인듐 특징 및 성질

인듐 특징 및 성질

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인듐은 화학 원소로 기호는 In이고 원자 번호는 49번에 해당됩니다. 무르고 연성이 있어서 잘 녹는 은백색의 희유금속으로 외형은 주석(Sn)과 닮았다고 합니다. 전이후금속에 속하며 녹는점은 소륨(Na, 나트륨)과 갈륨(Ga) 보다 높고 리륨(Li)과 주석(Sn) 보다 낮다는 특징이 있습니다. 화학적 성질은 갈륨(Ga)이나 탈륨(Tl)과 비슷하고 대체적으로 성질이 그 두 금속의 중간이라고 합니다.

 

인듐은 1863년 발견, 스펙트럼의 인디고 색 부분에서 이름을 지었습니다. 순수한 인듐은 그다음 해에 분리할 수 있었고 인듐은 반도체 공학에서 투명한 전도성의 산화 인듐 주석으로 발광 디스플레이(LED)에 쓰이는 투명 전극이나 액정 화면(LCD)을 만드는 데 널리 사용하고 있습니다.

 

일부 금속과 혼합하면 녹는점이 낮아지므로 납이 첨가되지 않는 땜납을 만드는 데 사용하기도 합니다. 인듐은 기술, 공학에 있어 대단한 원소로 평가받았습니다. 생물학적 역할을 하지 않으나 몇몇 인듐 화학물은 혈관에 주입되었을 때 약간의 독성을 띤 형태로 변합니다. 인듐은 황화아연 광물에서 미량 성분으로 발견, 아연(Zn) 추출 과정에서 부산물로 생산됩니다.

 

목차

• 인듐의 역사.
• 인듐 물질적 성질. ( 인듐 녹는점, 끓는점.)
• 인듐 화학적 성질.
• 인듐의 용도.
• 마치며

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인듐의 역사.

인듐은 1863년 독일 화학자 리이히(Ferdinand Reich)와 리히터(Hieronymous Theodor Richter)는 현재 독일 작센주 프라이베르크 인근의 광산에서 얻은 광물들을 분석하고 있었습니다. 주로 아연을 함유한 광석을 염산에 반응시켜 염화아연을 얻은 후 분광기로 이들이 스펙트럼을 관찰하는 과정에서 이 중 일부 광석에 녹색의 선 스펙트럼을 남기는 탈륨 대신 밝은 푸른색 선을 남기는 새로운 원소가 포함되어 있음을 확인하였고 이것은 최초 인듐입니다.

 

그 당시까지 푸른 선 스펙트럼을 내놓은 원소는 발견되지 않은 상태였으며 색인 남색(indigo)에서 이름을 따 '인듐'이라는 이름을 붙였고 이듬해 리히터는 인듐을 순수한 형태로 분리하는 과정을 성공적으로 진행하였습니다. 1924년에는 인듐이 비철 금속을 안정화시키는 특성이 발견, 처음으로 중요하게 사용되기 시작합니다.

 

제2차 세계대전 기간 동안 파란색 발광 다이오드(LED) 제조와 항공기 엔진에 첨가되는 용도로 사용, 1950년대 초반까지만 하더라도 매우 제한된 용도로만 사용되었을 정도입니다. 이후 1952년 인듐이 포함된 반도체의 생산이 본격화, 1970년대에 이르러서는 원자로 제어봉에 사용되었습니다. 1992년부는 산화 인듐 주석으로 액정을 만드는데 널리 사용, 2012년 기준으로 중국(390톤)이 가장 많은 양을 생산하고 있습니다. 뒤를 이어 캐나다, 일본, 대한민국 등이 각각 70 톤을 생산하고 있습니다.

 

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인듐 물질적 성질. ( 인듐 녹는점, 끓는점. )

인듐은 전성과 연성이 매우 뛰어나며, 밝은 광택이 있는 은백색의 금속 원소로 다른 금속 원소들에 비해 매우 희귀한 편입니다. 모스 굳기 1.2로 매우 무르기 때문에 나트륨(Na)처럼 칼로 자를 수 있을 정도라고 합니다. 인듐은 주기율표에서 13족에 속하는 원소이고 성질은 주기율표상 각각 위아래에 위치한 갈륨과 탈륨의 중간에 속합니다.

 

인듐 막대를 구부리면 주석을 구부릴 때와 비슷하게 높은 파열음이 난다고 하는데 그 소리는 쌍정에 의해서 난다라고 합니다. 갈륨처럼 인듐은 유리 표면에서 밀리지 않고 퍼져서 거울 비슷한 면을 만들 수 있다는 특징이 있습니다. 탈륨(Tl)과 갈륨(Ga)처럼 인듐의 녹는점은 156.6°C로 비교적 낮은 편이기도 합니다.

 

인듐의 녹는점은 낮지만 끓는점은 2072°C이며 갈륨보다 낮고 탈륨보다는 높은 편입니다. 즉 녹는점과 끓는점이 정반대의 경향을 나타낸다고 합니다. 하지만 이는 다른 전이후금속 원소 족들의 경향과 비슷하며 적은 비국소 전자로 금속 결합을 하기 대문에 나타나는 결합의 세기 약화가 원인입니다.

 

밀도는 7.31g/cm3으로 갈륨보다 높고 탈륨보다 낮습니다. 이는 임계 온도 3.41K 이하에서는 초전도체의 성질을 나타낸 결과입니다. 표준 상태에서 인듐은 면심 정방 정계 구조의 결정을 이룹니다. 이것은 살짝 변형된 면심입방격자 구조로 볼 수도 있는데 각각의 인듐 원자는 324 pm 거리에 4개의 이웃 원자를 가지고 약간 더 336 pm거리에는 8개의 이웃 원자를 가지고 있기 때문이라고 볼 수 있습니다.

 

인듐은 다른 어느 금속보다도 액체 수은(Hg)에 잘 녹는다는 특징이 있습니다. 예로 0°C에서 질량 50%의 인듐이 수은에 녹는다는 점입니다. 인듐은 지각에 0.000016% 포함된 희유금속 중 하나라고 합니다.

 

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인듐 화학적 성질.

인듐은 49개의 전자를 가지고 있으며 전자 배치는 4d10 5s2 5p1를 사용하고 있습니다. 화합물에서 인듐은 대부분이 3개의 바깥쪽 전자를 잃고 인듐(III)이 된다라고 합니다. 몇몇 경우에는 두 5s 전자를 잃지 않고 인듐(I)이 되기도 하는 특징이 있습니다.

 

1가 양이온 상태의 안정성은 비활성 전자쌍 효과의 결과로써 상대론적 효과가 5s 오비탈을 안정화시키는 것은 더 무거운 원소들에게 잘 관측된다는 특징이 있습니다. 따라서 같은 13족 원소이고 인듐보다 무거운 탈륨은 이러한 효과가 더 강하게 나타나며 +1의 산화수가 +3의 산화수보다 더 흔히 나타난다고 합니다.

 

반면에 같은 13족이면서 인듐보다 가벼운 갈륨은 3가지의 양이온으로만 반응 화합물입니다. 탈륨(lll)은 약간 강한 산화제이지만 인듐(lll)은 그렇지 않습니다. 그리고 많은 인듐(l) 화합물은 강력한 환원제의 역할을 합니다. 13족 원소들 중 화학 결합에 s 오비탈의 전자들이 참여할 수 있게 하기 위해 필요한 에너지가 가장 높은 원소가 인듐이고 결합에너지는 밑으로 갈수록 감소됩니다.

 

따라서 에너지를 방출 2개의 추가적인 결합 형성을 통해 +3의 산화수를 가지는 상태에 이르는 것은 5s 전자를 결합에 포함시키기 위한 필요한 에너지보다 항상 더 크게 될 정도로 충분하지 않습니다. 인듐(l) 산화물과 수산화물은 염기성을 나타내고 인듐(lll) 산화물과 수산화물은 산성을 나타냅니다. 

 

인듐 금속은 물과 반응하지 않지만 할로젠 원소들 같은 더 강력한 산화제로 인해 산화되어 인듐(lll) 화합물을 만들 수 있습니다. 인듐은 붕소 화물, 규소 화합물(규화물), 탄화물을 만들지 않습니다. 또한 인듐의 수소화물인  InH3는 불안정하기 때문에 낮은 온도의 에테르성 용액에서 일시적으로 존재합니다. 그래서 인듐은 수용액에서 염기성을 나타내는데 인듐보다 가벼운 같은 16족 원소인 알루미늄과 갈륨과는 달리 알칼리성 수용액에서는 녹지 않는 특징이 있습니다.

 

인듐의 용도.

인듐은 제2차 세계대전 동안 고성능 항공기에 엔진에 처음으로 실용적인 목적으로 사용되었습니다. 이후 녹는점이 낮은 합금, 땜납, 전자 제품, 반도체 제조 공정 등에 사용되기 시작, 1980년대 중반에는 인화 인듐을 이용한 반도체가 개발되었습니다. 산화 인듐 주석이 액정 화면(LCD)에 널리 사용되었을 정도입니다.

 

인듐은 반도체와 관련된 용도를 많이 가지고 있으며 트리메틸인듐(trimethylindium)은 화합물 반도체의 도핑 재표를 사용합니다. 인화 인듐, 안티모니화 인듐은 반도체로, 유용한 성질을 가지고 있습니다. 화합물 반도체인 질화 인듐 갈륨(InGaN), 인화 인듐 갈륨(InGaP)은 발광 다이오드와 레이저 다이오드에 쓰입니다.

 

인듐은 저마늄(Ge)과 함께 양극성 접합 트랜지스터에 사용되며 낮은 온도에서 납땜될 때, 인듐은 저마늄에게 응력을 가하지 않는 특성을 가지고 있습니다. 인듐 선은 진공 밀봉과 저온 실험, 초고진공에서 열전도체로 사용됩니다. 인듐은 갈륨-인듐-주석 합금인 갈린스탄의 재료입니다.

 

위의 합금은 상온에서 액체이며 일부 온도계에서 수은(Hg)의 대체제로 사용되기도 합니다. 또한 인듐은 비스무트의 재료입니다. 비스무트(Bi), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 주석(Sn)과의 합금은 갈린스탄의 경우보다 높지만 비교적 낮은 50~100°C 범위의 녹는점을 가지고 있습니다. 그래서 이런 합금들은 화재 스프링클러나 열 조절 장치 등에 널리 사용되고 있습니다.

 

YInMn 블루는 인듐이 이트륨(Y)과 망가니즈(Mn)의 결합으로 만들어진 독성이 없고 반응성이 적으며 색이 흐려지지 않는 파란색 염료로 사용됩니다. 인듐은 알칼리 전지에서 수은의 대체제로 쓰이는 원소 중 하나로 아연(Zn)이 산화되어 수소(H) 기체를 발생시키는 것을 막는 중요한 역할을 합니다.

 

마치며.

순수한 인듐은 보통 무해한 것을 간주됩니다. 다만 인듐에 대한 노출이 큰 반도체 산업 현장에서는 아직까지 인듐 중 독에 의한 부작용 사례는 학회에 보고된 적이 없습니다. 또한 대부분이 인듐 화합물로 물에 잘 녹지 않기 때문에 체내에도 잘 흡수되지 않아 별 독성을 나타내지 않는다고 합니다.

 

그러나 수용성인 인듐 이온은 직접 체내에 들어와 콩팥에 손상을 줄 수 있으며, 심장과 간에도 영향을 줄 수 있다고 합니다. 염화 인듐, 인화 인듐 등은 폐에 독성을 나타내는 대표적인 예라고 합니다.