갈륨(갤리엄 Gallium, Ga)의 성질과 이용
사이언스웨이브
원자번호：31
족：13족(4주기)
원자량：69.723
밀도：5.91 g·cm-3
각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 18, 3
mp：29.765℃ / bp：2,204℃
알루미늄과 함께 13족에 속하는 갈륨은 화학적 성질도 닮았다. 갈륨은 칼로 자를 수 있을 정도로 무른 금속이며, 온도가 29.8℃만 되어도 액체 상태로 변한다. 그러므로 갈륨을 손에 쥐고 있으면 녹아 흘러내린다. 반면에 갈륨의 끓는 온도는 2,204℃에 이른다. 그러므로 갈륨은 29.8℃에서 2,204℃ 사이에서는 액체 상태로 존재한다. 이처럼 상온에서 액체 상태인 금속에는 갈륨 외에 수은, 세슘, 루비듐, 프랑슘이 있다.
이런 성질 때문에 갈륨은 극단적으로 높은 온도를 재는 온도계의 충전제로 이용된다. 흥미롭게도 갈륨은 액체 상태에서 고체로 되면 부피가 팽창하는(물을 닮음) 특이한 성질을 가졌다. 그러므로 유리 용기에 액상(液狀)의 갈륨을 담아 낮은 온도에 둔다면 고체가 되면서 용기를 깨뜨릴 위험이 있다.
자연계에는 순수한 상태로 존재하는 갈륨이 없으며, 다른 금속을 재련할 때 부산물로 얻고 있다. 갈륨은 알루미늄광인 보크사이트라든가 아연광 등에 미량 포함되어 있다. 멘델레예프는 1871년에 갈륨이 존재할 것을 예측하고 화학적 성질까지 예상하면서 주기율표에서 자리를 비워두었다. 몇 해 후, 프랑스의 화학자 부아보드랑(Paul Emile Lecoq de Boisbaudran 1838-1912)이 1875년에 갈륨 원소를 발견했다.
신소재 갈륨의 이용도
갈륨이라는 말은 옛날 프랑스 지역을 라틴어로 ‘갈리아’(gallia)라 불렀던 데서 따왔다고 한다. 부아보드랑은 뒤이어 사마륨(62번 Sm)과 디스프로슘(66번 Dy) 원소도 처음 발견했다. 이때 발견된 갈륨은 오래도록 특별한 용도를 찾지 못하고 있었다. 그러나 갈륨과 비소의 화합물(GaAs)이 발견되면서 사정은 급변했다. 이 화합물은 전류를 레이저 빛으로 직접 바꾸는 성질이 있어 ‘레이저 다이오드’로 이용하게 된 것이다. 콤팩트디스크를 비추는 레이저는 바로 비소화갈륨 레이저이다.
또 비소화갈륨으로 만든 LED(light emitting diode)는 눈부신 전광판(電光板), 전자기기의 문자판 등과 조명등에서 빛을 내는데 쓰인다. LED는 전력 소모가 적으면서 밝은 빛을 낸다. LED란 ‘빛을 내는 반도체’를 말하며, LED 중에는 가시광선, 자외선, 적외선, 고광도 빛을 내는 다양한 종류가 있다. 비소화갈륨은 하나의 반도체로서, 실리콘 반도체보다 열을 적게 발생하므로, 전력 소모가 많은 슈퍼컴퓨터의 반도체로 이용된다.
갈륨-67은 의학용으로 이용되는 인공방사선 동위원소의 하나이다. 이것의 반감기는 78시간이므로 방사능이 빨리 없어지기 때문에 인체에 피해가 적다. 또 갈륨-67은 ‘흑색종’이라 불리는 매우 악명 높은 암 조직에 집중되는 성질이 있어, 주변 조직에 피해를 적게 주면서 흑색종 암세포를 파괴할 수 있다.
갈륨은 태양으로부터 오는 중성미자(中性微子 neutrino)를 탐지하는데 이용되기도 한다. 중성미자는 원자를 구성하는 입자들 중의 하나로서 확인하기가 매우 어렵다. 중성미자는 수십km 되는 암반이라도 아무런 방해 없이 투과한다. 그러나 갈륨의 핵과 충돌한 중성미자는 갈륨을 방사성동위원소인 갈륨-71로 바꾸므로, 이때 중성미자의 존재를 확인할 수 있다.
갈륨(68.5%), 인듐(21.5%), 주석(10%) 그리고 미량의 구리를 혼합한 ‘갤린스탄’(galinstan)이라는 합금은 영하 19도가 되어야 고체로 된다. 이것은 수은(Hg)보다 독성이 약하므로 위험한 수은을 대신하여 온도계에 충전하고 있다. galinstan은 gallium + indium + stannum(tin)을 합쳐 만든 말이다.