네온

1. 개요

네온은 그리스어 'neos'(새로운)에서 유래된 무색, 무취, 무미의 비활성 기체로, 1898년 윌리엄 램지와 모리스 트래버스에 의해 발견되었다. 네온은 저압 방전 시 밝은 붉은색을 내는 특징이 있으며, 세 가지 안정 동위원소를 가지고 있다. 네온은 탄소 연소 과정에서 생성되며, 지구 대기 중에는 매우 적은 양이 존재한다. 네온은 네온사인, 레이저, 냉매 등으로 사용되며, 특히 네온사인은 광고에 널리 활용되었다. 2022년 러시아의 우크라이나 침공으로 인해 네온 공급에 차질이 생겨 반도체 산업에 영향을 미치기도 했다.

2. 역사

네온은 1898년 영국 런던에서 화학자 윌리엄 램지와 모리스 트래버스에 의해 발견되었다. 램지는 액화 공기의 저온 분별 증류를 통해 네온, 크립톤, 제논을 분리하였고, 스펙트럼 분석을 통해 이들을 확인하였다. 램지는 네온을 전기적으로 들뜨게 하면 밝은 붉은색 빛을 낸다는 것을 발견하였고, 이 공로로 1904년 노벨 화학상을 수상하였다. 네온이라는 이름은 그리스어로 '새로운'을 뜻하는 'neos'에서 유래했다.

1910년 프랑스의 조르주 클로드는 네온 방전관을 이용한 현대적인 네온 조명을 시연했다. 1912년 클로드의 동료는 네온 방전관을 광고 간판으로 판매하기 시작했다.

1913년 조지프 존 톰슨은 네온 이온의 흐름을 자기장과 전기장을 통해 통과시키는 실험을 통해 안정 동위원소의 존재를 처음으로 발견하였다. 이는 질량 분석기의 초기 형태였다.

2.1. 네온사인의 발전과 한국

네온 사인은 낮은 압력에서 전류가 흐를 때 네온이 밝은 적황색 빛을 내는 원리를 이용한다. 다른 색깔의 관등은 종종 '네온'이라고 불리지만, 실제로는 다른 비활성 기체나 다양한 색상의 형광등을 사용한다. 예를 들어 아르곤은 라벤더색이나 파란색을 낸다. 2012년 기준으로 100가지가 넘는 색상이 있다.

네온 글로우 램프는 보통 매우 작고, 대부분 100~250볼트 사이에서 작동한다. 이들은 전원 표시등이나 회로 테스트 장비에 널리 쓰였지만, 현재는 발광 다이오드(LED)가 이 용도로 많이 사용된다. 이 간단한 네온 장치는 플라즈마 디스플레이 및 플라즈마 텔레비전 화면의 전신이었다. 네온 사인은 보통 훨씬 높은 전압(2~15킬로볼트)에서 작동하며, 발광관은 보통 수 미터 길이다. 유리관은 간판뿐만 아니라 건축, 예술적 용도로 모양과 글자를 만들기도 한다.

3. 특징

네온은 색깔, 냄새, 맛이 없는 비활성 기체이며, 헬륨 다음으로 반응성이 낮다. 단원자 분자 상태로 존재하며 공기보다 가볍다. 저압 방전 시 붉은색의 휘선 스펙트럼을 나타낸다.

정상 전압 및 전류에서 네온 플라스마는 모든 비활성 기체 중에서 가장 강렬한 빛 방전을 보인다. 이 빛은 사람의 눈에 붉은 주황색으로 보이지만, 강한 녹색 선도 포함되어 있다. 이 녹색 선은 분광기로 시각적 구성 요소를 분산시키지 않으면 보이지 않는다.

상온 상압에서 네온은 무색, 무취의 기체이다. 융점은 , 끓는점은 이다. (단, 융점과 끓는점 모두 다른 실험값이 존재한다.) 밀도는 0.900 g/L (0 ℃, 1 atm), 액체 상태에서는 1.21 g/mL ()이다. 공기 중에는 포함되어 있으며, 비활성 기체 중에서는 아르곤 다음으로 많다.

질량 자기화율은 이며, 물에 대한 용해도는 부피비로 0.012이다.

네온의 삼중점(약 24.5561 K)는 ITS-90의 정의 고정점이다. 기체 상태뿐만 아니라, 물질 전체로 보았을 때도 가장 반응성이 낮은 원소이다.

4. 동위 원소

네온은 ²⁰Ne(90.48%), ²¹Ne(0.27%), ²²Ne(9.25%)의 세 가지 안정 동위 원소를 갖는다. ²¹Ne와 ²²Ne는 부분적으로 원시적이고 부분적으로 핵 생성(환경에서 중성자나 다른 입자와 다른 핵종의 핵 반응에 의해 생성됨)이며, 이들의 자연 존재비 변화는 잘 알려져 있다. 반면, 항성 핵합성에서 생성되는 주요 원시 동위 원소인 ²⁰Ne는 산소-20의 붕괴나 토륨-228의 클러스터 붕괴를 제외하고는 핵 생성 또는 방사 생성되는 것으로 알려져 있지 않다. 이 때문에 지구에서 ²⁰Ne의 변화 원인에 대한 논쟁이 있었다.

핵 생성 네온 동위 원소를 생성하는 주요 핵 반응은 ²⁴Mg와 ²⁵Mg에서 시작되며, 중성자 포획과 즉각적인 알파 입자 방출 후 각각 ²¹Ne와 ²²Ne를 생성한다. 반응을 일으키는 중성자는 주로 알파 입자의 2차 파쇄 반응에 의해 생성되며, 이는 우라늄 계열 붕괴 사슬에서 유래한다. 그 결과, 화강암과 같은 우라늄이 풍부한 암석에서는 ²⁰Ne/²²Ne 비율이 낮아지고 ²¹Ne/²²Ne 비율이 높아지는 경향이 나타난다.

노출된 지상 암석의 동위원소 분석 결과, ²¹Ne의 우주 생성(우주선)이 확인되었다. 이 동위원소는 마그네슘, 나트륨, 규소, 알루미늄에서 파쇄 반응에 의해 생성된다. 세 가지 동위원소를 모두 분석하면 우주 생성 성분을 마그마성 네온과 핵 생성 네온에서 구분할 수 있다. 이는 네온이 지표면 암석과 운석의 우주 노출 연령을 결정하는 데 유용한 도구가 될 수 있음을 시사한다.

태양풍의 네온은 핵 생성 및 우주 생성 원보다 ²⁰Ne의 비율이 높다. 화산 가스와 다이아몬드 샘플에서도 ²⁰Ne 함량이 풍부하게 나타나는데, 이는 원시적이고 아마도 태양 기원임을 시사한다.

5. 존재비

네온은 우주에서 질량 기준으로 수소, 헬륨, 산소, 탄소 다음으로 다섯 번째로 풍부한 원소이다. 지구 대기 중에는 55,000분의 1 (부피 기준 18.2ppm) 정도 존재하며, 태양과 원시 태양계 성운에서는 약 600분의 1 정도 존재한다.

6. 화학

네온은 첫 번째 p구역 비활성 기체이자 진정한 옥텟 전자를 가진 첫 번째 원소이다. 불활성 원소이며, 가벼운 동족체인 헬륨과 마찬가지로 네온을 포함하는 강하게 결합된 중성 분자는 확인되지 않았다. 네온 화합물의 예로는 매우 약한 Ne-Cr 결합을 포함하는 Cr(CO)₅Ne가 있다. 이온 [NeAr]⁺, [NeH]⁺, [HeNe]⁺는 광학 및 질량 분석법 연구에서 관찰되었다. 고체 네온 클라트레이트 하이드레이트는 350MPa~480MPa의 압력과 약 -30°C의 온도에서 물 얼음과 네온 기체로부터 생성되었다. 네온 원자는 물에 결합되지 않으며 이 물질을 자유롭게 통과할 수 있다. 클라트레이트를 진공 챔버에 며칠 동안 두면 가장 밀도가 낮은 물의 결정 형태인 얼음 XVI가 생성된다.

7. 생산

네온은 극저온 공기 분리 설비에서 공기로부터 생산된다. 주로 질소, 네온, 헬륨, 수소의 기체 혼합물은 고압 공기 분리탑 상단의 주 콘덴서에서 뽑아내어 네온의 정류를 위한 측면 탑 하단에 공급된다. 그런 다음 활성탄과 접촉시켜 헬륨으로부터 더욱 정제할 수 있다. 산소를 첨가하여 물이 생성되고 응축됨으로써 수소가 네온으로부터 정제된다. 1파운드의 순수 네온은 88,000파운드의 기체 혼합물을 처리하여 생산할 수 있다.

2022년 러시아의 우크라이나 침공 이전에는 전 세계 네온 공급량의 약 70%가 우크라이나에서 러시아의 철강 생산 부산물로 생산되었다. 기준으로, 오데사와 모스크바에 공장을 보유한 Iceblick이라는 회사가 세계 네온 생산량의 65%, 그리고 크립톤과 제논의 15%를 공급했다.

2014년 크림반도 합병과 2022년 러시아의 우크라이나 침공으로 인해 우크라이나의 네온 생산에 차질이 발생하면서 네온 가격이 상승하고, 생산 기지가 중국 등으로 이동하는 등의 변화가 있었다.

7.1. 대한민국 반도체 산업에 미치는 영향

2014년 러시아의 크림반도 병합 이후 전 세계 네온 가격이 약 600% 상승하면서, 일부 반도체 제조업체는 러시아와 우크라이나 공급업체에서 중국 공급업체로 전환하기 시작했다. 2022년 러시아의 우크라이나 침공으로 전 세계 네온 공급량의 약 절반을 생산하는 우크라이나의 두 회사, Кріоін Інжинірінг^{우크라이나어}(오데사 소재)과 ІНГАЗ^{우크라이나어}(마리우폴 소재)의 운영이 중단되었다. 이는 코로나19 반도체 부족을 더욱 악화시킬 것으로 예상되며, 네온 생산이 중국으로 더욱 이동할 수 있다.

8. 용도

글로 방전을 이용한 네온등의 붉은색은 네온 사인을 이용한 광고판에 자주 사용된다. 다른 비활성 기체를 첨가하여 여러 종류의 색깔을 낼 수도 있다.

네온의 가장 큰 용도는 밝은 주홍빛을 내는 네온 조명이다. 여기에는 두 가지 유형이 있는데, 하나는 보통 네온 램프(neon glow lamp)라 부르는 것이고, 다른 하나는 네온 사인으로 대표되는 네온 방전관(neon discharge tube)이다.
* 네온 램프는 전자 기기의 표시기, 야간 실내등, 전압 조절기, 고전압 보호기로 사용된다.
* 네온 방전관은 광고판 등에 이용되었다.

네온은 피뢰기, 브라운관, 검전기 등을 만드는데도 사용되어 왔다.

네온 기체는 헬륨과 혼합되어 레이저에 사용된다. He-Ne 레이저에서 나오는 순도 높은 빛(파장 632.8 nm)은 들뜬 네온에서 나오는 것으로 헬륨은 Ne을 들뜨게 하는 작용을 한다. 붉은색의 레이저 포인터, 바코드 스캐너, 레이저 치료 그리고 광학 디스크를 읽는데 사용된다.

액체 네온은 저온 냉각기의 냉매로도 사용된다.

네온 방전관은 네온사인에 사용되는 것으로, 긴 유리관에 네온 기체를 조금 넣고 관의 양 끝에 전극을 두고 높은 전압으로 방전하여 빛을 내게 만든 장치이고 광고판 등에 이용되었다.

유리관에 낮은 압력의 기체를 넣고 방전시켜 빛을 내게 하는 장치로, 대표적인 것이 네온 기체를 넣어 붉은 빛을 내는 것이다. 기체의 종류를 바꾸면 각 기체에 특성적인 색깔의 빛이 나온다. 각종 전광판에 사용되었고, 예술 작품을 만들고 건물을 장식하는데 이용되기도 하였다. 네온사인을 더욱 발전시킨 것이 플라스마 표시 패널(PDP)로 평판 TV 등에 사용되었다. 현재는 보다 값싸고 수명이 긴 발광 다이오드(LED)로 거의 대체되었다. 네온사인은 주로 광고 ·장식 등에 사용된다. 구조는 지름 12~15 mm의 긴 유리관 양단에 철 또는 구리로 된 원통형 전극(電極)을 설치하고 유리관 내부에 수 mm 수은주의 수은과 네온이나 아르곤, 그 밖의 가스를 미량 흡입시키고 봉한 것이다. 이 방전등은 형광등과 마찬가지로 글로 방전현상으로 생기는 양광주라는 발광부를 이용한 것으로 두 전극 사이에 고전압을 인가(印加)하면 내부가스가 차례로 이온화하여 발광한다.

네온 전구는 네온사인에 쓰이는 네온관과 마찬가지로 글로방전을 이용한 것이다. 다만 네온관에서는 양광주(陽光柱)를 광원으로 이용하지만 네온전구는 음(陰) 글로의 빛을 이용한다.