| 27Co 코발트 Cobalt | |||
| 분류 | 전이 원소 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 58.933194 | 밀도 | 8.90 g/cm3 |
| 녹는점 | 1495 °C | 끓는점 | 2927 °C |
| 용융열 | 16.06 kJ/mol | 증발열 | 377 kJ/mol |
| 원자가 | 2 | 이온화에너지 | 760.4, 1648, 3232 kJ/mol |
| 전기음성도 | 1.88 | 전자친화도 | 63.7 kJ/mol |
| 발견 | G. Brandt (1732) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-48-4 | ||
| 이전 원소 | 철(Fe) | 다음 원소 | 니켈(Ni) |
1. 개요
주기율표 9족에 속하는 철족원소(鐵族元素)로 1735년에 발견되었는데, 천연으로는 비소나 황과 결합하여 산출된다. 스말타이트가 주요 광물이며, 구리광석이나 납광석에도 함유되어 있다. 단독으로 채광되는 경우는 드물고 대부분 구리나 니켈을 채굴하고 정제하는 부산물로 생산된다. 비타민 B12의 주성분이며, 특히 과거에는 도자기 등에 푸른색을 내는 재료로 사용되었다. 이 색깔이 아래 서술된 "코발트 블루"이다. 금속원소 자체는 파란 색이 아니고 은색이다. 코발트 산화물과 알루미늄 산화물을 섞은 후 소결(燒結)[1]해야 파란 색이 나온다.
이름의 유래는 독일 전설에 나오는 산의 정령 '코볼트'. 푸른 빛이 도는 이 광석에 코발트라는 이름이 붙은 이유는, 어두 컴컴한 광산에서 푸르게 빛나는 광석들이 요정의 일종인 코볼트(Kobold)의 눈처럼 보인다고 여겨졌기 때문이다. 옛날 사람들은 코볼트가 구리와 비슷하지만 다른 금속을 만들어서 광부들을 속인다고 생각했다고 한다.
코발트는 광택이 있는 은색의 금속원소이다. 공기 중에서는 안정하고 물에도 반응하지 않지만, 묽은 산에는 천천히 녹는다.
코발트의 염 (salt)은 치사량이 있는 독성 물질이다. 장기간 먹게 되면 치사량에 못 미쳐도 위험하다. 코발트 원소 자체도 발암 가능성이 있는 2군으로 IARC는 분류하였다. 접촉하게 되면 눈과 폐 등에 손상을 일으키며 니켈이나 카드뮴처럼 접촉성 피부염을 일으킨다.
2. 용도
코발트 광석은 고대부터 우수한 청색재료로 인정받았으며, 투탕카멘의 피라미드에서도 진청색의 유리 제품이 발굴되었다. 이슬람 모스크의 푸른 모자이크 타일들도 코발트가 들어간다. 또 레오나르도 다 빈치도 이 색을 즐겨 사용했다고 전해진다.동양에서는 흔히 도자기에 청색을 낼 때 사용되었다. 북송의 멸망과 몽골과 왜구의 침입으로 인한 고려의 청자산업의 붕괴로 인해 청자는 자취를 감춘 뒤, 몽골과 이슬람의 영향을 받아 코발트로 색을 낸 청화백자가 등장했다. 당시에 불리던 이름은 회청(回靑) 또는 회회청(回回靑). 페르시아가 코발트의 주요 산지였기 때문에 코발트 광석을 가져오는 상인들은 대개 그 당시 회회교(回回敎)라고 불린 이슬람교도였고, '이슬람 교도가 가져온 청색'이라는 뜻으로 회청이라 했다고. 당시로써는 귀중한 교역 품목이었다.
코발트가 들어간 푸른 유리는 과거 절연체로 사용되었다. 매체에서 등장하는 코발트의 모습이 대개 푸른색 결정으로 등장하는데, 우라늄과 마찬가지로 원소를 첨가물로 사용한 유리가 원소의 모습으로 굳어진 사례 중 하나. 실제 코발트 광석 중 파란 것도 있지만 유리질은 아니다.
반면 그림에 쓰이는 안료로서 가공된 코발트 블루는 1775년에 개발되었다. 코발트 블루는 말하자면 코발트 화합물로 만들어진 물감이다. 코발트 화합물은 파란색뿐만이 아니라 크롬과 마찬가지로 다채로운 색을 표현할 수 있다. 염화코발트는 물에 녹은 경우 묽은 용액은 분홍색을, 코발트 농도를 진하게 하면 보라색에서 파란색, 그리고 진청색으로 변화해간다. 이런 다채로운 색채는 코발트의 배위결합 화합물이 여러가지 구조를 취하는 것에 기인한다.
염소와의 화합물인 이염화코발트는 평소에는 푸른색을 띄다가, 물과 접촉하면 분홍색으로 변하는 성질이 있다. 그리고 건조시키면 원래 색으로 돌아온다. 때문에 실리카 겔 등에 섞어 수분 흡수 정도를 확인하는 등의 수분 검출용 지시약으로 쓰이는데, 발암물질이라 유럽에서는 사용이 금지되었다.
이외에도 텅스텐계 합금인 소결탄화물의 재료로도 쓰인다. 가공을 위해 탄화 과정을 거친 텅스텐은 보통 가루 형태로 나오는데 이를 성형하기 위해 탄화텅스텐을 붙잡아주는 일종의 시멘트 역할을 한다. 도검용 강재들 중에서도 텅스텐 함량이 높은 고속도강에는 필수적으로 들어간다.
코발트의 동위체 중 중요한 역할을 하는 것이 코발트-60이다. 코발트-60은 원자로에서 중성자조사에 의해 생겨나며, 니켈(니켈60)로 붕괴한다. 그때 방출하는 감마선은 아주 투과성이 높아서 의료분야의 방사선요법이나 식품보존 등에도 사용된다. 식품에 방사선을 쬐면 미생물이나 병균 등을 죽이는 효과가 있다.
물론 강한 방사선을 쓰기 때문에 식품에 대한 안전성이 문제가 되어 나라에 따라서는 금지된 경우도 있다. 참고로 한국에서는 26가지[2] 종류의 식품에 이용되고 있으며 방사선혐오증(혹은 그에 준하는 공포증)을 가진 일본에서는 감자에 한해 이용되고 있다.
최근에는 코발트의 수급 및 환경 문제 등으로 X선 및 전자빔 멸균으로 대체되는 경우가 있다.
코발트-60은 방사선 비파괴검사에서도 중요하게 쓰이는데 코발트-60의 감마선은 방사선 비파괴검사에서 주요하게 쓰이는 또 다른 방사성 동위원소인 이리듐 192보다도 투과력이 커서 매우 두꺼운 차폐 용기가 필요하다. 비파괴검사에 쓰이는 이리듐 192의 차폐 용기가 25kg 정도인 반면, 코발트-60의 차폐 용기는 무게가 200kg이 넘어길 정도. 이런 높은 투과력 때문에 코발트-60은 두꺼운 검사체를 검사하는데 쓰인다.
전기자동차가 상용화되면서 전기차 배터리의 주요 원료인 코발트의 가격이 폭등하고 있다고 한다. 고용량 리튬 배터리에는 리튬 니켈 코발트 화합물이 쓰이는데 코발트는 전세계 매장량의 71%가 콩고민주공화국에 묻혀있을 정도로 편재된 자원인데다[3] 콩고의 정치적 불안과 치안 문제도 크다 보니 수급 문제가 더욱 심각해지고 있는 상황이다. 기사 더군다나 중국계 기업들이 상당수 코발트 광산들을 공동보유하고 콩고의 코발트 생산량의 과반 이상을 중국이 공급받고 있는 형국이라 중국 외 다른 국가들에서는 코발트 공급을 받는데 애로사항이 크다. #
리튬전지의 주원료는 리튬이지만, 코발트의 가격이 월등히 비싸고 수급불안으로 코발트가 가격이 톤당 5-6만불로 2배 이상 뛰어서 전지 제조 원가의 20% 이상을 차지하고 있다. 그래서 코발트 사용을 줄이고 상대적으로 싼 니켈의 사용을 늘리는 추세다.[4] 코발트의 희소성으로 인해 코발트를 사용하지 않는 리튬인산철 전지를 사용하거나, 코발트는 물론 리튬도 사용하지 않는 나트륨 이온 전지가 개발되고 있다. 그러나 이 둘은 에너지 밀도와 출력 전압이 코발트를 사용하는 배터리보다 낮기 때문에 주행거리가 짧은 저가형 전기차나 에너지 저장장치 등 부피와 무게에 덜 구애받는 분야에서 주로 쓰일 것으로 예상된다.
반도체 배선에도 쓰인다. 기존에 쓰였던 원소는 구리인데 인텔에서 낮은 벌크 비저항등을 이유로 코발트를 채택해 11세대부터 도입했는데 문제는 저항값이 더 높아 전압이 웬만큼 높은게 아니라면 확산방지층이 없는한 일렉트로 마이그레이션과 같은 현상이 일어날수있다. 이후 구리와 혼용하는 노선으로 갈아타고 인텔4부터는 eCu라 표기하며 혼용한다.
코발트-60의 반감기는 5.2714년이며, 여기서 방출하는 감마선은 위력적이므로 무기로 활용될 계획도 있었다. 핵무기의 바깥층을 코발트로 설계해 핵폭발과 동시에 대량의 코발트 60이 생성되도록 하는 것인데, 이것이 바로 픽션상에서 인류를 멸망시키는 무기로 간혹 등장하는 코발트 폭탄이다. 지구 최후의 날 기계로 냉전 시절에 구상된 것 중에는 커다란 유조선에 코발트 60을 넣은 원폭을 가득 채운 것도 있었다고. 단, 실제로는 그리 경제적이지 못하다고 한다. 말 그대로 이론상 최강. 자세한 것은 코발트 폭탄 문서 참조.
한편 2022년 러시아의 우크라이나 침공으로 코발트와 관련해서 다윈상감이 더 생겼는데, 러시아군의 화생방 부대에 속한 어느 병사가 맨손(!)으로 코발트 60을 훔치려고 하다가 대량의 방사선에 노출되었다는 것.#
3. 기타
- 원소기호가 Co인데 간혹 대소문자 표기와 인식의 오류로 CO와 혼동되기도 한다. 코발트의 o는 무조건 소문자로 써주자.
- 코발트 채굴 현장에 아동까지 동원한 것으로 밝혀졌다. 맨손으로 채굴하고 12시간 동안 일하는데 받는 돈이 딸랑 1,000원 밖에 되지 않는다. 유니세프에 따르면 아동 4만명이 광산 노동에 동원되었다고 밝혔다. 영상
[1] 가루 같은 것을 녹는점 이하로 가열해 굳히는 것을 말함[2] 감자, 양파, 마늘, 밤, 생버섯 및 건조식품, 건조향신료, 가공식품 제조원료용 건조식육, 어패류분말, 된장, 고추장, 간장분말, 조미식품 제조원료용 전분, 가공식품 제조원료용 건조채소류, 건조향신료 및 이들조제품, 효모, 효소식품, 알로에분말, 인삼(홍삼 제품)제품류, 2차 살균이 필요한 환자식, 난분, 가공식품 제조원료용 곡류 두류 및 그 분말, 조류식품, 복합조미식품, 소스류, 분말차, 침출차.[3] 2등과 3등은 각각 러시아와 호주인데 각각 점유율이 4%와 3.6%로 콩고에 비해서는 새발의 피이다.[4] GM은 차세대 전기차 플랫폼인 BEV3와 BT1에 코발트 함량을 70% 낮춘 얼티엄 배터리를 적용하였고 테슬라에서도 기존에 사용하던 18650 배터리에 비해 신형인 2170 배터리는 코발트 비율을 획기적으로 줄이는 대신 니켈 비율을 높였다고 한다. 궁극적으로는 코발트를 전혀 사용하지 않는 배터리를 채용하는 게 목표라고 하는데, 매장량이 콩고에 집중되어 있어 그 수급의 불안정성도 있지만 콩고는 채굴 과정에서 아동 착취가 흔하고, 코발트와 희토류 수출로 벌어들인 외화는 정부군과 반군에게 흘러가 내전에 사용되어 결국 양민들만 피해를 받기 때문에, 윤리적인 문제를 포함한 여러 복잡한 사정이 얽힌 이유가 크기 때문이다. 자세한 내용은 콩고민주공화국 참조.