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붕소란 무엇인가? 붕소는 준금속 화학 원소로 원자번호 5번 입니다. 이 원자는 자연에서는 존재 하지 않고 붕산석이나 붕산염과 같은 광물로 산찰 됩니다. 이 붕소의 단단함은 어떻게 다루냐에 따라서 다이아몬드 다음으로 단단함을 가지기도 합니다. 색은 흑색에 가깝고 녹늑점은 2076°C, 끓는 점은 3927°C로 가공하기 위해서는 굉장히 높은 온도를 사용하여만 합니다.

5개의 전자들로 구성되어 있으며 지구 껍질에서의 존재비는 0.001%로 비교적 유니크한 물질 이지만, 저희 몸은 붕소를 가지고 있습니다. 성인에게 약 10mg정도 존재하며 특히 뼈에 많이 들어 있습니다.

물론 칼슘, 마그네슘과 같이 뼈를 구성하는 성분은 아니지만 뼈의 성장에 관여하는 효소를 돕습니다. 즉 뼈와 다른 미네랄의 손실을 막아주어 여성에 경우는 골다공증의 예방, 면역력과 염증의 치유능력을 정상화 시키기도 합니다.

붕소의 쓰임새는 순수환 용도로는 별로 이용되지 않으나, 붕소와 다른 원소를 이용한 화합물은 우리 주변에서 자주 활용 됩니다.  

탄소, 질소와 화합물을 형성한 탄화붕소, 질화붕소는 다이아몬드보다 단단해 방탄조끼, 군용 차량, 금속 연마제 등으로 널리 사용되고 있습니다. 유리에 산화붕소를 첨가하면 열팽창률이 낮아져 견고해집니다. 붕소는 값비싼 물질이 아니어서 대부분의 유리컵은 산화붕소를 이용한 내열 처리가 되어 있습니다.

DAWONMEDAX라는 회사에서 개발한 BNTC방식에도 붕소의 원리를 이용합니다. BNCT(붕소 중성자 포획) 치료에 쓰이는 붕소는 붕소-10(10B)이며, 정상세포에 비해 암세포에 선택적으로 모이는 붕소물질의 특성을 이용한 것으로, 붕소의 농도가 정상조직이나 혈액보다 암세포 내에서 3배 이상 높고 이에 따라 중성자를 더 많이 흡수할 수 있을 때 적용 가치가 커지는 것을 이용합니다.

암환자에게 붕소 약물을 주입하면, 암세포가 붕소를 선택적으로 섭취하여 함유하게 되고

이 상태에서 의료용 가속기를 활용하여 발생시킨 중성자를 암 세포에 조사하면 인체에는 무해한 중성자가 인체를 통과하면서 붕소를 함유한 암세포에서만 핵분열이 발생하여 고 에너지의 2차 입자들에 의해 정상세포의 손실 없이 암세포만 사멸된다고 합니다.

일본에서 우리나라에 붕소 공급을 요청한 적이 있습니다. 그 이유는 바로 붕소가 원자로 냉각에 사용되기 때문 입니다.

붕소는 핵분열을 막는데 꼭 필요한 감속재로 원자로 냉각에 꼭 필요하기에 과거에 일본이 붕소의 공급을 요청한적이 있습니다.

앞서 내용을 언급했듯이 저희 몸에는 미량의 붕소를 가지고 있습니다. 그렇다면 붕소를 많이 먹는게 좋을까?  붕소 결핍에 의한 증상은 크게 문제 되지 않으며, 보통 붕소는 과일, 채소, 콩, 감자 등에 포함되어 있어 충분한 보충이 되고 있다고 보면 됩니다.

칼슘, 마그네슘성분이 과다할 때, 붕소의 함량이 높은 물을 복용하면 붕소의 증가가 동반될 수 있습니다. 과다할 경우는 오심, 구토, 설사, 피부염, 기면, 소변으로 칼슘손실 증가, 에스트로겐 호르몬의 감소와 같은 독성 증상이 생길 수도 있으며, 진통제, 항생제, 비충혈제거제, 항히스타민제, 지사제, 제산제, 살충제, 먼지 등에 붕소의 함량이 많으므로 장기적 사용은 좋지 않다고 합니다.

1.Be(베릴륨)이란?

원자번호 4번인 베릴륨은 독성을 가지고 있는 1급 발암물질이며, 가볍고 단단한 은백색 금속입니다. 경금속 중에서는 녹는점이 가장 높으며, 단맛이 난다고 합니다. 실제 많은 과학자들이 정말 단맛인지 목숨을걸고 맛을 보다가 폐질환을 앓고 사망했다는 이야기가 있을정도로 독성이 강한 물질입니다.

4개의 전자를 가지고 있는 베릴륨은 2가 양이온으로써 2가 음이온과 1:1로 결합하여 다른 많은 물질들과 화학적 결합을 쉽게 할 수 있습니다. 이러한 점으로 생활속에서 순수한 베릴륨 금속을 찾아 보기는 쉽지 않습니다. 우리가 가장 쉽게 접할 수 있는 베릴륨은 다른 원자들과 결합된구조로 많이 찾아 볼 수 있습니다.

2. 독성은 있지만 버릴 수 없다?(탄성력, X선 통과)

베릴륨(Beryllium)을 가공하려면 이를 가루로 만들어야 합니다. 이 때 가루들이 폐로들어 가게 되면 베릴륨증으로 폐질환을 일으키게 됩니다. 실제로는 치과용 재료로 많이 사용되었으며, 현재는 베릴륨 함량을 0.02%로 이하로 기준을 낮추 었지만 여전히 안전하지 않다는 의견들이 많이 있습니다. 과거에 독일에서는 베릴륨의 독성을 이용하여 무기로도 사용했었습니다. 이러한 위험한 물질인 베릴륨을 사용할 수 밖에 없는 이유는 탄성력과 X선이 통과할 수 있기 때문입니다.

2-1. 베릴륨의 탄성력

보통의 스프링이 85만번을 눌렀다 펴면 탄성회복력을 잃어버리는 반면 베릴륨 합금은 200억 번의 진동에도 끄떡없다고 합니다. 

이러한 베릴륨의 장점으로 시계의 부품이나 혹은 베릴륨구리 골프체등 장시간의 탄성력 유지가 필요한 제품에 많이 사용됩니다.

2-2 베릴륨의 X선 통과

화학적으로 알류미늄과 비슷한 성질을 보이며 가벼운 베릴륨은 X-선과 고에너지 입자를 흡수하지 않고 잘 통과시키기 때문에 X선관의 창, 방사광 및 입자물리학 실험 장치의 필터나 창으로 사용 됩니다.

이러한 특징을 가지고 있는 베릴륨은 우주선이나, 항공쪽 분야에서도 많이 사용되고 있습니다만, 환경오염 문제로 인해 다른 금속으로 많이 대체 되고 있는 베릴륨은 향후 안전하게 가공될 수 있는 물질인지 의문이 들게 합니다.

1. 원자번호 3번 리튬이란?

리튬이란 원자자체 보다도 저희는 리튬이온,리튬폴리머,리튬코인 배터리(Battery)에 대해서 많이 접해 보셨을 것입니다.

배터리(Battery)에 주원료로 사용되는 리튬(Lithium)은 1817년 스웨던의 화학자 요한 아르프베드손(john August Arfwedson)에 의해서 발견 되었습니다.

리튬(Lithium)은 각 3개의 양성자,중성자,전자로 이루어져 있으며, 밀도가 매우 낮기 때문에 물에 뜰 수 있는 가장 가벼운 금속입니다. 또한, 리튬은 아칼리 금속 원소이기에 불꽃 반응색은 진한 붉은색입니다.

2. 배터리(Battery) 리튬(Lithium)을 사용하는 이유?

배터리는 리튬 이온(li-ion), 리튬 폴리머(li-polymer)과 같이 리튬(Lithium)을 사용하는 이유는 무엇일까? 리튬전에 원래 배터리는 대부분 니켈이 주원료 였습니다. 배터리란 화학반응으로 전기를 만드는 장치로.  한쪽에서는 +극의 전자를 받아들이고 다른 한 쪽은 전자를 보내주기 때문에 음(-극)이 됩니다.

과거에는 망간전지라고 불리는 망간을 양극, 아연을 음극으로도 사용 했습니다. 최근에는 망간을 알카라인으로 바꾼 것을 주로 이용하는데, 이는 에너지 밀도가 망간보다 커 더 장시간 이용할 수 있습니다. 하지만 이는 한번 쓰면 화학반응이 이미 끝나기 때문에 그대로 폐기해야하는 1회용 즉, 1차전지로 분류 되는 것입니다.

이러한 문제점을 1회용이 아닌 충전식 2차전지를 대표할 배터리로 리튬이온 배터리가 나오게 되었습니다. 

보통 리튬이온 전지는 리튬을 산화시켜 전자를 분리합니다. 분리된 전자는 전선으로 이동하고 리튬 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하게 되면서 방전하게 됩니다.

충전은 양극에 포함된 전이금속이 산화되어 늘어나는 양이온의 양만큼 리튬이온이 음극쪽으로 방출하게 됩니다.

3. 리튬(Lithium)의 경제적 가치

리튬에 경제적 가치는 꾸준히 올라갈 것으로 보여집니다. 최근에는 노트북이나, 휴대전화에 대부분의 리튬이온, 폴리머 배터리가 사용되었지만, 향후에는 전기자동차 시대를 맞이하여 리튬의 가치는 더욱더 상승할 것으로 보여집니다. 

전기차에 들어가는 리튬이온 전지의 양은 노트북이나 휴대전화의 수백배에 달하기 때문입니다. 이러한 리튬의 경제적 가치가 계속상승할 것 인지 아니면 리튬을 대체할 원자재가 나올 것인지는 많은 사람들이 관심을 가지고 보고 있습니다.

1.원자 번호 2번 헬륨이란?

헬륨은 영국의 과학자이자 천문학자인 노만로커(N.Lockyer)와 프랑스 과학자 피에르 얀센(Pierre Janssen)에 의해서 발견된 물질로 1주기 18족에 속하는 비활성 기체입니다. 우주에서 대략 24%를 차지하고 있다고 알려져 있으며, 끓는 점이 가장 낮은 물질 입니다. 

헬륨의 구성 모양은 수소보다 복잡해 보이지만, 다른 원자에 비해 전자 2, 양성자2, 중성자2개로 대체적으로 간단한 구조 입니다. 

2.우주에 수소75%, 헬륨 24%

우주전체에서 가장흔한 원소는 수소 다음으로 헬륨 입니다. 그 이유는 원자의 가벼움 때문이라고 할 수 있습니다.  하지만 수소는 지구상에서도 흔한 원자이지만 헬륨은 희귀한 원자 입니다.

예를 들어 보면 헬륨을 넣은 풍선을 생각해보시면 됩니다. 중력이 잡을 수 없을 정도로 가벼운 헬륨은 대부분 특별한 공정 혹은 보관을 거치지 않고는 우주 공간으로 빠져나갑니다. 그렇다면, 수소가 헬륨보다 더 가벼운데 수소는 지구상에 흔하고 헬륨이 희귀한 이유는 무엇일까요?

그 이유는 헬륨은 불활성 기체이기 때문입니다. 수소는 다른 원자 및 유기물들과 화학적 상호작용에 자유로운 반면 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 이 6가지는 불활성 기체로 원자 각각이 독립적으로 존재하며 화학적 상호작용에 관여하지 않기 때문입니다.

3. 0.005% 헬륨 고갈 위기

현재 지구상에서 생산 및 사용되고 있는 헬륨가스는 모두 쳔연가스로부터 추출 됩니다. 헬륨을 추출할 수 있는 천연가스 전은 10여개정도 뿐이여서 2030년에는 헬륨이 고갈될 위기라고 합니다.

끓는점이 낮은 헬륨은 초저온 냉각제, 산소통, 플라즈마 반도체 공정등 은근히 많이 사용되는 원소이기에 헬륨이 사용되는 공정 및 기술관련 분야 경제시장에 많은 영향을 끼칠것으로 보여집니다.

1. 원자 번호 1번 수소 란?

수소는 영국의 화학자이자 물리학자인 H. Cavendish(헨리 카번디시)에 의해서 발견 되었다고 알려져 있습니다.  색, 냄새, 맛이 없으며 가장 가벼운 기체로 우주에 75%는 수소로 이루어져 있다고 합니다.

현재 수소는 연료 전지, 수소 전지 자동차 등 수소는 미래의 연료라는 말이 나올 정도로 많은 용도에 사용 되며, 인체 꼭 필요한 원자 입니다.

수소는 하나의 양성자(빨간색) 하나의 최외각전자(파란색)으로 구성되어 있습니다.  보통 수소를 이용한 연료 생산 방식을 보면 물을 이용 하는 방법이 있습니다. 물을 전기적으로 분해를 하면 2개의 수소 원자를 얻을 수 있습니다.

이 수소를 따로 저장하여 공기 중 산소를 전기적화학반응을 통해 생성된 전기를 동력으로 활용합니다. 이를 이용하여 저장된 전기를 사용하는 방법이 있습니다. 그 외에 수소자체를 압축하여 수소 탱크를 이용하는 방법이 있습니다.

2. 수소의 폭발성? 수소는 위험성?

수소는 공기보다 14.5배나 가벼워 대기 중으로 순식간에 확산 됩니다. 그렇다면, 수소 전기차나, 수소 연료전지는 과연 안전하다고 볼 수 있을까?

보통 수소에 폭팔성을 가지고 있는 동이원소는 중수소, 삼중수소입니다. 중수소 2개를 핵융합시키면 양성자와 삼중수소가 나오며 엄청난 에너지가 나옵니다. 이는 폭발성과 위험도가 높다고 볼 수 있습니다. 

하지만, 중수소와, 삼중수소는 얻기는 쉽지가 않으며 자연상태에서는 극소량(0.015%이하)으로 존재하며, 수소전기차나 연료로 사용되는 수소는 위 2가지 원소와 반응원리나 개념 자체가 다릅니다. 

보통 수소탱크는 투과시험, 극한온도 반복시험 등을 통해서 가스 누출 평가 기준에 만족함을 평가 받으며, 평상시 수소가스 누출 위험성은 거의 없습니다만,

수소탱크에 충격이 가해여 수소가 누출시에 외부 요인들과 화학적인 반응을 하게되면 위험성이 매우 높아지게 됩니다. 그렇게 수소일정량 노출시 자동 차단 기능이나 수소탱크 외부 견고화 등에 대한 노력이 필요할 것으로 보입니다.

3. 수소는 친환경 일까?

필자의 생각을 덭 붙혀 말한다면, 수소는 완전한 친환경은 아니며, 친환경에 가깝다고 할 수 있습니다. 수소는 단독으로 존재하기보다 여러 유기물의 형태로 존재할때 반응성이 더 좋기 때문입니다. 전기차와 수소차를 비교하여 볼때

전기로 직접모터를 돌리는 전기차와 달리 물을 전기분해해 수소를 생산하고 그 수소를 다시 전기로 바꿔 모터를 돌리는 방식에서 비효울성인 부분이 있습니다. 즉, 이 말은 더 많은 에너지를 소비하고, 더 많은 온실가스를 배출한다는 의미 입니다.

또 다른 수소를 생산하는 방법으로 석유와 천연가스와 같은 화석연료에서 얻기 빼문에 천연가스 안의 메탄을 고온의 수증기로 가열시켜 생산하는데 이 과정에서 만은 에너지를 소비하고 이산화탄소가 부산물로 나오기에 친환경적이지 못하는 지적도 많이 있습니다. 향후 수소를 만드는 공정이 연구되어 이러한 문제점이 개선이 된다면 향후 신재생 에너지에 있어서 수소는 필수적인 요소로 자리 잡을 수 있을 것 입니다.