디스프로슘

3. 물리적 성질

4. 화학적 성질

디스프로슘 금속은 건조한 공기 중에서는 광택을 유지하지만, 습한 공기 중에서는 서서히 변색되며, 산화디스프로슘(III)(Dy₂O₃)을 형성하면서 쉽게 연소된다.^[3]

:4 Dy + 3 O₂ → 2 Dy₂O₃

디스프로슘은 전기 양성도가 높아, 찬물과는 서서히, 뜨거운 물과는 빠르게 반응하여 수산화 디스프로슘(Dy(OH)₃)을 형성한다.^[3]

:2 Dy (s) + 6 H₂O (l) → 2 Dy(OH)₃ (aq) + 3 H₂ (g)

디스프로슘 금속은 200°C 이상에서 모든 할로젠과 격렬하게 반응한다.

:2 Dy (s) + 3 F₂ (g) → 2 DyF₃ (s) [녹색]

:2 Dy (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 DyCl₃ (s) [흰색]

:2 Dy (s) + 3 Br₂ (l) → 2 DyBr₃ (s) [흰색]

:2 Dy (s) + 3 I₂ (g) → 2 DyI₃ (s) [녹색]

디스프로슘은 묽은 황산에 쉽게 용해되어 노란색 Dy(III) 이온을 포함하는 용액을 형성하며, 이는 [Dy(OH₂)₉]³⁺ 착물로 존재한다.^[4]

:2 Dy (s) + 3 H₂SO₄ (aq) → 2 Dy³⁺ (aq) + 3 SO₄²⁻ (aq) + 3 H₂ (g)

생성된 화합물인 황산디스프로슘(III)은 현저하게 상자성을 띈다.

5. 동위 원소

자연적으로 존재하는 디스프로슘은 7가지의 동위 원소로 구성되어 있다. ¹⁵⁶Dy, ¹⁵⁸Dy, ¹⁶⁰Dy, ¹⁶¹Dy, ¹⁶²Dy, ¹⁶³Dy, ¹⁶⁴Dy가 그것이며 이들은 모두 안정적인 것으로 간주되지만, ¹⁵⁶Dy는 이론적으로 알파 붕괴를 일으킬 수 있다. 하지만 ¹⁵⁶Dy의 반감기는 1×10¹⁸년을 초과하여 실질적으로 안정하다고 볼 수 있다. 자연에 존재하는 동위 원소 중에서는 ¹⁶⁴Dy가 28%로 가장 풍부하고, ¹⁶²Dy가 26%로 그 뒤를 잇는다. 가장 적게 존재하는 것은 ¹⁵⁶Dy로 0.06%이다.^[66]

29가지의 방사성 동위 원소가 인공적으로 합성되었으며, 원자 질량은 138에서 173까지 다양하다. 가장 안정적인 방사성 동위 원소는 ¹⁵⁴Dy로, 반감기는 약 300만 년이다. 그 다음으로 안정적인 것은 ¹⁵⁹Dy이며 반감기는 144.4일이다. 가장 불안정한 것은 ¹³⁸Dy로 반감기가 200ms이다. 안정 동위 원소보다 가벼운 동위 원소는 주로 β⁺ 붕괴를, 무거운 동위 원소는 β⁻ 붕괴를 하는 경향이 있다. 예외적으로 ¹⁵⁴Dy는 주로 알파 붕괴를 하며, ¹⁵²Dy와 ¹⁵⁹Dy는 주로 전자 포획을 통해 붕괴한다.^[66]

디스프로슘은 원자 질량이 140에서 165까지인 11가지 이상의 준안정 이성질핵을 가지고 있다. 가장 안정적인 것은 ^165mDy이며, 반감기는 1.257분이다. ¹⁴⁹Dy는 두 개의 준안정 이성질핵을 가지고 있으며, 그 중 두 번째인 ^149m2Dy의 반감기는 28ns이다.^[66]

6. 존재 및 생산

디스프로슘은 자유 원소 상태로는 발견되지 않지만, 제노타임, 페르구소나이트, 가돌리나이트, 옥세나이트, 폴리크레이스, 블롬스트란딘, 모나자이트, 바스트네사이트 등 여러 광물에서 발견된다.^[16] 이러한 광물에는 종종 에르븀과 홀뮴 또는 기타 희토류 원소가 함께 존재한다. 아직까지 디스프로슘이 다른 희토류 원소보다 우세한 조성을 가진 디스프로슘 우세 광물은 발견되지 않았다.

이트륨 함량이 높은 광물에서는 디스프로슘이 무거운 란타넘족 원소 중 가장 풍부하며, 농축물의 최대 7~8%를 차지한다(이트륨의 경우 약 65%와 비교).^[17][18] 지각의 디스프로슘 농도는 약 5.2mg/kg이며, 해수에서는 0.9ng/L이다.^[19]

디스프로슘은 주로 모나자이트 모래에서 얻는데, 이는 다양한 인산염의 혼합물이다. 이 금속은 이트륨의 상업적 추출 과정에서 부산물로 얻어진다. 디스프로슘을 분리할 때, 대부분의 불필요한 금속은 자력 또는 부유선광법으로 제거할 수 있다. 그런 다음 이온 교환 치환 공정을 통해 디스프로슘을 다른 희토류 금속으로부터 분리한다. 생성된 디스프로슘 이온은 플루오린 또는 염소와 반응하여 디스프로슘 플루오르화물(DyF₃) 또는 디스프로슘 염화물(DyCl₃)을 형성할 수 있다. 이러한 화합물은 다음 반응에서 칼슘 또는 리튬 금속을 사용하여 환원할 수 있다.^[20]

:3 Ca + 2 DyF₃ → 2 Dy + 3 CaF₂

:3 Li + DyCl₃ → Dy + 3 LiCl

성분들을 탄탈럼 도가니에 넣고 헬륨 분위기에서 가열한다. 반응이 진행됨에 따라 생성된 할라이드 화합물과 용융된 디스프로슘은 밀도 차이로 인해 분리된다. 혼합물이 식으면 디스프로슘을 불순물로부터 분리하여 잘라낼 수 있다.^[20]

전 세계적으로 매년 약 100톤의 디스프로슘이 생산되며,^[21] 그 중 99%가 중국에서 생산된다.^[22] 디스프로슘 가격은 2003년 파운드당 7USD에서 2010년 말 파운드당 130USD로 거의 20배나 상승했다.^[22] 2011년에는 kg당 1400USD까지 상승했지만, 중국의 불법 생산으로 인해 정부 규제를 우회하면서 2015년에는 240USD로 하락했다.^[23]

현재 대부분의 디스프로슘은 중국 남부의 이온 흡착 점토 광석에서 채취되고 있다.^[24] 2018년 11월 기준으로 서호주 홀스 크릭에서 남동쪽으로 160km 떨어진 브라운스 레인지 프로젝트 파일럿 플랜트는 연간 50톤을 생산하고 있다.^[25][26]

미국 에너지부에 따르면, 현재와 예상되는 광범위한 용도와 즉시 적합한 대체 물질이 없다는 점을 고려할 때, 디스프로슘은 신흥 청정 에너지 기술에 있어 가장 중요한 단일 원소이다. 가장 보수적인 예측조차도 2015년 이전에 디스프로슘 부족을 예측했다.^[27] 2015년 말 현재, 호주에는 희토류(디스프로슘 포함) 추출 산업이 초기 단계에 있다.^[28]

2010년대 초반, 당시 최대 생산 기지였던 중국이 희토류 수출 제한을 실시하여 디스프로슘 가격이 급등했다. 일본에서는 전년 대비 10배가 넘는 3500JPY/kg에 육박하는 달도 있었다. 다음 해에는 1000JPY/kg대로 하락했지만, 급등을 계기로 디스프로슘 사용량을 줄인 모터 제조 등의 기술 혁신이 진전되었다.^[73] 이를 계기로 베트남과 카자흐스탄 등 중국 이외의 생산지 조사가 진행되고 있다.^[74]

7. 용도

디스프로슘은 바나듐 등과 함께 레이저 재료와 상업용 조명 제작에 사용된다. 디스프로슘-카드뮴 칼코겐화물은 화학 반응 연구에 유용한 적외선 방출원이다.^[1] 또한, 고강도 금속 할라이드 램프에 디스프로슘 요오드화물과 디스프로슘 브롬화물이 사용되어 밝은 빛을 낸다.^[11][43]

디스프로슘은 다음과 같은 다양한 용도로도 사용된다.

• '''터페놀-D''': 철, 테르븀과 함께 상온에서 가장 큰 자기변형을 나타내는 합금으로,^[35] 변환기, 광대역 기계적 공진기,^[36] 정밀 액체 연료 분사 장치^[37] 등에 사용된다.
• '''선량계''': 전리 방사선 측정용 선량계에 사용되어 방사선 노출량을 측정한다.^[38]
• '''나노섬유''': 디스프로슘 화합물 나노섬유는 높은 강도와 넓은 표면적을 가져 다른 재료를 강화하고 촉매로 활용될 수 있다.
• '''자기 냉동''': 디스프로슘 갈륨 가넷(DGG), 디스프로슘 알루미늄 가넷(DAG) 등은 단열 감자 냉동기에 사용된다.^[44][45]
• '''양자 기술''': 디스프로슘의 안정 동위 원소는 레이저 냉각 및 양자 시뮬레이션 실험에 사용된다.^[47]
• '''음파 탐지기(소나)''': 강한 자성 때문에, 디스프로슘 합금은 해양 산업의 소나 시스템에 사용된다.^[52][53]

7. 1. 영구 자석

7. 2. 원자로 제어봉

7. 3. 데이터 저장 장치

7. 4. 레이저 및 조명

7. 5. 기타 응용 분야

• 터페놀-D (Terfenol-D): 철, 테르븀과 함께 상온에서 가장 큰 자기변형을 나타내는 합금으로,^[35] 변환기, 광대역 기계적 공진기,^[36] 정밀 액체 연료 분사 장치^[37] 등에 사용된다.
• 선량계: 전리 방사선 측정용 선량계에 사용되어 방사선 노출량을 측정한다.^[38]
• 촉매: 디스프로슘 화합물 나노섬유는 높은 강도와 넓은 표면적을 가져 촉매로 활용될 수 있다.
• 자기 냉동: 디스프로슘 갈륨 가넷(DGG), 디스프로슘 알루미늄 가넷(DAG) 등은 단열 감자 냉동기에 사용된다.^[44][45]
• 양자 기술: 디스프로슘의 안정 동위 원소는 레이저 냉각 및 양자 시뮬레이션 실험에 사용된다.^[47]
• 음파 탐지기(소나): 강한 자성 덕분에 해양 산업의 소나 시스템에 디스프로슘 합금이 사용되어 감도와 정확도를 향상시킨다.^[52][53]

8. 안전성 및 주의사항

디스프로슘 분말은 공기와 혼합되어 점화원이 있을 경우 폭발 위험이 있으며, 얇은 박편은 불꽃이나 정전기에 의해 발화될 수 있다. 디스프로슘 화재는 물로 진화할 수 없는데, 이는 디스프로슘이 물과 반응하여 인화성 수소 가스를 생성할 수 있기 때문이다.^[55][105] 하지만 염화디스프로슘 화재는 물로 진화할 수 있다.^[56][106] 디스프로슘 불화물과 디스프로슘 산화물은 불연성이다.^{[57][58][107][108]} 질산디스프로슘(Dy(NO₃)₃)은 강한 산화제이며 유기 물질과 접촉하면 쉽게 발화한다.^[59][109]

염화디스프로슘이나 질산디스프로슘과 같은 수용성 디스프로슘 염은 섭취 시 약간의 독성이 있다. 쥐를 대상으로 한 염화디스프로슘의 독성 실험 결과를 바탕으로, 사람에게는 500g 이상 섭취가 치명적일 수 있다고 추정된다. 불용성 염은 무독성이다.^[11][69]

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