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나이오븀

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목차

1. 개요

나이오븀은 은회색을 띠는 전이 금속 원소로, 기호는 Nb, 원자 번호는 41이다. 1801년 영국의 화학자 찰스 해체트에 의해 발견되었으며, 한때 콜럼븀으로 불리기도 했다. 나이오븀은 강철 제조, 초합금, 초전도체 등 다양한 분야에서 사용된다. 강철의 강도를 높이는 데 사용되며, 초합금은 제트 엔진 부품, 가스 터빈 등에 활용된다. 또한, 나이오븀-주석 합금은 MRI 장비와 같은 초전도 전자석 제작에 사용된다. 나이오븀은 생체 적합성이 높아 의료용 임플란트에도 사용되며, 양극 산화 처리를 통해 다양한 색상을 내어 보석류에도 활용된다.

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  • 나이오븀 - 나이오븀 동위 원소
    자연 상태에서 안정 동위 원소인 93Nb가 존재하는 나이오븀 동위 원소는 32개의 방사성 동위 원소가 확인되었으며, 질량수에 따라 붕괴 방식이 달라 핵의학, 재료 과학, 산업 등 다양한 분야에서 연구 및 활용될 뿐만 아니라 방사선 안전 규정 준수가 필요하다.
  • 가상 인물의 이름이 포함된 화학 원소 - 토륨
    토륨은 은백색의 방사성 악티늄족 금속 원소로, 높은 녹는점과 끓는점을 가지며 지구 지각에 풍부하게 존재하고 핵연료로서의 잠재력을 지니지만, 방사능으로 인해 사용이 감소하고 있다.
  • 가상 인물의 이름이 포함된 화학 원소 - 탄탈럼
    탄탈럼은 1802년 발견된 청회색 전이 금속으로, 니오븀과 유사한 화학적 성질, 뛰어난 내식성, 높은 융점을 가지며 축전기, 합금, 의료용 임플란트 등에 사용되고 콩고민주공화국 콜탄 채굴과 관련된 분쟁 광물 이슈가 있다.
  • 전이 금속 - 아연
    아연은 청회색 금속으로, 적당한 반응성을 지닌 환원제이며, 내식성이 뛰어나 도금에 사용되고, 합금의 주요 성분이며, 인체 필수 미량 원소이지만 과다 섭취 시 독성을 나타낸다.
  • 전이 금속 - 백금
    백금은 은백색의 귀금속으로, 화학적으로 안정적이고 다양한 용도로 사용되며, 촉매, 전기 접점 재료, 장신구, 자동차 배기가스 제어 장치 등에 사용되고, 남아프리카 공화국과 러시아에서 주로 생산된다.
나이오븀
일반 정보
회색 금속성, 산화 시 푸르스름함
니오브 결정 및 1cm3 큐브
원소 기호Nb
원자 번호41
명명 유래그리스 신화의 니오베(Niobe) (탄탈로스(Ta)의 딸)
발견자찰스 해쳇(Charles Hatchett)
발견 년도1801년
최초 분리크리스티안 빌헬름 블롬스트란트(Christian Wilhelm Blomstrand)
최초 분리 년도1864년
원소 인정하인리히 로제(Heinrich Rose) (1844년)
일본어 이름니오부 (ニオブ)
발음 (영어); alternatively,
주기율표
왼쪽지르코늄
오른쪽몰리브데넘
위V
아래Ta
족5
주기5
블록d
계열전이 금속
물리적 성질
겉모습회색 금속, 산화 시 푸르스름함
상고체
밀도8.582 g/cm3 (20°C에서)
액체 밀도7.83 g/cm3 (녹는점에서, 액체)
녹는점2750 K (2477 °C, 4491 °F)
끓는점5017 K (4744 °C, 8571 °F)
융해열30 kJ/mol
기화열689.9 kJ/mol
열용량24.60 J/(mol·K)
증기압2942 K에서 1 Pa
3207 K에서 10 Pa
3524 K에서 100 Pa
3910 K에서 1 kPa
4393 K에서 10 kPa
5013 K에서 100 kPa
결정 구조체심 입방정계
격자 상수a = 330.05 pm (20 °C에서)
전기 저항152 nΩ·m (0 °C에서)
열전도율53.7 W/(m·K)
열팽창 계수7.07×10-6/K (20 °C에서)
음속 (막대)3480 m/s (20 °C에서)
영률105 GPa
전단 탄성 계수38 GPa
부피 탄성 계수170 GPa
포아송 비0.40
모스 굳기6.0
비커스 굳기870–1320 MPa
브리넬 굳기735–2450 MPa
자기 질서상자성
원자 정보
산화 상태'5', 4, 3, 2, -1 (약산성 산화물)
전기 음성도1.6 (폴링 척도)
이온화 에너지1차: 652.1 kJ/mol
2차: 1380 kJ/mol
3차: 2416 kJ/mol
원자 반지름146 pm
공유 반지름164±6 pm
전자 배치[Kr] 4d4 5s1
껍질 당 전자 수2, 8, 18, 12, 1
동위 원소
주요 동위 원소니오브-93 (93Nb)
안정 동위 원소 비율100%
기타 동위 원소 정보91Nb, 91mNb, 92Nb, 92mNb, 93mNb, 94Nb, 95Nb, 95mNb

2. 명칭

나이오븀은 1801년 영국의 화학자 찰스 해chet에 의해 확인되었다.[4][5][6] 그는 1734년 존 윈throp FRS(존 윈throp 주니어의 손자)에 의해 미국 코네티컷주에서 영국으로 보내진 광물 표본에서 새로운 원소를 발견하고, 그 광물을 "콜럼바이트"라고 명명했으며, 새로운 원소는 미국을 지칭하는 시적인 이름인 ''콜럼비아''를 따서 "콜럼븀"이라고 명명했다.[9][7][8] 해chet가 발견한 ''콜럼븀''은 아마도 새로운 원소와 탄탈륨의 혼합물이었을 것이다.[9]

이후, 콜럼븀(나이오븀)과 밀접하게 관련된 탄탈륨의 차이에 상당한 혼란이 있었다.[10] 1809년, 영국의 화학자 윌리엄 하이드 울라스턴은 콜럼븀—비중 5.918 g/cm3인 콜럼바이트와 탄탈륨—탄탈석, 비중이 8 g/cm3 이상인 산화물을 비교하여, 밀도의 상당한 차이에도 불구하고 두 산화물이 동일하다고 결론지었다. 그리하여 그는 탄탈륨이라는 이름을 유지했다.[10] 이 결론은 1846년 독일의 화학자 하인리히 로제에 의해 반박되었는데, 그는 탄탈석 샘플에 두 가지 다른 원소가 있다고 주장하고, 그 원소들을 탄탈로스의 자녀들의 이름을 따서 각각 ''나이오븀''( 니오베에서)과 ''펠로퓸''(펠롭스에서)이라고 명명했다.[11][12] 이러한 혼란은 탄탈륨과 나이오븀 사이의 미미한 차이에서 발생했다. 주장된 새로운 원소인 ''펠로퓸'', ''일메늄'', ''다이늄''은[13] 실제로 나이오븀과 동일하거나 나이오븀과 탄탈륨의 혼합물이었다.[14]

탄탈륨과 나이오븀의 차이는 1864년 크리스티안 빌헬름 블롬스트란드와 앙리 에티엔 생트클레어 드빌, 루이 J. 트루스트에 의해 명확하게 입증되었으며, 1865년에는 몇몇 화합물의 화학식을 결정했고[14][35], 1866년 스위스의 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크에 의해 최종적으로 두 원소만 존재한다는 것이 증명되었다. [15] '일메늄'에 관한 기사는 1871년까지 계속해서 나타났다.[16]

드 마리냐크는 1864년 금속을 처음으로 제조했는데, 그는 산화환원에서 나이오븀 클로라이드를 수소 분위기에서 가열하여 환원시켰다.[17] 드 마리냐크는 1866년까지 탄탈륨이 없는 나이오븀을 대규모로 생산할 수 있었지만, 20세기 초에 나이오븀이 백열 전구 필라멘트에 사용되면서 최초의 상업적 응용이 이루어졌다.[35] 이러한 용도는 나이오븀이 녹는점이 더 높은 텅스텐으로 대체되면서 빠르게 구식이 되었다. 나이오븀이 강철의 강도를 향상시킨다는 것은 1920년대에 처음 발견되었으며, 이러한 응용이 현재까지 주된 용도로 남아 있다.[35] 1961년, 미국의 물리학자 유진 컨즐러와 벨 연구소의 연구원들은 나이오븀-주석이 강한 전류와 자기장에서도 초전도성을 계속 유지한다는 것을 발견했다.[18] 이는 유용한 고전력 자석과 전력 기계에 필요한 높은 전류와 장을 지원하는 최초의 물질이 되었다. 이 발견으로 20년 후, 회전 기계, 입자 가속기 및 입자 검출기를 위한 크고 강력한 전자석을 만들기 위해 코일로 감긴 긴 다중 가닥 케이블을 생산할 수 있게 되었다.[19][20]

'''컬럼븀'''(기호: Cb)[21]은 1801년 해체트가 이 금속을 발견했을 때 처음 붙인 이름이다.[5] 이 이름은 그 광석의 표본이 미국(컬럼비아)에서 유래한 것을 반영했다.[22] 이 이름은 미국 학술지에서 계속 사용되었으며, 미국 화학 학회에서 제목에 ''컬럼븀''이 들어간 마지막 논문은 1953년에 발표되었다.[23] 반면 유럽에서는 ''니오븀''을 사용했다. 이러한 혼란을 종식시키기 위해 1949년 암스테르담에서 열린 제15차 화학 연합 회의에서 원소 41의 이름으로 ''니오븀''이 선택되었다.[24] 1년 후, 이 이름은 ''컬럼븀''이라는 이름이 먼저 사용되었음에도 불구하고 100년 간의 논쟁 끝에 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에 의해 공식적으로 채택되었다.[24] 이는 일종의 타협이었다.[24] IUPAC는 북미의 사용법을 존중하여 텅스텐 대신 텅스텐을, 유럽의 사용법을 존중하여 ''컬럼븀'' 대신 ''니오븀''을 채택했다. 많은 미국 화학 학회와 정부 기관들이 일반적으로 IUPAC의 공식 명칭을 사용하지만, 일부 야금학자들과 금속 학회에서는 여전히 원래 미국식 이름인 "''컬럼븀''#REDIRECT를 사용한다.[25][82][26][27]

부드럽고 회색을 띠며 결정질인 전이 금속으로, 파이로클로어나 콜롬바이트와 같은 광물로 산출되며, 후자에서 유래하여 한때 '''콜롬븀'''이라고 불리기도 했다. 니오브라는 이름은 그리스 신화에 유래하며, 탄탈의 어원이 된 탄탈로스의 딸인 니오베에서 유래했다. 이 이름은 탄탈과 니오브가 물리적, 화학적으로 매우 유사하여 구별하기 어렵다는 특징을 반영한 것이다[131]。

영국의 화학자 찰스 해켓이 1801년에 탄탈과 유사한 신원소를 보고하고 콜롬븀이라고 명명했다. 1809년에는 역시 영국의 화학자 윌리엄 울러스턴이 오해로 탄탈과 콜롬븀이 동일한 물질이라고 결론지었다. 독일의 화학자 하인리히 로제는 1846년에 탄탈의 광석에 또 다른 원소가 포함되어 있다고 판단하고 이를 니오브라고 명명했다. 1864년과 1865년에 일련의 과학적 발견을 통해 니오브와 과거 콜롬븀이라고 불렸던 것이 동일한 원소임이 밝혀졌고, 그 후 1세기 동안 니오브와 콜롬븀이라는 이름이 모두 동일한 물질을 지칭하는 단어로 사용되었다. 1949년에 니오브라는 이름이 공식적으로 이 원소의 이름으로 채택되었지만, 그 후에도 미국에서는 광업 분야에서 여전히 콜롬븀이라는 이름이 남아있다.

콜롬븀(원소 기호 Cb)[132]는 1801년 니오브가 처음 발견되었을 때 해켓이 붙인 이름이었다[139]。이 이름은 발견에 사용된 표본이 미국(컬럼비아)에서 보내진 것에 유래했다[133]。 미국의 논문에서는 이 이름이 계속 사용되었고, 미국 화학회가 콜롬븀이라는 이름을 제목으로 하는 마지막 논문을 공표한 것은 1953년이었다. 한편, 유럽에서는 니오브라는 이름이 사용되었다[134]。 이러한 혼란을 종식시키기 위해 1949년 암스테르담에서 열린 제15회 화학 연합 회의에서 41번 원소의 이름으로 니오브가 선택되었다[135]。 역사적으로 콜롬븀이라는 이름이 먼저 사용되었음에도 불구하고, 이듬해 100년에 걸친 논쟁 끝에 국제 순수·응용 화학 연합 (IUPAC)에 의해 공식적으로 니오브라는 이름이 채택되었다[135]。 이는 일종의 타협이었으며[135], IUPAC은 텅스텐이라는 이름보다 북아메리카에서 사용되는 텅스텐이라는 이름을 채택하는 대신에, 콜롬븀이라는 이름보다 유럽에서 사용되는 니오브라는 이름을 채택했다. 미국의 많은 화학 관련 조직 및 정부 조직에서는 공식 IUPAC 명칭을 사용하고 있지만, 일부 야금 관련자나 금속 관련 조직에서는 여전히 미국의 이름인 콜롬븀을 사용하고 있다[136][196][137]。

두드러진 셔츠 칼라와 넥타이를 맨 남자의 타원형 흑백 그림
영국의 화학자 찰스 해chet은 1801년 미국 코네티컷에서 발견된 광물에서 '콜럼븀'이라는 원소를 확인했다.


3. 역사

나이오븀은 1801년 영국의 화학자 찰스 해chet에 의해 확인되었다.[4][5][6] 그는 1734년 존 윈throp FRS에 의해 미국 코네티컷에서 영국으로 보내진 광물 표본에서 새로운 원소를 발견하고, 그 광물을 "콜럼바이트"라고 명명했으며, 새로운 원소는 미국을 지칭하는 시적인 이름인 ''콜럼비아''를 따서 "콜럼븀"이라고 명명했다.[9][7][8] 해chet가 발견한 ''콜럼븀''은 아마도 새로운 원소와 탄탈륨의 혼합물이었을 것이다.[9] 이후, 콜럼븀(나이오븀)과 밀접하게 관련된 탄탈륨의 차이에 상당한 혼란이 있었다.[10]

1809년, 영국의 화학자 윌리엄 하이드 울라스턴은 콜럼븀—비중 5.918 g/cm3인 콜럼바이트와 탄탈륨—탄탈석, 비중이 8 g/cm3 이상인 산화물을 비교하여, 밀도의 상당한 차이에도 불구하고 두 산화물이 동일하다고 결론지었다. 그리하여 그는 탄탈륨이라는 이름을 유지했다.[10] 이 결론은 1846년 독일의 화학자 하인리히 로제에 의해 반박되었는데, 그는 탄탈석 샘플에 두 가지 다른 원소가 있다고 주장하고, 그 원소들을 탄탈루스의 자녀들의 이름을 따서 각각 ''나이오븀'' ( 니오베에서)과 ''펠로퓸'' ( 펠롭스에서)이라고 명명했다.[11][12] 이러한 혼란은 탄탈륨과 나이오븀 사이의 미미한 차이에서 발생했다. 주장된 새로운 원소인 ''펠로퓸'', ''일메늄'', ''다이늄''은[13] 실제로 나이오븀과 동일하거나 나이오븀과 탄탈륨의 혼합물이었다.[14]

탄탈륨과 나이오븀의 차이는 1864년 크리스티안 빌헬름 블롬스트란드와 앙리 에티엔 생트클레어 드빌, 루이 J. 트루스트에 의해 명확하게 입증되었으며, 1865년에는 몇몇 화합물의 화학식을 결정했고[14][35], 1866년 스위스의 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크에 의해 최종적으로 두 원소만 존재한다는 것이 증명되었다. [15] '일메늄'에 관한 기사는 1871년까지 계속해서 나타났다.[16]

드 마리냐크는 1864년 금속을 처음으로 제조했는데, 그는 산화환원에서 나이오븀 클로라이드를 수소 분위기에서 가열하여 환원시켰다.[17] 드 마리냐크는 1866년까지 탄탈륨이 없는 나이오븀을 대규모로 생산할 수 있었지만, 20세기 초에 나이오븀이 백열 전구 필라멘트에 사용되면서 최초의 상업적 응용이 이루어졌다.[35] 이러한 용도는 나이오븀이 녹는점이 더 높은 텅스텐으로 대체되면서 빠르게 구식이 되었다. 나이오븀이 강철의 강도를 향상시킨다는 것은 1920년대에 처음 발견되었으며, 이러한 응용이 현재까지 주된 용도로 남아 있다.[35]

1961년, 미국의 물리학자 유진 컨즐러와 벨 연구소의 연구원들은 나이오븀-주석이 강한 전류와 자기장에서도 초전도성을 계속 유지한다는 것을 발견했다.[18] 이는 유용한 고전력 자석과 전력 기계에 필요한 높은 전류와 장을 지원하는 최초의 물질이 되었다. 이 발견으로 20년 후, 회전 기계, 입자 가속기 및 입자 검출기를 위한 크고 강력한 전자석을 만들기 위해 코일로 감긴 긴 다중 가닥 케이블을 생산할 수 있게 되었다.[19][20]

4. 특성

나이오븀은 실온에서 공기 중에 장시간 노출되면 산화되어 푸르스름한 색을 띤다.[34] 지르코늄보다는 전기음성도와 밀도가 약간 더 높으며, 란타넘족 수축 때문에 바로 다음 주기에 있는 탄탈럼과 비슷한 크기의 원자를 가진다.[39] 이러한 이유로 나이오븀의 화학적 성질은 지르코늄이나 탄탈럼과 매우 흡사하다.[35] 고온에서는 거의 모든 비금속 원소와 반응하여 화합물을 만들며, 산이나 염기에는 잘 부식되지 않는다. 산화수는 -1에서 +5까지 가질 수 있으며, +5인 화합물이 가장 흔하다.

나이오븀은 녹는점이 2,468 °C로 높지만, 다른 내화 금속보다는 밀도가 낮다. 부식에 강하고 초전도성을 보이며, 유전체 산화물 층을 형성한다. 지르코늄보다 약간 덜 친전자성이고 더 조밀하며, 란타넘족 수축으로 탄탈럼 원자와 크기가 거의 같다.[175] 나이오븀의 부식 내성은 탄탈럼만큼 뛰어나진 않지만, 가격이 저렴하고 가용성이 높아 화학 공장의 용기 안감 등에 사용된다.[39]

자연에서 발견되는 안정한 나이오븀 동위 원소는 93Nb이다.[36] 2003년까지 원자량 81에서 113 사이에서 최소 32종류의 인공 방사성 동위 원소가 합성되었다. 이들 중 가장 안정한 것은 92Nb로 반감기가 약 3470만 년이다. 92Nb는 94Nb와 함께 지상의 나이오븀 정제 샘플에서 검출되었으며, 지구 지각 내 우주선 뮤온의 충돌로 인해 발생했을 수 있다.[37] 가장 불안정한 나이오븀 동위 원소 중 하나는 113Nb이며, 추정 반감기는 30 밀리초이다. 안정적인 93Nb보다 가벼운 동위 원소는 β+ 붕괴를, 더 무거운 동위 원소는 β− 붕괴를 하는 경향이 있으며, 일부 예외가 있다. 81Nb, 82Nb, 84Nb는 사소한 β+ 지연 양성자 방출 붕괴 경로를 가지며, 91Nb는 전자 포획 및 양전자 방출으로 붕괴하고, 92Nb는 β+ 및 β− 붕괴 둘 다로 붕괴한다.[36]

최소 25종류의 핵 이성질체가 설명되었으며, 원자 질량은 84에서 104까지이다. 이 범위 내에서 96Nb, 101Nb 및 103Nb만이 이성질체를 갖지 않는다. 나이오븀의 가장 안정한 이성질체는 반감기가 16.13년인 93mNb이다. 가장 불안정한 이성질체는 반감기가 103 ns인 84mNb이다. 92m1Nb를 제외한 나이오븀의 모든 이성질체는 이성질체 전이 또는 베타 붕괴에 의해 붕괴하며, 92m1Nb는 사소한 전자 포획 분기를 갖는다.[36]

4. 1. 물리적 특성

나이오븀은 은회색의 광택이 있는 상자성 금속으로 주기율표의 5족에 속한다. 그러나 제일 바깥의 전자껍질 1개당 전자의 개수는 같은 족 원소들과 다르며(바나듐 2개, 나이오븀 1개, 탄탈럼 2개), 이는 같은 주기에 속하는 원소인 루테늄, 로듐, 팔라듐에서도 나타난다.

Z원소껍질 내 전자 수
23바나듐2, 8, 11, 2
41나이오븀2, 8, 18, 12, 1
73탄탈럼2, 8, 18, 32, 11, 2
105두브늄2, 8, 18, 32, 32, 11, 2



나이오븀은 절대 영도에서 녹는점까지 체심 입방 격자 구조를 가질 것으로 생각되지만, 세 결정 축을 따라 열팽창을 고해상도로 측정하면 입방 구조와 일치하지 않는 비등방성이 나타난다.[29] 따라서 이 분야에 대한 추가 연구와 발견이 예상된다.

나이오븀은 극저온 온도에서 초전도체가 된다. 대기압에서 9.2 K로, 단일 원소 초전도체 중 가장 높은 임계 온도를 갖는다.[30] 나이오븀은 모든 원소 중 가장 큰 자기 침투 깊이를 가지고 있다.[30] 또한, 바나듐 및 테크네튬과 함께 세 가지 단일 원소 제2종 초전도체 중 하나이다. 초전도 특성은 나이오븀 금속의 순도에 크게 의존한다.[31]

매우 순수한 경우 상대적으로 부드럽고 연성이 있지만 불순물은 경도를 증가시킨다.[39]

이 금속은 열 중성자에 대한 낮은 중성자 포획 단면적을 가진다;[32] 따라서 중성자 투과 구조가 필요한 원자력 산업에서 사용된다.[33]

4. 2. 화학적 특성

나이오븀은 실온에서 공기 중에 장시간 노출시키면 산화되어 푸르스름한 색을 띤다.[34] 원자 번호가 하나 작은 지르코늄보다는 전기음성도와 밀도가 약간 더 높으며, 란타넘족 수축에 의해 바로 다음 주기에 위치하는 탄탈럼과 비슷한 크기의 원자를 가진다.[39] 이 때문에 나이오븀의 화학적 성질은 지르코늄이나 탄탈럼과 매우 흡사하다.[35] 고온에서는 거의 모든 비금속 원소와 반응하여 화합물을 생성한다. 산이나 염기에는 잘 부식되지 않는다. -1에서 +5까지의 산화수를 가질 수 있는데, 이 중 가장 많이 발견되는 것은 산화수가 +5인 화합물의 형태이다.

나이오븀은 원소 형태에서 녹는점이 2,468 °C로 높지만 다른 내화 금속보다 밀도가 낮다. 또한 부식에 강하고 초전도성을 보이며, 유전체 산화물 층을 형성한다.

나이오븀은 지르코늄보다 약간 덜 친전자성이며 더 조밀하며, 란타넘족 수축의 결과로 탄탈럼 원자와 크기가 거의 동일하다.[175] 나이오븀의 부식 내성은 탄탈럼만큼 뛰어나지 않지만, 가격이 저렴하고 가용성이 높아 화학 공장의 용기 안감과 같은 덜 까다로운 응용 분야에 적합하다.[39]

4. 3. 동위 원소

자연에 존재하는 안정한 나이오븀 동위 원소는 93Nb이다. 2003년까지 원자량 81에서 113 사이에서 최소 32종류의 인공 방사성 동위 원소가 합성되었다. 이들 중 가장 안정한 것은 92Nb로 반감기가 약 3470만 년이다. 또, 최소 25종류의 핵 이성질체가 발견되었다.

지구 지각에 있는 나이오븀의 거의 대부분은 안정적인 동위 원소인 93Nb이다.[36] 2003년까지, 최소 32개의 방사성 동위 원소가 합성되었으며, 원자 질량은 81부터 113까지이다. 가장 안정한 것은 반감기가 3470만 년인 92Nb이다. 92Nb는 94Nb와 함께 지상의 나이오븀 정제 샘플에서 검출되었으며, 지구 지각 내 우주선 뮤온의 충돌로 인해 발생했을 수 있다.[37] 가장 불안정한 나이오븀 동위 원소 중 하나는 113Nb이며, 추정 반감기는 30 밀리초이다. 안정적인 93Nb보다 가벼운 동위 원소는 β+ 붕괴를, 더 무거운 동위 원소는 β− 붕괴를 하는 경향이 있으며, 일부 예외가 있다. 81Nb, 82Nb, 84Nb는 사소한 β+ 지연 양성자 방출 붕괴 경로를 가지며, 91Nb는 전자 포획 및 양전자 방출으로 붕괴하고, 92Nb는 β+ 및 β− 붕괴 둘 다로 붕괴한다.[36]

최소 25개의 핵 이성질체가 설명되었으며, 원자 질량은 84에서 104까지이다. 이 범위 내에서 96Nb, 101Nb 및 103Nb만이 이성질체를 갖지 않는다. 나이오븀의 가장 안정한 이성질체는 반감기가 16.13년인 93mNb이다. 가장 불안정한 이성질체는 반감기가 103 ns인 84mNb이다. 92m1Nb를 제외한 나이오븀의 모든 이성질체는 이성질체 전이 또는 베타 붕괴에 의해 붕괴하며, 92m1Nb는 사소한 전자 포획 분기를 갖는다.[36]

지구의 지각에 포함된 니오브의 안정 동위 원소는 93Nb뿐이다.[162] 2003년까지 적어도 32개의 방사성 동위 원소가 합성되었으며, 그 질량수는 81부터 113에 이른다. 방사성 동위 원소 중에서 가장 안정한 것은 92Nb로, 그 반감기는 3470만 년에 달한다. 불안정한 동위 원소로는 113Nb가 있으며, 그 추정 반감기는 30 밀리초이다. 안정 동위 원소인 93Nb보다 가벼운 동위 원소는 양전자 방출로 붕괴하는 경향이 있으며, 안정 동위 원소보다 무거운 동위 원소는 베타 붕괴를 하는 경향이 있지만, 81Nb, 82Nb, 84Nb는 지연 양성자 방출 붕괴 계열을 가지며, 91Nb는 전자 포획과 양전자 방출을 하고, 92Nb는 양전자 방출과 베타 붕괴를 모두 한다는 예외가 있다.[162]

적어도 25종류의 핵 이성체가 확인되었으며, 그 질량수는 84부터 104에 이른다. 이 범위에서 96Nb, 101Nb, 103Nb는 핵 이성체를 가지지 않는다. 니오브의 핵 이성체 중에서 가장 안정적인 것은 93mNb로, 반감기 16.13년을 가진다. 가장 불안정한 핵 이성체는 84mNb로, 반감기 103나노초를 가진다. 니오브의 핵 이성체는 모두 핵 이성체 전이 또는 베타 붕괴로 붕괴하지만, 예외적으로 92m1Nb는 전자 포획 붕괴 계열을 가진다.[162]

5. 존재

나이오븀은 지각 속에 약 20ppm 정도 포함되어 있어 33번째로 많이 존재하는 원소이다.[38] 지구 지각에서의 존재량은 34번째 원소로, 약 20ppm이 포함되어 있는 것으로 여겨진다.[174] 일부에서는 지구상의 풍부도가 훨씬 높으며, 원소의 높은 밀도로 인해 지구 핵에 집중되어 있다고 믿고 있다.[82][196] 자연 상태에서 자유 원소로는 발견되지 않으며, 다른 원소와 결합된 광물 형태로 존재한다.[39][175] 대부분의 경우, 나이오븀과 탄탈럼은 광석 속에 함께 들어있다. 나이오븀을 함유한 광물은 종종 탄탈럼도 함께 함유한다. 예로는 콜럼바이트(Fe,Mn)Nb2O6)와 콜럼바이트-탄탈라이트 (또는 콜탄, (Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6)가 있다.[77][171] 콜럼바이트-탄탈라이트 광물(가장 흔한 종류는 콜럼바이트-(Fe)와 탄탈라이트-(Fe)이며, 여기서 "-(Fe)"는 망간과 같은 다른 원소보다 철의 우세를 나타내는 레빈슨 접미사이다[40][41][42][43][176])은 일반적으로 페그마타이트 관입에서 부성분 광물로, 그리고 알칼리성 관입암에서 발견된다. 덜 흔한 것은 칼슘, 우라늄, 토륨 및 희토류 원소의 니오브산염이다. 이러한 니오브산염의 예로는 파이로클로어(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F))(현재는 그룹 이름이며, 비교적 흔한 예로는 플루오르칼시오파이로클로어가 있다[42][43][44][45][46][177][178])와 (정확하게 유크세나이트-(Y)로 명명됨[42][43][47][179]) (Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6)가 있다. 이러한 대규모 나이오븀 매장량은 탄산염암(탄산염-규산염 화성암)과 파이로클로어의 구성 성분으로 발견되었다.[48][180]

브라질, 캐나다 등지에서 주로 생산된다. 현재 채굴되는 세 개의 가장 큰 파이로클로어 매장량은 1950년대에 발견되었으며, 두 곳은 브라질에, 한 곳은 캐나다에 있으며, 현재까지 나이오븀 광물 농축액의 주요 생산지이다.[35][161] 가장 큰 매장량은 브라질 미나스제라이스 주의 아라샤에 있는 탄산염암 관입 내에 있으며, CBMM (Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração)이 소유하고 있다. 또 다른 활성 브라질 매장량은 고이아스 주의 카탈랑 근처에 위치하며, 이 소유하고 있으며, 또한 탄산염암 관입 내에 있다.[52][183] 이 두 광산은 세계 공급량의 약 88%를 생산한다.[49][181] 브라질에는 그 외에도 아마조나스 주 근교에 대규모 미채굴 광상이 있으며, 로라이마 주에 있는 것 등, 보다 소규모 광상도 몇몇 있다.[49][50][181]

세 번째로 큰 나이오븀 생산지는 마그리스 리소스가 소유한 캐나다 퀘벡 주의 시쿠티미 근처 에 있는 탄산염암 기반의 니오벡 광산이다.[51][182] 이 광산은 세계 공급량의 7%에서 10% 정도를 생산하고 있다.[52][49][183][181]

6. 생산

나이오븀 생산은 광물 분리, 산화물 혼합물 처리, 환원 과정 등을 거쳐 이루어진다. 주요 생산 업체와 생산량 변화 추이를 살펴보면 다음과 같다.

다른 광물에서 분리된 후, 탄탈 Ta2O5과 나이오븀 Nb2O5의 혼합 산화물이 얻어지며, 가공의 첫 번째 단계는 이 산화물과 플루오린산의 반응이다.[77]

:Ta2O5 + 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O

:Nb2O5 + 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O

스위스의 화학자 드 마리냑이 개발한 최초의 산업적 규모의 분리는 복합 나이오븀 및 탄탈 플루오린화물인 수산화디포타슘 옥시펜타플루오르화 나이오븀 일수화물 (K2[NbOF5]*H2O)과 디포타슘 헵타플루오로탄탈레이트 (K2[TaF7])의 서로 다른 용해도를 이용한다. 새로운 공정에서는 시클로헥사논과 같은 유기 용매를 사용하여 수용액에서 플루오린화물을 액체 추출한다.[77] 복합 나이오븀 및 탄탈 플루오린화물은 유기 용매에서 물로 개별적으로 추출하고, 플루오린화 칼륨을 첨가하여 칼륨 플루오린화물 복합체를 생성하거나, 암모니아로 침전시켜 오산화물을 생성한다:[65]

:H2[NbOF5] + 2 KF → K2[NbOF5]↓ + 2 HF

다음 반응:

:2 H2[NbOF5] + 10 NH4OH → Nb2O5↓ + 10 NH4F + 7 H2O

금속 나이오븀으로의 환원에는 여러 가지 방법이 사용된다. K2[NbOF5]와 염화 나트륨의 용융 염 혼합물의 전기 분해가 그 중 하나이며, 다른 방법은 플루오린화물을 나트륨으로 환원하는 것이다. 이 방법을 사용하면 비교적 고순도의 나이오븀을 얻을 수 있다. 대규모 생산에서는 Nb2O5를 수소 또는 탄소로 환원한다.[65] 알루미늄 열 반응에서, 산화 철과 나이오븀 산화물의 혼합물을 알루미늄과 반응시킨다.

:3 Nb2O5 + Fe2O3 + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al2O3

반응을 강화하기 위해 질산 나트륨과 같은 소량의 산화제를 첨가한다. 결과물은 산화 알루미늄과 강철 생산에 사용되는 철과 나이오븀의 합금인 페로니오븀이다.[53][54] 페로니오븀은 60~70%의 나이오븀을 함유한다.[52] 산화 철이 없으면, 알루미늄 열 공정을 사용하여 나이오븀을 생산한다. 초전도 합금의 등급에 도달하려면 추가 정제가 필요하며, 진공 전자빔 용해는 나이오븀의 두 주요 유통 업체가 사용하는 방법이다.[73][55]

2013년 기준으로, 브라질의 CBMM은 세계 나이오븀 생산량의 85%를 차지했다.[56] 미국 지질 조사국은 생산량이 2005년 38,700톤에서 2006년 44,500톤으로 증가했다고 추정한다.[57][58] 전 세계 매장량은 440만 톤으로 추정된다.[58] 1995년에서 2005년 사이 10년 동안 생산량은 1995년 17,800톤에서 시작하여 두 배 이상 증가했다.[59] 2009년과 2011년 사이 생산량은 연간 63,000톤으로 안정적이었으며,[60] 2012년에는 연간 50,000톤으로 소폭 감소했다.[61] 2019년 CBMM은 세계 수요를 전년 대비 10% 증가한 13만 톤으로 추정하고 있다. 중국에서 봉강의 품질 기준이 상향 조정됨에 따라 강도를 높이기 위해 첨가되는 나이오븀의 수요가 급증했으며, CBMM은 리튬 이온 전지의 양극재 및 음극재 용도로 나이오븀의 수요가 향후 확대될 것이라는 전망을 내놓고 있다.

광산 생산량 (톤)[62] (USGS 추정)[63][64]
국가200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020
30,00022,00026,00029,00029,90035,00040,00057,30058,00058,00058,00058,00063,00053,10053,00058,00057,00060,70059,00088,90059,800
2,2903,2003,4103,2803,4003,3104,1673,0204,3804,3304,4204,6305,0005,2605,0005,7506,1006,9807,7006,8006,500
160230290230200200200??????????????
3530301901704035????????29104122181150?
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World32,60025,60029,90032,80034,00038,70044,50060,40062,90062,90062,90063,00050,10059,40059,00064,30063,90069,10068,20097,00067,700



소량은 말라위의 카니카 매장 (카니카 광산)에서 발견된다.

나이오븀은 다양한 산화물, 할로겐화물, 질화물 및 탄화물과 같은 다양한 화합물을 형성한다.


  • 산화물 및 황화물: 나이오븀은 +5 (Nb₂O₅), +4 (NbO₂), 드물게 +2 (NbO)의 산화 상태에서 산화물을 형성한다. 가장 일반적인 산화물은 오산화 나이오븀(Nb₂O₅)이며, 나이오븀 화합물과 합금의 주요 전구체로 사용된다.[65][70] 나이오븀산염은 오산화 나이오븀을 염기성 수산화물 용액에 용해시키거나 알칼리 금속 산화물에 녹여 생성되며, 나이오븀산 리튬(LiNbO₃)과 나이오븀산 란타넘(LaNbO₄) 등이 있다. 층상 나이오븀 황화물 (NbS₂) 또한 알려져 있다.[39] 화학 기상 증착 또는 원자층 증착 공정을 통해 나이오븀(V) 에톡사이드의 열 분해로 350 °C 이상에서 나이오븀 산화물 박막으로 재료를 코팅할 수 있다.[71][72]

  • 할로겐화물: 나이오븀은 +5와 +4의 산화 상태에서 할로겐화물을 형성하며, 다양한 비화학량론적 화합물도 형성한다.[65][73] 오할로겐화물 (NbX5)은 팔면체 Nb 중심을 특징으로 한다. 오플루오린화 나이오븀 (NbF5)은 흰색 고체이며 녹는점은 79.0 °C이고, 오염화 나이오븀 (NbCl5)은 노란색 고체이며 녹는점은 203.4 °C이다. 둘 다 가수분해되어 NbOCl3과 같은 산화물 및 옥시할로겐화물을 생성한다. 오염화물은 나이오벤 디클로라이드 ((C5H5)₂NbCl₂)와 같은 유기금속 화합물을 생성하는 데 사용되는 시약이다.[74] 사할로겐화물 (NbX4)은 Nb-Nb 결합을 가진 어두운 색의 중합체이며, 검은색의 조해성 사불화 나이오븀(IV) (NbF₄)[75]와 암자색 사염화 나이오븀(IV) (NbCl₄)이 있다.[76] 나이오븀의 음이온 할로겐화물 화합물은 부분적으로 오할로겐화물의 루이스 산 특성으로 인해 잘 알려져 있다. 가장 중요한 것은 광석에서 Nb와 Ta를 분리하는 중간체인 [NbF₇]2−이다.[77] 이 헵타플루오라이드는 탄탈륨 화합물보다 옥소펜타플루오라이드를 더 쉽게 형성하는 경향이 있다. 다른 할로겐화물 착물에는 팔면체 [NbCl₆]−가 포함된다. 저원자 번호의 다른 금속과 마찬가지로 다양한 환원된 할로겐화물 클러스터 이온이 알려져 있으며, 대표적인 예는 [Nb₆Cl₁₈]4−이다.[78]

  • 질화물 및 탄화물: 나이오븀의 다른 이원 화합물로는 저온에서 초전도체가 되어 적외선 감지기에 사용되는 나이오븀 질화물(NbN)이 있다.[79] 주요 나이오븀 탄화물은 NbC로, 매우 단단하고 내화성이며, 절삭 공구 비트에 상업적으로 사용되는 세라믹 재료이다.

7. 화합물

나이오븀은 여러 면에서 탄탈럼 및 지르코늄과 유사하며, 고온에서 대부분의 비금속과 반응한다. 실온에서 플루오린, 150 °C에서 염소, 200 °C에서 수소, 400 °C에서 질소와 반응하며, 생성물은 종종 간극형 및 비화학량론적이다.[39] 금속은 200 °C에서 공기 중에서 산화되기 시작한다.[65] 왕수, 염산, 황산, 질산 및 인산을 포함한 산에 의한 부식에 저항한다.[39] 그러나 뜨겁고 농축된 황산, 불산 및 불산/질산 혼합물, 그리고 뜨겁고 포화된 알칼리 금속 수산화물 용액에는 침식된다.

나이오븀은 +5부터 −1까지 모든 공식적인 산화수를 나타내지만, 가장 흔한 화합물은 나이오븀이 +5 상태를 나타낸다.[39] 특징적으로, 5+ 미만의 산화 상태에 있는 화합물은 Nb-Nb 결합을 나타낸다. 수용액에서 나이오븀은 +5 산화 상태만 나타낸다. 또한 가수 분해되기 쉽고, 함수 Nb 산화물의 침전으로 인해 염산, 황산, 질산 및 인산의 묽은 용액에 거의 용해되지 않는다.[73] Nb(V)는 또한 가용성 폴리옥소나이오베이트 종의 형성에 의해 알칼리성 매체에서도 약간 용해된다.[66][67]

나이오븀은 +5와 +4의 산화 상태에서 할로겐화물을 형성하며, 다양한 비화학량론적 화합물도 형성한다.[65][73] 오할로겐화물 (NbX5)은 팔면체 Nb 중심을 특징으로 한다. 오플루오린화 나이오븀(NbF5)은 녹는점 79.0 °C의 흰색 고체이며, 오염화 나이오븀(NbCl5)은 녹는점 203.4 °C의 노란색 고체이다. 둘 다 가수분해되어 NbOCl3과 같은 산화물 및 옥시할로겐화물을 생성한다. 오염화물은 나이오벤 디클로라이드 ((C5H5)2NbCl2)와 같은 유기금속 화합물을 생성하는 데 사용되는 다용도 시약이다.[74] 사할로겐화물 (NbX4)은 Nb-Nb 결합을 가진 어두운 색의 중합체이며, 예를 들어 검은색의 조해성 사불화 나이오븀(IV) (NbF4)[75]와 암자색 사염화 나이오븀(IV) (NbCl4)이 있다.[76]

나이오븀의 음이온 할로겐화물 화합물은 부분적으로 오할로겐화물의 루이스 산 특성으로 인해 잘 알려져 있다. 가장 중요한 것은 광석에서 Nb와 Ta를 분리하는 중간체인 [NbF7]2−이다.[77] 이 헵타플루오라이드는 탄탈륨 화합물보다 옥소펜타플루오라이드를 더 쉽게 형성하는 경향이 있다. 다른 할로겐화물 착물에는 팔면체 [NbCl6]−가 포함된다.

Nb2Cl10 + 2 Cl− → 2 [NbCl6]−

원자 번호가 낮은 다른 금속과 마찬가지로 다양한 환원된 할로겐화물 클러스터 이온이 알려져 있으며, 대표적인 예는 [Nb6Cl18]4−이다.[78]

나이오븀의 다른 이원 화합물로는 저온에서 초전도체가 되어 적외선 감지기에 사용되는 나이오븀 질화물(NbN)이 있다.[79] 주요 나이오븀 탄화물은 NbC로, 매우 단단하고 내화성이며, 절삭 공구 비트에 상업적으로 사용되는 세라믹 재료이다.

7. 1. 산화물 및 황화물

나이오븀은 +5(Nb₂O₅)[68], +4(NbO₂)[69]의 산화 상태와 드물게 +2(NbO)의 산화 상태에서 산화물을 형성한다. 나이오븀 화합물과 합금의 거의 모든 전구체인 오산화 나이오븀이 가장 흔하다.[65][70] 나이오븀산염은 오산화 나이오븀을 염기성 수산화물 용액에 용해하거나 알칼리 금속 산화물에 녹여 생성된다. 예로는 나이오븀산 리튬(LiNbO₃)과 나이오븀산 란타넘(LaNbO₄)이 있다. 나이오븀산 리튬은 삼각으로 뒤틀린 페로브스카이트 유사 구조를 가지고 있는 반면, 나이오븀산 란타넘은 NbO43- 이온을 함유하고 있다.[65] 층상 나이오븀 황화물 (NbS₂) 또한 알려져 있다.[39]

화학 기상 증착 또는 원자층 증착 공정을 통해 나이오븀(V) 산화물의 얇은 막으로 재료를 코팅할 수 있으며, 이는 350 °C 이상에서 나이오븀(V) 에톡사이드의 열 분해로 생성된다.[71][72]

니오브의 산화물은 산화수 +5(Nb₂O₅)[164], +4(NbO₂), +3(Nb₂O₃)[163], 그리고 드물게 +2(NbO)가 있다[165]. 가장 일반적인 산화물은 오산화니오브로, 대부분의 니오브 화합물 및 합금의 전구체이다[163][166]. 니오브산염은 오산화물을 수산화 이온 용액에 용해시키거나, 알칼리 금속의 산화물에 용융시켜 얻을 수 있다. 예로 니오브산 리튬(LiNbO₃)과 니오브산 란탄(LaNbO₄)이 있다. 니오브산 리튬은 삼각형으로 뒤틀린 페로브스카이트 구조와 같은 구조를 가지며, 반면 니오브산 란탄은 고립된 NbO₄³⁻ 이온을 가진다[163]. 층상 황화 니오브(NbS₂)도 알려져 있다[175].

섭씨 350도 이상에서 니오브(V)에톡시드를 열분해하여, 화학 기상 증착 또는 원자층 증착을 통해 산화 니오브 박막으로 재료를 코팅할 수 있다[167][168].

7. 2. 할로겐화물



나이오븀은 +5와 +4의 산화 상태에서 할로겐화물을 형성하며, 다양한 비화학량론적 화합물도 형성한다.[65][73] 오할로겐화물 (NbX5)은 팔면체 Nb 중심을 특징으로 한다. 오플루오린화 나이오븀 (NbF5)은 녹는점 79.0 °C의 흰색 고체이며, 오염화 나이오븀 (NbCl5)은 노란색(오른쪽 그림 참조)이며 녹는점 203.4 °C이다. 둘 다 가수분해되어 NbOCl3과 같은 산화물 및 옥시할로겐화물을 생성한다. 오염화물은 나이오벤 디클로라이드 ((C5H5)2NbCl2)와 같은 유기금속 화합물을 생성하는 데 사용되는 다용도 시약이다.[74] 사할로겐화물 (NbX4)은 Nb-Nb 결합을 가진 어두운 색의 중합체이며, 예를 들어 검은색의 조해성 사불화 나이오븀(IV) (NbF4)[75]와 암자색 사염화 나이오븀(IV) (NbCl4)이 있다.[76]

나이오븀의 음이온 할로겐화물 화합물은 부분적으로 오할로겐화물의 루이스 산 특성으로 인해 잘 알려져 있다. 가장 중요한 것은 광석에서 Nb와 Ta를 분리하는 중간체인 [NbF7]2−이다.[77] 이 헵타플루오라이드는 탄탈륨 화합물보다 옥소펜타플루오라이드를 더 쉽게 형성하는 경향이 있다. 다른 할로겐화물 착물에는 팔면체 [NbCl6]−가 포함된다.

Nb2Cl10 + 2 Cl− → 2 [NbCl6]−

원자 번호가 낮은 다른 금속과 마찬가지로 다양한 환원된 할로겐화물 클러스터 이온이 알려져 있으며, 대표적인 예는 [Nb6Cl18]4−이다.[78]

오염화 니오브(노란색 부분), 부분적으로 가수분해됨(흰색 물질)


오염화 니오브의 구봉 모델. 이합체가 된 것


니오브는 산화수 +5 및 +4에서 다양한 비화학량론적 화합물로 할로겐화물을 형성한다[163][169]. 오할로겐화 니오브(NbX5)는 팔면체의 중심에 니오브가 배치된 구조를 특징으로 한다. 오플루오르화 니오브(NbF5)는 융점이 섭씨 79도인 흰색 고체이다. 오염화 니오브(NbCl5)는 융점이 섭씨 203.4도인 노란색 고체이다. 둘 다 가수분해되어 산화물 또는 NbOCl3과 같은 옥시할로겐화물을 생성한다. 오염화 니오브는 디클로로니오보센((C5H5)2NbCl2)과 같은 유기금속 화학 화합물을 생성하는 데 사용되는 다용도 시약이다[170]. 사할로겐화물(NbX4)은 Nb-Nb 결합을 갖는 어두운 색의 중합체이며, 예를 들어 검고 흡습성이 있는 사플루오르화 니오브(NbF4)나 갈색의 사염화 니오브(NbCl4)가 있다.

니오브의 할로겐화물의 음이온은 오할로겐화물의 루이스 산성도도 부분적으로 도와 잘 알려져 있다. 가장 중요한 것은 [NbF7]2−이며, 광석에서 니오브와 탄탈을 분리하는 과정의 중간 물질이다[171]. 이 칠플루오르화물은 탄탈 화합물보다 쉽게 옥소펜타플루오라이드를 형성하는 경향이 있다. 그 외의 할로겐화물의 착체로는 팔면체형 [NbCl6]−등이 있다.

Nb2Cl10 + 2 Cl− → 2 [NbCl6]−

원자 번호가 작은 다른 금속과 마찬가지로 많은 환원 할로겐화물의 클러스터 이온이 알려져 있으며, 주요 예로는 [Nb6Cl18]4−가 있다[172].

7. 3. 질화물 및 탄화물

나이오븀의 다른 이원 화합물로는 저온에서 초전도체가 되어 적외선 감지기에 사용되는 나이오븀 질화물(NbN)이 있다.[79] 주요 나이오븀 탄화물은 NbC로, 매우 단단하고 내화성이며, 절삭 공구 비트에 상업적으로 사용되는 세라믹 재료이다.

다른 이원 화합물로는 저온에서 초전도체가 되며 적외선 검출기로 사용되는 질화 니오브(NbN)가 있다.[173] 주요 탄화 니오브는 NbC이며, 매우 단단하고 내열성이 있는 세라믹스 재료로, 상업적으로는 절삭 가공의 바이트에 사용된다.

8. 용도

나이오븀은 다양한 분야에서 활용되는 금속 원소이다.
강철 첨가: 나이오븀은 주로 강철 제조 시 첨가제로 사용되며, 2006년 생산량의 약 90%가 이 용도로 소비되었다[242]. 나이오븀을 첨가한 합금은 강도와 가공성이 향상되며, 용접에도 유리하다. 특히, 가스 파이프라인에 사용되는 특수 합금은 소량의 나이오븀(최대 0.1%) 첨가만으로도 강철의 강도를 크게 높일 수 있다.
초합금: 나이오븀은 니켈, 코발트, 철 기반의 초합금에 최대 6.5% 비율로 사용되어 제트 엔진 부품, 가스 터빈, 로켓 부품 등에 적용된다[81]. 나이오븀은 초합금의 결정립 구조 내에서 경화상을 형성하여 고온에서도 우수한 성능을 유지하도록 돕는다[86]. 인코넬 718과 같은 초합금은 제미니 계획과 같은 첨단 항공기 시스템에 사용되었으며, 아폴로 사령선 및 기계선의 노즐에도 나이오븀 합금이 사용되었다. 이러한 합금은 400°C 이상의 고온에서 산화되기 쉬우므로, 취성을 방지하기 위한 보호 코팅이 필수적이다[89]. 스페이스X의 팰컨 9 로켓 상단에 사용되는 멀린 진공 엔진의 노즐 또한 나이오븀 합금으로 제작되었다. 나이오븀 기반 초합금은 극초음속 무기 시스템의 부품 생산에도 활용된다[91].
초전도체: 나이오븀은 다양한 초전도체 재료에 사용되며, 특히 나이오븀-저마늄, 나이오븀-주석, 나이오븀-티타늄 합금은 자기 공명 영상법(MRI) 장비, 핵자기 공명 장치, 입자 가속기와 같은 분야에서 초전도 전자석을 만드는 데 중요한 역할을 한다[92][93][94]. 대형 강입자 충돌기나 국제 열핵 융합 실험로와 같은 대규모 연구 시설에도 나이오븀 기반 초전도체가 사용된다[95]. FLASH 및 XFEL에 사용되는 초전도 고주파 (SRF) 공동은 순수한 나이오븀으로 만들어진다[96]. 또한, 초전도 질화 나이오븀 볼로미터는 높은 감도로 인해 THz 대역의 전자기파를 감지하는 데 사용되며, 하인리히 헤르츠 서브밀리미터 망원경 등 여러 망원경에 탑재된 HIFI 기기에 활용되고 있다[99].
기타 용도:


  • 전자 세라믹스: 니오브산 리튬과 같은 강유전체는 휴대 전화, 광 변조기, 표면 탄성파 장치 제조에 널리 사용된다[100]. 니오브 축전기는 탄탈 축전기의 대안으로도 고려되지만, 아직 탄탈 축전기가 더 널리 사용된다[101]. 또한, 나이오븀은 유리의 굴절률을 높여 더 얇고 가벼운 안경 렌즈를 만드는 데 기여한다.
  • 저자극성 재료: 나이오븀과 일부 합금은 생체 적합성이 높아 심장 박동 조율기와 같은 의료용 임플란트 장치에 사용된다[102], [214]. 특히, 수산화 나트륨 처리된 나이오븀은 골유착을 촉진하는 다공성 표면을 형성하는 데 도움이 된다[103], [215]. 또한, 양극 산화 처리를 통해 다양한 색상을 낼 수 있어 보석류에도 활용된다[104], [105], [216], [217], [106], [218].
  • 화폐: 나이오븀은 은이나 금과 함께 기념 주화의 재료로 사용되기도 한다. 오스트리아는 2003년부터 은-나이오븀 유로 주화 시리즈를 발행하고 있으며, 주화의 색상은 양극 산화물 층에 의한 빛의 간섭을 통해 만들어진다[107]. 캐나다 왕립 조폐국 또한 나이오븀을 활용한 특별한 주화를 생산하고 있다[112].

그 외: 고압 나트륨 증기 램프의 아크 튜브 밀봉, 일부 스테인리스강용 아크 용접봉, 물탱크의 음극 보호 시스템 양극, 파커 태양 탐사선의 부품 등 다양한 분야에서 나이오븀이 사용된다. 또한, 나이오븀은 내광성과 화학적 안정성을 가진 무기 황색 안료(NTP 옐로우)의 구성 성분으로도 활용된다[120]. 원자력 산업에서는 고온 및 부식 저항성, 방사선 안정성 때문에 핵반응로 부품에 사용된다[121][122][123].

8. 1. 강철 생산

나이오 ium은 강철을 만들 때 첨가하는 금속 원소로 많이 사용된다[242]. 2006년 생산된 나이오 ium의 90%가 이 분야에 사용되었을 정도이다. 나이오 ium을 첨가한 합금은 강도와 가공성이 뛰어나며, 용접할 때 유리하다.

나이오 ium은 강철의 효과적인 미세 합금 원소로, 내부에 탄화 나이오 ium과 질화 나이오 ium을 형성한다.[82] 이 화합물들은 결정립 미세화를 향상시키고, 재결정 및 석출 경화를 지연시킨다. 이러한 효과는 차례로 인성, 강도, 성형성, 그리고 용접성을 증가시킨다.[82] 미세 합금 스테인리스강에서 나이오 ium 함량은 소량(0.1% 미만)[81]이지만, 현대 자동차에서 구조적으로 널리 사용되는 고강도 저합금강에 중요한 첨가물이다.[82] 나이오 ium은 때때로, Crucible CPM S110V 스테인리스강에서 3%까지 매우 높은 양으로, 고도로 내마모성 기계 부품 및 칼에 사용된다.[83]

이 동일한 나이오 ium 합금은 파이프라인 건설에도 자주 사용된다.[84][85][197][198]

8. 2. 초합금

나이오 ium은 니켈, 코발트, 철 기반의 초합금에 최대 6.5% 비율로 사용되며[81], 제트 엔진 부품, 가스 터빈, 로켓 하위 조립품, 터보차저 시스템, 내열 및 연소 장비와 같은 용도로 사용된다. 나이오븀은 초합금의 결정립 구조 내에서 경화 γ''-상을 석출시킨다.[86]

달 궤도 상의 아폴로 15호의 사령선 및 기계선. 로켓 엔진 노즐은 니오브-티타늄 합금으로 만들어져 있다.


한 가지 예시로, 대략 50%의 니켈, 18.6%의 크롬, 18.5%의 철, 5%의 나이오븀, 3.1%의 몰리브덴, 0.9%의 티타늄, 0.4%의 알루미늄으로 구성된 인코넬 718이 있다.[87][88] 이러한 초합금은 예를 들어 제미니 계획의 첨단 항공기 시스템에 사용되었다. 또 다른 나이오븀 합금은 아폴로 사령선 및 기계선의 노즐에 사용되었다. 나이오븀은 400°C 이상의 온도에서 산화되기 때문에, 이러한 용도에서는 합금이 취성이 되는 것을 방지하기 위해 보호 코팅이 필요하다.[89]

8. 3. 나이오븀 합금

나이오븀은 강철을 만들 때 첨가하는 금속 원소로 많이 사용되며 2006년 생산된 나이오븀의 90%가 이 분야에 사용되었다[242]. 나이오븀을 첨가한 합금은 강도와 가공성이 뛰어나며 용접할 때 유리하다. 산화나이오븀은 아크릴산 생산[243][244][245], 탄화수소 분해[246], 석유 유분의 수소처리[247] 및 난분해성 화학물질 제거를 위한 촉매로 사용된다[248].

C-103 합금은 1960년대 초 와 창 공사(Wah Chang Corporation)와 보잉(Boeing)사가 공동으로 개발했다. 듀폰(DuPont), 유니온 카바이드(Union Carbide)사, 제너럴 일렉트릭(General Electric)사와 여러 다른 회사들도 냉전과 우주 경쟁의 영향으로 Nb 기반 합금을 동시에 개발하고 있었다. 이 합금은 89%의 나이오븀, 10%의 하프늄, 1%의 티타늄으로 구성되어 있으며, 액체 추진 로켓 추진기 노즐에 사용된다. 예를 들어 아폴로 달 착륙선의 하강 엔진이 있다.[89]

나이오븀은 반응성으로 인해 산소와 반응하므로 탈기 또는 불활성 기체 분위기에서 가공해야 하며, 이는 생산 비용과 어려움을 크게 증가시킨다. 당시 새로운 공정이었던 진공 아크 재용해 (VAR) 및 전자 빔 용해 (EBM)는 나이오븀 및 기타 반응성 금속의 개발을 가능하게 했다. C-103을 개발한 프로젝트는 1959년에 시작되었으며 "C 시리즈"(C는 아마도 columbium에서 유래)에 최대 256개의 실험용 나이오븀 합금이 포함되었으며, 이 합금은 버튼 형태로 녹여 판금으로 압연할 수 있었다. 와 창 공사(Wah Chang Corporation)는 핵 등급 지르코늄 합금에서 정제된 하프늄 재고를 가지고 있었고, 이를 상업적으로 활용하고자 했다. C 시리즈 합금의 103번째 실험 조성인 Nb-10Hf-1Ti는 성형성과 고온 특성을 가장 잘 결합했다. 와 창은 1961년에 EBM과 VAR을 사용하여 C-103의 첫 번째 500lb 열을 잉곳에서 시트 형태로 제작했다. 적용 분야는 가스 터빈과 액체 금속 열교환기를 포함했다. 당시 경쟁 나이오븀 합금으로는 판스틸(Fansteel Metallurgical Corp)의 FS85(Nb-10W-28Ta-1Zr), 와 창과 보잉의 Cb129Y(Nb-10W-10Hf-0.2Y), 유니온 카바이드의 Cb752(Nb-10W-2.5Zr), 수페리어 튜브 사의 Nb1Zr 등이 있었다.[89]

스페이스X가 자사의 팰컨 9 로켓 상단에 개발한 멀린 진공 시리즈 엔진의 노즐은 나이오븀 합금으로 만들어졌다.

나이오븀 기반 초합금은 극초음속 무기 시스템의 부품을 생산하는 데 사용된다.[91]

8. 4. 초전도 자석

나이오븀-저마늄, 나이오븀-주석, 그리고 나이오븀-티타늄 합금은 제2종 초전도체 전선으로 초전도 자석에 사용된다.[92][93] 이러한 초전도 자석은 자기 공명 영상 및 핵자기 공명 장치뿐만 아니라 입자 가속기에도 사용된다.[94] 예를 들어, 대형 강입자 충돌기는 600톤의 초전도 스트랜드를 사용하고, 국제 열핵 융합 실험로는 약 600톤의 Nb3Sn 스트랜드와 250톤의 NbTi 스트랜드를 사용할 것으로 추정된다.[95] 1992년 한 해에만 10억 달러가 넘는 임상 자기 공명 영상 시스템이 나이오븀-티타늄 전선으로 제작되었다.[19]

8. 4. 1. 기타 초전도체



FLASH 및 XFEL에 사용되는 초전도 고주파 (SRF) 공동은 순수한 나이오븀으로 만들어진다.[96] 페르미 국립 가속기 연구소의 극저온 모듈 팀은 FLASH 프로젝트와 동일한 SRF 기술을 사용하여 순수한 나이오븀으로 제작된 1.3GHz 9셀 SRF 공동을 개발했다. 이 공동은 30km 길이의 국제 선형 충돌기 선형 입자 가속기에 사용될 것이다.[97] 동일한 기술이 SLAC 국립 가속기 연구소의 LCLS-II와 페르미 국립 가속기 연구소의 PIP-II에 사용될 것이다.[98]

초전도 질화 나이오븀 볼로미터는 높은 감도를 가지고 있어 THz 주파수 대역의 전자기파를 감지하는 데 이상적인 검출기이다. 이러한 검출기는 하인리히 헤르츠 서브밀리미터 망원경, 남극 망원경, 리시버 연구소 망원경, 아타카마 경로 탐사 실험에서 테스트되었으며, 현재 허셜 우주 관측소에 탑재된 HIFI 기기에 사용되고 있다.[99]

8. 5. 기타 용도

나이오븀은 강철을 만들 때 첨가하는 금속 원소로 많이 사용된다[242]. 2006년 생산된 나이오븀의 90%가 이 분야에 사용되었을 정도이다. 나이오븀을 첨가한 합금은 강도와 가공성이 뛰어나며, 용접할 때 유리하다. 산화나이오븀은 아크릴산 생산[243][244][245], 탄화수소 분해[246], 석유 유분의 수소처리[247] 및 난분해성 화학물질 제거를 위한 촉매로 사용된다[248].

8. 5. 1. 전자 세라믹스

니오브산 리튬과 같은 강유전체는 휴대 전화와 광 변조기에 널리 사용되며, 표면 탄성파 장치를 제조하는 데에도 사용된다. 이는 페로브스카이트 구조를 갖는 강유전체인 탄탈산 리튬 및 티탄산 바륨과 유사하다.[100] 니오브 축전기는 탄탈 축전기의 대안으로 제공되지만,[101] 탄탈 축전기가 여전히 주류를 이룬다. 높은 굴절률을 얻기 위해 니오브가 유리에 첨가되어 더 얇고 가벼운 안경을 만들 수 있게 한다.

강유전체인 니오브산 리튬은 휴대 전화, 광 변조기, 표면 탄성파 장치의 제조 등에 널리 사용된다. 탄탈산 리튬이나 티탄산 바륨 등과 같이 페로브스카이트 구조를 갖는 강유전체에 속한다.[212] 니오브 축전기는 탄탈 콘덴서를 대체할 수 있지만[213], 여전히 탄탈 콘덴서가 지배적이다. 높은 굴절률을 가진 유리를 제조하기 위해 니오브가 첨가되어 안경 렌즈를 얇고 가볍게 만들 수 있다.

8. 5. 2. 저자극성 용도: 의학 및 보석

나이오븀과 일부 나이오븀 합금은 생리학적으로 비활성인 저자극성 물질이다. 이러한 특성 덕분에 나이오븀은 심장 박동 조율기와 같은 보철물 및 임플란트 장치에 널리 사용된다.[102], [214] 특히 수산화 나트륨으로 처리된 나이오븀은 골유착을 돕는 다공성 층을 형성하는 데 기여한다.[103], [215]

티타늄, 탄탈럼, 알루미늄과 유사하게, 나이오븀은 가열하여 양극 산화(반응성 금속 양극 산화) 처리를 통해 다양한 무지개 빛 색상을 낼 수 있어 장식용으로도 활용된다.[104], [105], [216], [217] 저자극성이라는 장점은 이러한 용도에서 특히 각광받고 있다.[106], [218]

8. 5. 3. 화폐

니오븀은 기념 주화의 귀금속으로 사용되며, 종종 은이나 금과 함께 사용된다. 예를 들어, 오스트리아는 2003년부터 은 니오븀 유로 주화 시리즈를 생산했다. 이 주화의 색상은 얇은 양극 산화물 층의 회절에 의한 빛의 간섭으로 만들어진다.[107] 2012년에는 파란색, 녹색, 갈색, 보라색, 자주색 또는 노란색 등 다양한 색상을 주화 중앙에 나타내는 10개의 주화가 있다.

또 다른 예로는 2004년 오스트리아 €25 150주년 젬머링 알프스 철도 기념 주화[108]와 2006년 오스트리아 €25 유럽 위성 항법 기념 주화가 있다.[109] 오스트리아 조폐국은 2004년부터 라트비아를 위해 유사한 주화 시리즈를 생산했으며,[110] 2007년에 한 개가 추가되었다.[111]

2011년, 캐나다 왕립 조폐국은 니오븀을 선택적으로 산화시켜 정확히 동일한 주화가 없는 독특한 마감을 창출하는 $5 스터링 실버와 니오븀 주화인 ''헌터스 문''의 생산을 시작했다.[112]

8. 5. 4. 기타

나이오븀은 강철 제조 시 첨가되는 금속 원소로, 2006년 생산량의 90%가 이 용도로 사용되었다.[242] 나이오븀 첨가 합금은 강도와 가공성이 뛰어나며 용접에 유리하다. 산화 나이오븀은 아크릴산 생산[243][244][245], 탄화수소 분해[246], 석유 유분 수소 처리[247] 및 난분해성 화학 물질 제거를 위한 촉매로 사용될 가능성이 높다.[248]

고압 나트륨 증기 램프의 아크 튜브 밀봉은 나이오븀으로 만들어지며, 1%의 지르코늄과 합금되기도 한다. 나이오븀은 열팽창 계수가 유사하여 작동 램프 내부의 뜨거운 액체 나트륨 및 나트륨 증기에 의한 화학적 공격 또는 환원에 저항하는 반투명 물질인 소결 알루미나 아크 튜브 세라믹과 잘 맞는다.[113][114][115]

나이오븀은 일부 안정화 등급의 스테인리스강용 아크 용접 봉에 사용되며,[116] 일부 물탱크의 음극 보호 시스템의 양극에도 사용되는데, 이 양극은 일반적으로 백금으로 도금된다.[117][118]

나이오븀은 파커 태양 탐사선의 태양 코로나 입자 수용 모듈의 고전압 와이어를 만드는 데 사용된다.[119]

나이오븀은 내광성이 있고 화학적으로 안정적인 무기 황색 안료의 구성 성분으로 사용되며, 상품명은 NTP 옐로우이다. 이 안료는 나이오븀 황산 주석 아연 산화물이며, 고온 소성을 통해 생성되는 파이로클로어이다. 이 안료는 또한 안료 옐로우 227, 일반적으로 PY 227 또는 PY227로 알려져 있다.[120]

나이오븀은 고온 및 부식 저항성뿐만 아니라 방사선 하에서의 안정성 때문에 원자력 산업에서 사용된다.[121] 핵반응로의 연료봉 및 반응로 코어와 같은 부품에 사용된다.[122][123]

9. 주의사항

나이오븀은 생물학적 역할이 밝혀지지 않았지만, 몇 가지 주의사항이 존재한다. 나이오븀 분말은 눈과 피부에 자극을 줄 수 있으며 화재의 위험이 있다. 하지만 일반적으로 사용되는 순수한 나이오븀은 체내에서 반응하지 않고 무해한 것으로 알려져 보석이나 의료 목적으로 사용되기도 한다.[124][125] 일부 나이오븀 화합물은 강한 독성을 나타내기도 하므로 주의해야 한다.

나이오브산염 및 염화 나이오븀과 같은 수용성 화학 물질에 대한 단기 및 장기 노출 실험이 쥐를 대상으로 진행되었다. 펜타클로라이드 나이오븀 또는 나이오브산염을 단일 주사로 투여한 쥐의 중간 치사량(LD50)은 10~100mg/kg 사이였다.[126][127][128] 경구 투여의 경우 독성이 낮았으며, 쥐를 대상으로 한 연구에서 7일 후 LD50이 940mg/kg으로 나타났다.[126]

니오브의 미세 분말은 눈과 피부에 자극적이며 화재 위험도 있지만, 더 큰 덩어리는 화학적으로 비교적 안정적이고 생체에 대해 불활성하며 알레르기 반응을 유발하기 어렵다. 따라서 보석이나 의료용 임플란트의 시제품으로도 만들어지고 있다.[237][238]

대부분의 사람들은 니오브 화합물에 접촉할 일이 드물지만, 독성이 있는 화합물도 있으므로 취급 시 주의해야 한다. 염화 니오브 또는 니오브산염을 단회 투여받은 쥐의 반수 치사량 (LD50)은 10 - 100 mg/kg이었다.[239][240][241] 경구 투여에서는 독성이 더 약하여 쥐에 대한 실험에서 7일 경과 후 LD50은 940 mg/kg이었다.[239]

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