몰리브데넘

3. 특성

몰리브데넘은 주기율표의 전이 금속에 속하는 원소이다. 순수한 상태에서는 은백색을 띠며 매우 단단한 특성을 가진다. 녹는점과 끓는점이 매우 높아 고온 환경에서 견딜 수 있는 고융점금속으로 분류된다. 이러한 특성 덕분에 소량만 첨가해도 강철의 강도를 높이는 데 사용된다.

내부식성이 강하여 고온 및 고압 환경에 사용되기도 하지만, 산소와 쉽게 반응하여 산화되는 단점이 있어 진공 상태나 비활성 기체 환경에서 주로 사용된다. 또한, 기계적 강도가 높아 가공이 어려운 편이다.

몰리브데넘 화합물은 다양한 분야에서 활용된다. 석유 정제 과정에서 탈황 촉매로 사용되며^[137][138], 여러 화학 공정(예: 무수 프탈산, 무수 말레산, 아크릴산, 벤질 알코올 생산)에서도 촉매 역할을 한다.^{[139][140][141]} 또한 특수 거울^[134][135]이나 태양 전지^[136] 제조에도 이용된다.

생물학적으로도 중요한 역할을 한다. 식물의 성장에 필요한 주요 영양소이며, 잔틴 산화 효소를 포함한 여러 효소의 필수 구성 성분이다. 인체 내에서는 필수 미네랄로서 활성 산소를 제거하는 반응, 요산 생성, 조혈 작용, 체내 구리 배출 등에 관여한다. 미생물의 질소 고정 과정에서도 니트로게나아제와 같은 효소를 통해 중요한 역할을 수행한다.

몰리브데넘이라는 이름은 납 광물인 방연광과 비슷하게 생긴 광물인 휘수연광(molybdenite)에서 유래했다. 휘수연광의 영어 명칭은 그리스어로 납을 의미하는 μόλυβδος|몰리브도스^grc에서 비롯되었다.

주요 생산국은 미국과 칠레로, 이 두 국가가 전 세계 생산량의 상당 부분을 차지한다.

3. 1. 물리적 특성

3. 2. 화학적 특성

3. 3. 동위 원소

4. 화합물

몰리브데넘은 −4에서 +6까지의 산화 상태에서 화합물을 형성한다. 높은 산화 상태(+4, +6)는 지구상에서의 존재와 생물학적 역할과 더 관련이 있으며, 중간 산화 상태는 종종 금속 클러스터와 관련이 있고, 매우 낮은 산화 상태는 일반적으로 유기몰리브데넘 화합물과 관련이 있다. 몰리브데넘과 텅스텐의 화학적 특성은 매우 유사하다. 예를 들어, 몰리브데넘(III)은 상대적으로 드문 반면 크로뮴(III) 화합물은 널리 퍼져 있다. 가장 높은 산화 상태는 삼산화몰리브덴(MoO₃)에서 볼 수 있으며, 일반적인 황 화합물은 이황화몰리브덴 MoS₂이다.^[43]

• 염화몰리브덴(II) MoCl₂는 육량체 Mo₆Cl₁₂ 및 관련된 이온 [Mo₆Cl₁₄]^2-로 존재한다.
• 염화몰리브덴(III) MoCl₃는 진한 빨간색 고체이며, 삼원자 음이온 복합체 [MoCl₆]^3-로 전환된다.
• 염화몰리브덴(IV) MoCl₄는 검은색 고체이며, 중합체 구조를 채택한다.
• 염화몰리브덴(V) MoCl₅는 진한 녹색 고체이며, 이량체 구조를 채택한다.
• 염화몰리브덴(VI) MoCl₆는 검은색 고체이며, 단량체이며 상온에서 천천히 MoCl₅와 Cl₂로 분해된다.^[20]

5. 존재 및 생산

=== 생산 공정 ===

몰리브데나이트(MoS₂)를 처리하여 몰리브데넘을 생산하는 과정은 다음과 같다.

# '''로스팅''': 광석을 700°C의 온도에서 공기 중에서 가열(로스팅)한다. 이 과정에서 이산화황(SO₂) 기체와 삼산화몰리브덴(MoO₃)이 생성된다.^[43]

#: 2MoS₂ + 7O₂ → 2MoO₃ + 4SO₂

# '''추출''': 생성된 삼산화몰리브덴을 수용액 상태의 암모니아(NH₃)로 추출하여 몰리브덴산암모늄((NH₄)₂MoO₄)을 만든다.

#: MoO₃ + 2NH₃ + H₂O → (NH₄)₂(MoO₄)

# '''정제''': 몰리브데나이트에 포함된 불순물인 구리는 이 단계에서 황화수소(H₂S) 처리를 통해 분리한다.^[43] 몰리브덴산암모늄은 이몰리브덴산암모늄((NH₄)₂Mo₂O₇)으로 전환시켜 고체로 분리한 뒤, 이를 가열하여 다시 삼산화몰리브덴(MoO₃)을 얻는다.^[42]

#: (NH₄)₂Mo₂O₇ → 2MoO₃ + 2NH₃ + H₂O

#: 얻어진 조(粗)삼산화물은 1100°C에서 승화시켜 더욱 정제할 수 있다.

# '''환원''': 최종적으로 정제된 삼산화몰리브덴을 수소(H₂)로 환원시켜 금속 몰리브데넘(Mo)을 생산한다.

#: MoO₃ + 3H₂ → Mo + 3H₂O

강철 생산에 사용되는 몰리브데넘은 알루미늄 환원법으로 환원시키며, 이때 철을 첨가하여 페로몰리브덴을 생산한다. 일반적인 페로몰리브덴은 약 60%의 몰리브데넘을 함유한다.^[43][44]

=== 시장 및 가격 ===

몰리브데넘의 가격은 변동성이 큰 편이다. 2009년 8월 기준 가격은 톤당 약 3만달러 수준이었다. 1997년부터 2003년까지는 톤당 1만달러 안팎을 유지했으나, 2005년 6월에는 톤당 10.3만달러까지 치솟으며 최고가를 기록하기도 했다.^[45] 2008년 런던금속거래소(LME)는 몰리브데넘을 상품으로 상장하여 거래하기 시작했다.^[46]

=== 중국의 수출 규제와 해소 ===

중국은 1999년부터 자국의 중요 전략 자원으로 간주되는 희토류, 텅스텐, 몰리브데넘에 대해 수출량 제한 조치를 순차적으로 도입했으며, 2006년부터는 수출세까지 부과했다. 특히 2010년 하반기에는 수출 할당량을 대폭 줄여 몰리브데넘을 포함한 희소 금속 가격이 급등하는 등 국제 시장에 혼란을 야기했다.

이러한 중국의 보호무역주의적 조치에 대응하여 일본, 미국, 유럽 연합(EU)은 2012년 3월, 중국의 수출 규제가 세계무역기구(WTO) 협정에 위배된다며 WTO에 제소했다. 같은 해 6월에는 분쟁 해결을 위한 패널 설치를 요청했다. WTO는 이러한 제소를 받아들여 중국의 조치가 협정 위반이라고 판정했으며, 그 결과 중국은 2015년에 몰리브데넘, 텅스텐, 희토류에 부과하던 수출세와 수출량 제한 조치를 폐지하게 되었다.^[132] 이는 자원 보유국의 일방적인 시장 통제 시도에 대해 국제 사회가 공조하여 대응한 사례로 평가받는다.

6. 용도

몰리브데넘은 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 수행한다. 가장 대표적인 용도는 합금 원소로서의 활용이다. 소량만 첨가해도 강철의 경도, 강도, 내식성 등을 크게 향상시키므로^[1][40][50] 다양한 합금강 제조에 널리 쓰인다. 실제로 철강재료 분야에서 소비되는 몰리브데넘의 양이 가장 많다.

황화몰리브덴(IV)은 마찰계수가 낮아 산업용 윤활유나 엔진오일의 첨가제로 널리 쓰인다.^[123] 또한, 몰리브데넘 화합물, 특히 산화물은 석유 정제 과정에서의 탈황^[137][138], 아크릴산 생산^{[125][126][127][139][140][141]} 등 여러 화학 반응에서 중요한 촉매로 작용한다.

전자 산업에서는 몰리브데넘-구리 합금이 하이브리드카나 로켓의 전자 기판에 사용되며, 금속 몰리브데넘은 액정 패널 제조 라인의 박판이나 태양 전지의 하부 전극^[131][136] 등으로 활용된다. 특수 거울^{[134][135][129][130]} 제작에도 사용된다.

의료 분야에서는 방사성동위원소인 몰리브데넘-99가 암 진단 등 핵의학 검사에 필요한 테크네튬-99m을 생성하는 데 사용된다.^[124]

생물학적으로도 몰리브데넘은 중요하다. 식물의 성장에 필수적인 영양소로서 비료의 성분으로 사용되며, 인체 내에서는 요산 생성, 조혈 작용, 구리 배설 등에 관여하는 여러 효소의 구성 요소이다. 또한 미생물의 질소고정 과정에도 중요한 역할을 한다.

대한민국에서는 몰리브데넘이 산업적으로 중요성이 높지만 대부분 수입에 의존하고 있어, 국가적인 안보 차원에서 최소 60일 분의 비축 물량을 확보하도록 규정하고 있다. 이 외에도 스테인리스강 식기류나 캠핑 용품 등 일상생활과 밀접한 제품에도 크롬몰리브덴강 형태로 사용된다.

6. 1. 합금

대부분의 고강도 강철 합금(예: 41xx 강철)에는 0.25%에서 8%의 몰리브데넘이 포함된다.^[1] 매년 43000ton 이상의 몰리브데넘이 스테인리스강, 공구강, 주철, 고온 초합금 등에 사용된다.^[40]

몰리브데넘은 또한 높은 내식성과 용접성 때문에 강철 합금에 사용된다.^[40][50] 특히 스테인리스강의 내식성 향상에 크게 기여한다. 300계열 스테인리스강(특히 316계열)과 슈퍼오스테나이트계 스테인리스강(예: AL-6XN 합금, 254SMO, 1925hMo)의 내식성을 높이며,^[50] 페라이트계(예: 444 등급)^[51] 및 마르텐사이트계(예: 1.4122, 1.4418) 스테인리스강의 내식성 향상에도 사용된다. 몰리브데넘은 격자 변형을 유도하여 철 원자가 표면에서 용해되는 데 필요한 에너지를 증가시키는 방식으로 내식성을 높인다.

공구강, 특히 고속도강(하이스)에서는 2차 경화능을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 이는 텅스텐과 유사한 효과지만, 몰리브데넘은 텅스텐보다 밀도가 낮고 가격이 안정적이어서^[40] 텅스텐 대신 사용되기도 한다. 예를 들어, 고속도강의 'M' 계열(M2, M4, M42 등)은 텅스텐 기반의 'T' 계열 강철을 대체하기 위해 개발되었다. 철강 재료 분야에서 몰리브데넘과 텅스텐의 함량을 비교할 때는 질량 퍼센트를 기준으로 `Mo + 1/2W (mass%)`라는 등가식이 사용되기도 한다. 사실상 철강재료 분야에서 소비되는 몰리브데넘의 양이 가장 많다.

몰리브데넘은 극심한 온도에서도 크게 팽창하거나 연화되지 않는 특성 덕분에 고온 환경에서 사용되는 부품 제작에 유용하다.^[9][52] 군용 장갑, 항공기 부품, 전기 접점, 산업용 모터 등이 그 예이다.^[9][52] 또한 다른 금속 표면에 내화 코팅으로 사용될 수도 있다. 몰리브데넘의 녹는점은 2623°C이지만, 760°C 이상의 온도에서는 빠르게 산화되므로 진공 환경이나 비활성 분위기에서 사용하는 것이 적합하다.^[52]
TZM 합금 (Mo ~99%, Ti ~0.5%, Zr ~0.08%, 소량의 C)은 대표적인 몰리브데넘 초합금이다. 이 합금은 순수 몰리브데넘보다 약 두 배의 강도를 가지면서도 더 우수한 연성과 용접성을 보인다.^[53][54] 특히 1300°C 이상의 고온에서도 용융염에 대한 뛰어난 내식성을 가져 용융염 원자로의 재료로 주목받고 있다. FLiBe와 같은 표준 공융염 및 염 증기 환경에서 1100시간 동안 노출되었을 때 부식이 거의 측정되지 않을 정도로 안정적인 모습을 보였다.^[53][54] 이러한 우수한 고온·고압 특성 덕분에 TZM 합금은 군수 산업에서도 널리 사용되어, 어뢰 엔진 밸브, 로켓 엔진 노즐, 고온 가스 파이프라인 등 극한의 열적, 기계적 스트레스를 견뎌야 하는 부품에 적용된다.^[55][56][57] 또한 원자력 분야에서는 방사선 차폐재로도 활용된다.^[58]

철을 포함하지 않는 기타 몰리브데넘 기반 합금도 특정 분야에서 사용된다. 예를 들어, 용융 아연에 대한 내성 때문에 순수 몰리브데넘과 몰리브데넘-텅스텐 합금(70%/30%)은 용융 아연과 접촉하는 배관, 교반기 및 펌프 임펠러에 사용된다.^[59]

6. 2. 윤활제

6. 3. 촉매

이처럼 몰리브데넘은 석유화학 공업 등 다양한 산업 분야에서 촉매로서 중요한 역할을 수행한다.

6. 4. 전자 제품

• 몰리브데넘과 구리의 합금은 우수한 온도 특성과 적절한 전도성을 갖추고 있어 하이브리드카나 로켓의 전자 기판 등에 사용된다.
• 금속 몰리브데넘은 고온 영역에서의 기계적 성질이 필요할 때 텅스텐보다 저렴하여 진공관의 양극 등으로 사용되기도 한다.
• 최근에는 액정 패널 제조 라인 등에서 몰리브데넘 박판 사용이 증가하고 있다.
• 또한 태양 전지의 하부 전극으로 널리 사용되며^[131][136], 태양 전지 생산 자체에도 활용된다.

6. 5. 의료

6. 6. 기타

• 몰리브데넘 분말은 꽃양배추와 같은 일부 식물의 비료로 사용된다.^[40]
• 원소 상태의 몰리브데넘은 발전소의 대기오염 관리를 위한 NO, NO₂, NO_x 분석기에 사용된다. 350°C에서 이 원소는 적외선으로 검출하기 위해 NO₂/NO_x가 NO 분자를 형성하는 촉매 역할을 한다.^[60]
• 몰리브데넘 양극은 유방촬영술과 같은 특수 용도의 특정 저전압 X선 발생 장치에서 텅스텐을 대체한다.^[61]
• 방사성 동위원소 몰리브데넘-99는 의료 영상에 사용되는 테크네튬-99m를 생성하는 데 사용되며,^[62] 몰리브덴산염 형태로 취급 및 저장된다.^[63] 대한민국에서는 해외 원자로에서 생산된 몰리브데넘-99를 수입하여 방사성붕괴로 얻어지는 테크네튬을 제제하고 있지만, 가속기를 이용한 국산화도 시도되고 있다^[124].
• 이황화 몰리브데넘(MoS₂)은 마찰계수가 낮아 고체 윤활제, 고온고압(HPHT) 내마모제, 산업용 윤활유 및 엔진오일 첨가제로 널리 사용된다. 금속 표면에 강력한 막을 형성하며,^[64] 첨가된 유지류는 짙은 녹색을 띠어 구분하기 쉽다. 적은 양으로도 효과를 내는 유기몰리브데넘(디티오인산몰리브데넘^[121], 디티오카르밤산몰리브데넘^[122])도 사용된다^[123]. 또한 소량의 코발트와 결합하여 석유의 탈황(HDS) 촉매로 사용되어 원료에서 질소와 황을 제거하는 데 기여한다.^[65]
• 산화 몰리브데넘 계열 촉매는 유기 화합물의 선택적 산화에 중요하게 사용된다. 아크릴로니트릴, 포름알데히드,^[42] 아크롤레인, 아크릴산^{[125][126][127]}, 벤질산^[128] 등의 생산에 이용되며, 일산화탄소 산화^[68][69] 등 다양한 화학 공정에서 촉매로 활용된다. 몰리브데넘 탄화물, 질화물, 인화물은 유채유의 수소 처리에도 사용될 수 있다.^[70]
• 이규화 몰리브데넘(MoSi₂)은 전기 전도성 세라믹으로, 공기 중에서 1500°C 이상의 고온에서 작동하는 발열체에 주로 사용된다.^[66]
• 삼산화 몰리브데넘(MoO₃)은 유약과 금속 사이의 접착제로 사용된다.^[29]
• 몰리브덴산납(황산납광)은 크롬산납, 황산납과 함께 공침전되어 세라믹과 플라스틱에 사용되는 밝은 주황색 안료를 만든다.^[67]
• 헵타몰리브덴산암모늄은 생물학적 염색에 사용된다.^[71]
• 인몰리브덴산은 박층 크로마토그래피^[72] 및 조직화학의 삼색 염색에 사용되는 염색제이다.^[73]
• 몰리브데넘 코팅 소다석회 유리는 CIGS 태양 전지에 사용된다. 금속 몰리브데넘은 액정패널 제조 라인 등에서 박판 형태로 사용이 증가하고 있으며, 태양전지 하부 전극으로도 널리 쓰인다.^[131][136] 또한 특수 거울^{[129][130][134][135]} 제조에도 활용된다.
• 몰리브데넘과 구리의 합금은 우수한 내열성과 적절한 전기 전도성을 갖추어 하이브리드카나 로켓의 전자 기판 등에 사용된다.
• 크롬몰리브덴강과 같은 형태로 스테인리스강 식기류나 캠핑 용품 제작에 사용된다.

7. 생물학적 역할

몰리브데넘은 미생물, 식물, 동물을 포함한 다양한 생물종에 필수적인 미량 원소이다. 특히 미생물이 대기 중 질소를 고정하는 데 사용하는 효소(니트로게나아제)의 핵심 성분으로, 지구의 질소 순환에 중요한 역할을 한다. 식물의 성장에도 필수적인 영양소이므로, 몰리브데넘 화합물은 비료로도 활용된다. 인체에서는 필수 미네랄로서 다양한 효소의 구성 성분이 되어 체내 여러 생화학 반응에 필수적인 역할을 한다.

7. 1. 몰리브데넘 함유 효소

• '''질소 고정 효소''' (니트로게나제): 몰리브데넘 함유 효소 중 유일하게 몰리브도프테린 대신 FeMoco라는 독특한 철-몰리브데넘-황 클러스터를 보조인자로 사용한다.^[77][79][80] 이 효소는 대기 중의 질소(N₂)를 암모니아(NH₃)로 전환하는 질소고정 과정을 촉매한다. 이 과정은 생물이 질소를 이용 가능한 형태로 만드는 데 필수적이며, 특히 콩과 식물의 뿌리에 공생하는 뿌리혹박테리아 등에서 중요한 역할을 한다. 지구상 질소고정량의 상당 부분이 몰리브데넘 효소에 의해 이루어진다.

• '''크산틴 산화효소''' (Xanthine oxidase): 포유류를 포함한 동물에서 퓨린 이화작용의 마지막 단계에 관여한다.^[9] 이 효소는 크산틴을 요산으로 산화시키는 반응을 촉매한다. 체내 몰리브데넘 농도는 크산틴 산화효소의 활성에 영향을 미칠 수 있다.^[82]

• '''알데히드 산화효소''' (Aldehyde oxidase): 다양한 알데하이드를 해당 카르복실산으로 산화시키는 반응을 촉매한다.^[9] 포유류에서는 알코올 대사 과정에서 생성되는 아세트알데하이드와 같은 물질의 해독에도 관여하는 알데하이드 탈수소효소와 함께 중요한 역할을 한다.

• '''아황산 산화효소''' (Sulfite oxidase): 독성이 있는 아황산 이온(SO₃²⁻)을 독성이 적은 황산 이온(SO₄²⁻)으로 산화시키는 반응을 촉매한다.^[9] 이는 황 함유 아미노산의 대사 과정에서 필수적이다.

7. 2. 인체 대사 및 결핍

7. 3. 섭취 권장량 및 급원 식품

• 적정 섭취량 (AI):
• 생후 0~6개월: 2 μg/일
• 생후 7~12개월: 3 μg/일
• 권장 섭취량 (RDA): 남녀 동일

• 임신 및 수유부 (14~50세): 50 μg/일
• 내성 상한 섭취량(UL): 하루 2000 μg^[109]

• 동물의 간: 돼지고기, 양고기, 소고기 간 (약 1.5 ppm)
• 콩류: 강낭콩, 렌틸콩 등
• 곡물
• 계란
• 해바라기씨
• 밀가루
• 오이

7. 4. 과잉 섭취 및 독성

8. 대한민국 산업과 몰리브데넘

몰리브데넘은 대한민국에서 산업적으로 중요성이 높지만 지각 존재도가 낮고 공급 구조가 취약하여 소비량 전량을 수입에 의존하고 있다. 국제 정세 급변에 대비한 안보 대책으로 국내 소비량의 최소 60일분을 비축하도록 법적으로 규정되어 있다.

몰리브데넘은 다양한 산업 분야에서 핵심 소재로 활용된다.

• 철강 산업: 산화몰리브덴(VI)이나 페로몰리브덴 형태로 다양한 합금강(크롬몰리브덴강, 망간몰리브덴강, 니켈크롬몰리브덴강 등)의 첨가 원소로 사용되며, 특히 공구강(고속도공구강) 제조에 중요하게 쓰여 2차 경화능을 높인다. 사실상 철강재료 분야에서 소비되는 몰리브덴이 가장 많다.
• 석유화학 산업: 프로판, 프로필렌 또는 아크롤레인을 아크릴산으로 선택적으로 산화시키는 고성능 촉매의 중요 성분이며^{[125][126][127]}, 벤질산 제조에도 유용하다^[128].
• 전자산업 및 기타:
• 황화몰리브덴(IV)은 마찰계수가 낮아 산업용 윤활유나 엔진오일의 첨가제로 널리 쓰인다. 적은 첨가량으로 동일한 효과를 발휘하는 유기몰리브덴(디티오인산몰리브덴^[121]이나 디티오카르밤산몰리브덴^[122])도 사용된다^[123].
• 몰리브덴과 구리의 합금은 우수한 온도 특성과 적절한 도전성으로 하이브리드카나 로켓의 전자 기판 등에 사용된다.
• 금속 몰리브덴은 고온 환경이 요구되는 진공관의 양극 등에 사용되며, 최근 액정패널 제조 라인 등에서 박판 형태로 사용이 증가하고 있다. 또한 태양전지의 하부 전극으로도 널리 사용되고 있다.
• 의료 분야: 방사성동위원소인 몰리브덴-99는 암 진단 등 핵의학 분야에서 중요하게 이용된다. 대한민국은 해외 원자로에서 생산된 몰리브덴-99를 수입하여 방사성붕괴로 얻어지는 테크네튬을 제제하고 있지만, 가속기를 이용한 국산화 시도도 이루어지고 있다^[124].

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