 원소를 기본 성분으로 합니다. 예를 들어, 초전도 산화물 세라믹인 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)은 이트륨과 희토류 원소로 구성되어 있으며, 분자식은 M3(Fe5O12)인 등축 결정 구조를 가지고 있습니다.
더욱이, 희토류 원소는 기능성 세라믹에 첨가제로 사용됩니다. 기능성 세라믹에 희토류 원소를 첨가하면 강도, 밀도, 응집력이 크게 향상됩니다.
자주 묻는 질문:
희토류 금속은 무엇인가?
희토류 금속은 란타넘족 15개, 스칸듐, 이트륨을 포함한 17개 원소로 구성된 금속입니다.
가전제품, 의료장비, 전기자동차(EV), 정유, 항공기 엔진, 군사용 애플리케이션, 레이더 시스템, 미사일 등에 널리 사용됩니다.
우주에서 가장 희귀한 금속은 무엇일까?
우주에서 안정된 상태로 존재하는 가장 희귀한 금속은 탄탈륨입니다. 프랑슘은 가장 희귀한 금속으로 여겨지지만, 안정된 상태나 용도가 없습니다.
세계에서 가장 희귀한 금속은 무엇인가?
란탄은 세계에서 가장 희귀한 금속으로 여겨진다.
희토류 금속을 어떻게 정의하나요?
희토류 금속은 17개의 희귀 원소로 구성된 그룹으로 정의되며, 그 중 15개는 주기율표에서 란타넘족으로 알려져 있고, 나머지 두 개는 이트륨과 스칸듐입니다.
희귀금속 금괴란 무엇인가요?
희소금속은 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 희귀 금속으로 만든 정제된 막대입니다. 자연에서 매우 희귀하며 산업 분야에서 다양한 용도로 사용됩니다.
결론: 희토류 원소는 기능성 세라믹의 기본 원소로서 그리고 성능 향상을 위한 보충제로서 다양한 용도로 사용됩니다. 희토류 원소는 이러한 세라믹에 몇 가지 우수한 특성을 더했습니다.
기능성 세라믹에 희토류 광물을 사용함으로써 현대 첨단 기술의 필수적인 요소가 되었습니다.