Hanington 교수의 과학 말하기: 희귀 원소 세륨

Apr 27, 2023

세륨으로 만든 백색 LED

몇 주 전에 약속한 대로 이번 달에는 두 가지 이유로 희토류 원소를 살펴보겠습니다. 한 가지는 슬프게도 최근 미국이나 전 세계에서 헤드라인을 장식하는 흥미로운 물리 과학 뉴스가 많지 않다는 것입니다. 그리고 대부분의 독자들이 알고 있듯이 저는 생물학과 관련된 내용을 다루지 않습니다. 요즘 MIT에서 열심히 일하고 있는 Hannah에게 맡깁니다.

두 번째 이유는 중국이 특히 지난 몇 달 동안 희토류 원소의 수출을 제한하기 시작했기 때문에 희토류 원소에 대한 주제가 곧 매우 뜨거운 주제가 될 것이라는 점입니다. 실제로 AHV 고객 중 일부는 AHV가 자사 제품에 이러한 희토류를 사용하는지 여부와 당사가 영향을 받을지 문의하는 설문지를 전달했습니다. 모터, 자석 및 특수 전자 장치가 그럴 수도 있지만 우리는 이러한 무역 금지 조치에 별로 영향을 받지 않습니다. 따라서 우리는 위의 내용을 바탕으로 희토류 원소 세륨에 대한 연구를 계속하고 있습니다.

원자 번호 58번인 세륨은 부드럽고 연성이 있는 은백색 금속으로, 은과 마찬가지로 공기에 노출되면 산화물 변색이 발생합니다. 자동 청소 전기 오븐을 구입할 때 세륨에 대해 처음 들어보셨을 것입니다. 수십 년 동안 스토브 내부 벽에는 탄화수소 산화 촉매제 역할을 하여 요리용 기름이 쌓이는 것을 방지하기 위해 산화세륨(III)이 벽에 사용되었습니다. 또는 DIY를 하고 망원경을 만드는 경우 거울 연삭 공정에 산화세륨이 사용된다는 것을 알게 될 것입니다. 이 화합물은 밑에 있는 유리보다 더 부드러운 세륨 산소 실리콘 소재를 형성하여 유리의 표면 에너지를 낮추고 표면이 매끄러운 광택을 낼 수 있도록 해줍니다. 이는 일반적으로 거울을 알루미늄화하기 전에 완료되는 마지막 단계입니다.

세륨은 또한 미쉬메탈(mischmetal)이라고 불리는 합금의 주요 금속이기도 합니다. 이 금속성 고체는 철로 치거나 긁으면 쉽게 불꽃이 튀는 흥미로운 특성을 갖고 있으며 종종 더 가벼운 부싯돌로 사용됩니다. 독일어로 "혼합 금속"을 의미하는 Mischmetal에는 세륨 55%, 란타늄 25%, 네오디뮴 최대 18% 등 여러 가지 다른 희토류 원소도 포함되어 있습니다. 고향의 거리 가스 맨틀 조명 시스템을 완벽하게 만들기 위한 노력에서 이 이상한 합금을 발견한 독일 화학자 Carl Auer von Welsbach에게 감사드립니다. 다음에 불꽃 스트라이커를 횃불로 사용할 때 그를 생각해 보십시오.

세륨을 첨가하면 밝은 빛에 노출되었을 때 안료의 안정성이 향상될 수 있습니다. 황화세륨 분말은 열 안정성이 좋고 독성이 없기 때문에 암적색이 필요한 곳에 주로 사용됩니다. 햇빛으로 인한 어두워짐에 강한 색상을 제공합니다. 많은 도로 표지판이 제조 과정에서 세륨을 포함하는 것이 좋은 선택이라고 생각할 수 있습니다.

이 요소의 또 다른 용도는 우수한 고온 강도를 갖는 주조 가능한 공융 합금을 만들기 위해 알루미늄과 함께 첨가제(중량 기준 16% Ce)로 사용되는 것입니다. 이 합금은 특히 고성능 엔진 실린더 헤드의 주조에 사용됩니다. 엔진을 더 뜨겁게 작동시키면 출력이 극적으로 증가할 수 있습니다. 세륨의 다른 자동차 응용 분야는 배기 가스의 CO 및 NOx 배출 산화를 위한 촉매 변환기에 있습니다.

세륨은 지각의 66ppm을 구성하는 모든 희토류 원소 중에서 가장 풍부하며, 이는 구리(68ppm)보다 약간 뒤처진 값이므로 희토류 목록에 오르는 것은 그리 드물지 않습니다. 세륨은 중요한 상업적 공급원인 모나자이트와 바스트네사이트를 포함한 다양한 광물에서 발생하며 수용액에서 안정적인 +4 산화 상태로 인해 추출하기 가장 쉬운 희토류 중 하나로 간주됩니다. 바스트네사이트에서 세륨을 정제하려는 경우 염산으로 세척하여 탄산칼슘을 제거하고 공기 중에서 구워서 이산화세륨으로 변환하면 이제 무리산으로 침출될 수 있습니다.

세륨의 가장 최근 용도 중 하나는 지난 10년 동안 백색 LED를 만드는 것이었습니다. 현재 생산되는 대부분의 "백색" LED는 일반적으로 세륨 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷 결정으로 만들어진 황색 인광체 코팅으로 덮인 460nm 청색 갈륨 질화물 LED를 사용합니다. 이 결정은 분말화되어 투명 점성 접착제로 결합되어 있습니다. LED 칩은 파란색 빛을 방출하며 그 중 일부는 YAG:Ce에 의해 노란색으로 변환됩니다. 노란색 빛은 눈의 빨간색과 녹색 수용체를 자극하므로 파란색과 노란색 빛이 혼합되어 흰색으로 보입니다.