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비스무트

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목차

1. 개요

비스무트는 어두운 은핑크색을 띠는 부서지기 쉬운 금속으로, 고대부터 알려졌으며, 가장 강한 반자성을 가진 금속 중 하나이다. 어원은 불확실하며, 고대 독일어 "Wismut"에서 유래했을 가능성이 있다. 비스무트는 주로 납, 구리 등의 제련 과정에서 부산물로 생산되며, 중국이 세계 최대 생산국이다. 비스무트는 납의 무독성 대체물로 주목받아, 낚시 추, 탄환, 땜납 등에 사용되며, 의약품, 화장품, 합금 등 다양한 분야에서 활용된다. 비스무트와 그 화합물은 다른 중금속에 비해 독성이 낮지만, 장기간 노출 시 비스무트증을 유발할 수 있다.

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비스무트
기본 정보
비스무트 결정과 1cm³ 큐브
이름비스무트
일본어 이름ビスマス (비스마스)
영어 이름Bismuth
라틴어 이름Bisemutum, bisemutium
독일어 이름weiße Masse (흰색 덩어리), Wismuth (비스무트)
발음/ˈbɪzməθ/ (비즈머스)
읽기蒼鉛 (창연, 소우엔)
일반 정보
원자 번호83
원소 기호Bi
왼쪽 원소납
오른쪽 원소폴로늄
위쪽 원소Sb
아래쪽 원소Mc
족15
주기6
블록p
원소 계열전이후 금속
겉모습은백색
원자 정보
원자 질량208.98040
전자 배치[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3
껍질 당 전자 수2, 8, 18, 32, 18, 5
산화 상태3, 5 (약산성 산화물)
전기 음성도2.02
이온화 에너지1차: 703 kJ/mol
2차: 1610 kJ/mol
3차: 2466 kJ/mol
원자 반지름156 pm
공유 반지름148 ± 4 pm
반데르발스 반지름207 pm
물리적 성질
상온 상태고체
밀도9.78 g/cm³
액체 밀도10.05 g/cm³
녹는점544.7 K (271.5 °C)
끓는점1837 K (1564 °C)
융해열11.30 kJ/mol
기화열151 kJ/mol
열용량25.52 J/(mol·K)
증기압1 Pa: 941 K
10 Pa: 1041 K
100 Pa: 1165 K
1 kPa: 1325 K
10 kPa: 1538 K
100 kPa: 1835 K
결정 구조삼방정계
자기 정렬반자성
전기 저항0 °C: 해당 정보 없음
20 °C: 1.29 μΩ·m
열전도율7.97 W/(m·K)
열팽창25 °C: 13.4 µm/(m·K)
음속막대 20 °C: 1790 m/s
영률32 GPa
전단 탄성 계수12 GPa
부피 탄성 계수31 GPa
포아송 비0.33
모스 굳기계2 - 2.5
브리넬 굳기94.2 MPa
동위 원소
동위 원소질량수: 207, 존재비: 인공, 반감기: 31.55 y, 붕괴 방식: ε, β+, 붕괴 에너지: 2.399 MeV, 붕괴 생성물: Pb
질량수: 208, 존재비: 인공, 반감기: 368,000 y, 붕괴 방식: ε, β+, 붕괴 에너지: 2.880 MeV, 붕괴 생성물: Pb
질량수: 209, 존재비: 100%, 반감기: (1.9 ± 0.2) × 1019 y, 붕괴 방식: α, 붕괴 에너지: 3.14 MeV, 붕괴 생성물: Tl
질량수: 210m, 존재비: 인공, 반감기: 3.04 × 106 y, 붕괴 방식: IT, 붕괴 에너지: 0.271 MeV, 붕괴 생성물: Bi
기타 정보
CAS 등록번호7440-69-9

2. 역사와 어원

비스무트 금속은 고대부터 알려져 있으며, 최초로 발견된 10가지 금속 중 하나이다. "비스무트(bismuth)"라는 이름은 1665년경에 생겨났으며, 그 어원은 불확실하다. 이 이름은 아마도 16세기 초의 독일어 ''Bismuthde'', ''Wismutde'', ''Wissmuthde''에서 유래했을 가능성이 있으며, 이는 고대 고지 독일어 ''hwiz|흐위츠goh''("흰색")과 관련이 있을 수 있다.[3] 아그리콜라가 만든 네오라틴어 ''bisemutiumla''는 독일어 ''Wismuthde''에서 유래했으며, 이는 다시 ''weiße Massede''("흰 덩어리")에서 유래했을 가능성이 있다.[4][5]

초기에는 비스무트가 납이나 주석과 매우 유사하여 혼동되었다. 비스무트는 고대부터 알려져 있었기 때문에 특정 발견자는 없다. 아그리콜라는 1546년에 비스무트가 주석과 납과는 다른 별개의 금속임을 금속의 물리적 특성을 관찰하여 밝혔다.[6]

연금술 기호(1775년 베르그만이 사용)


연금술 시대의 광부들은 비스무트를 ''tectum argentila'' 또는 "만들어지는 은"이라고 불렀는데, 이는 지구 내부에서 아직 형성 중인 은을 의미한다고 생각했기 때문이다.[7][8][9] 잉카인들도 비스무트를 알고 있었으며, 칼을 만들 때 일반적인 구리와 주석 외에 특수한 청동 합금에 사용했다.[10]

1738년 포트[11], 셸레, 베르그만 등의 연구를 시작으로 납과 비스무트의 구별이 명확해졌으며, 조프루아는 1753년에 비스무트가 납 및 주석과 다른 독립적인 원소임을 증명했다.[8][15][12]

일본에서는 '''창연'''(蒼鉛)이라는 이름으로 불린다.

비스무트의 독일어 이름인 Wismut는 1472년 작센주 슈네베르크의 초원(Wiese)에서 주어진 채굴 허가권(Mutung)을 뜻하는 'Wiesemutung'에서 유래했다는 설도 있다. 당시 비스무트는 안티몬, 주석, 아연 등과 혼동되었다.[112]

3. 물리적/화학적 특성

비스무트는 어두운 은핑크색을 띠는 부서지기 쉬운 금속으로, 표면에 형성되는 산화막 때문에 종종 무지개 빛깔을 띤다.[15] 독특한 계단식 호퍼 결정 구조를 형성하기도 한다. 자연적으로 매우 강한 반자성을 나타내는 특징이 있으며,[15][13] 열전도율이 매우 낮고 전기 저항은 높다.[14][15] 고체 상태보다 액체 상태에서 밀도가 더 높으며, 응고 시 부피가 팽창하는 몇 안 되는 물질 중 하나이다.[17][15] 이러한 성질 때문에 낮은 융점을 이용한 합금 등에 사용되었다.[15][18][19][20]

상온에서는 공기 중에서 안정적이지만, 고온에서는 물, 할로겐, 특정 산 등과 반응하여 다양한 화합물을 형성한다. 주기율표 상 이웃한 납이나 안티모니와 같은 원소에 비해 독성이 훨씬 낮은 것이 특징이다.[38][113]

3. 1. 물리적 성질

왼쪽: 계단형 결정 구조와 표면의 산화막에서 빛의 간섭에 의해 생성되는 무지개색을 보이는 비스무트 호퍼 결정. 오른쪽: 산화되지 않은 비스무트 금속 1 cm³ 정육면체


인공적으로 만든 비스무트 결정. 산화막에 의한 구조색과, 골격 결정에 의한 특징적인 형태로 관상용으로 시판되고 있다.


비스무트는 연한 붉은 기가 도는 은백색의 금속으로, 부드럽고 잘 부서지는 성질을 가진다.[113] 종종 표면에 형성된 산화물(Bismuth(III) oxide) 막의 두께 차이로 인해 빛의 간섭이 일어나 노란색에서 파란색까지 다양한 무지개 빛깔을 띤다. 이러한 산화막은 비스무트 자체의 색은 아니다.[113] 고순도 비스무트는 독특한 계단식 나선형 구조의 호퍼 결정을 형성할 수 있는데, 이는 결정의 외부 가장자리가 내부 가장자리보다 더 빠르게 성장하기 때문이다. 융점이 271°C 정도로 비교적 낮아 가정에서도 결정을 만들 수 있지만, 실험실에서 만든 것보다는 품질이 낮을 수 있다.[21] 연소 시키면 파란색 불꽃을 내며 타고 노란색 증기의 산화물을 생성한다.[15] 주기율표 상 이웃한 납이나 안티모니 같은 원소에 비해 독성은 훨씬 낮다.[38]

비스무트는 현재까지 알려진 어떤 금속보다도 강한 반자성을 나타낸다.[15][13] (초반자성은 다른 물리적 현상이다.) 상온에서 강한 반자성을 보이기 때문에, 마찰을 줄인 상태에서 강력한 자석을 가까이 대면 반발하여 움직이는 것을 관찰할 수 있다. 모든 금속 중에서 열전도율이 매우 낮은 편에 속하며(망간, 넵투늄, 플루토늄 다음), 홀 계수는 가장 크다.[14] 전기 저항 역시 높다.[15] 이러한 낮은 전기 전도성과 열전도성 때문에 반금속으로 분류되기도 한다.[113] 충분히 얇은 막으로 증착시키면 반도체의 특성을 나타내기도 한다.[16]

비스무트의 압력-온도 상평형 그림. ''T''C는 초전도 전이 온도를 나타낸다.


비스무트는 고체 상태보다 액체 상태일 때 밀도가 더 높은 독특한 성질을 가지는데, 이는 게르마늄, 실리콘, 갈륨 및 물과 같은 몇 안 되는 물질만이 공유하는 특징이다.[17] 이 때문에 비스무트는 응고할 때 부피가 약 3.32% 팽창한다.[15][18][19][20] 이러한 팽창하는 성질은 활자 조판용 합금에서 다른 금속 성분의 수축을 보완하는 데 유용하게 사용되었다.[15][18][19][20]

상온에서 비스무트는 비소, 안티모니와 유사한 층상 구조를 가지며,[22] 마름모꼴 격자 구조로 결정화된다.[23] 상온에서 압력을 가하면, 이 Bi-I 구조는 2.55 GPa에서 단사정계 Bi-II로, 2.7 GPa에서 정방정계 Bi-III로, 그리고 7.7 GPa에서 체심 입방 격자 Bi-V로 상변화를 일으킨다. 이러한 상전이는 전기 전도도의 뚜렷한 변화를 동반하며 매우 재현성이 높아 고압 장비의 압력 교정에 사용된다.[24][25]

3. 2. 화학적 성질

비스무트는 상온에서 건조한 공기와 습한 공기 모두에서 안정적이다. 그러나 빨갛게 달아오를 정도로 가열하면 물과 반응하여 산화비스무트(III)를 생성한다.[29]

: 2 Bi + 3 H2O → Bi2O3 + 3 H2

비스무트는 할로겐과 반응하여 할로겐화물을 형성한다. 500°C 이상의 온도에서는 플루오린(F)과 반응하여 오플루오르화물(BiF5)을 생성하며, 더 낮은 온도에서는 삼플루오르화물(BiF3)을 만든다. 다른 할로겐(Cl, Br, I)과는 삼할로겐화물(BiX3)만을 생성한다.[26][27][41]

: 4 Bi + 6 X2 → 4 BiX3 (X = F, Cl, Br, I)

생성된 삼할로겐화물은 부식성이 있으며, 쉽게 수분과 반응하여 BiOX 형태의 옥시할라이드를 형성한다.[28]

: 4 BiX3 + 2 O2 → 4 BiOX + 4 X2

비스무트는 특정 산과 반응한다. 진한 황산(H2SO4)에 녹아 황산비스무트(III)(Bi2(SO4)3)와 이산화황(SO2)을 생성한다.[29]

: 6 H2SO4 + 2 Bi → 6 H2O + Bi2(SO4)3 + 3 SO2

질산(HNO3)과 반응하면 질산비스무트(III)(Bi(NO3)3)를 생성하며, 이 물질은 가열하면 이산화질소(NO2)로 분해된다.[30] [31]

: Bi + 6 HNO3 → 3 H2O + 3 NO2 + Bi(NO3)3

또한 염산(HCl)에도 녹지만, 이 반응이 일어나기 위해서는 산소(O2)가 반드시 존재해야 한다.[29]

: 4 Bi + 3 O2 + 12 HCl → 4 BiCl3 + 6 H2O

4. 동위 원소

비스무트의 유일한 원시 동위 원소인 비스무트-209(209Bi)는 오랫동안 가장 무거운 안정 동위 원소로 여겨졌으나, 이론적으로는 불안정할 것이라는 의심이 계속 제기되어 왔다.[32] 2003년, 프랑스 오르세의 우주물리연구소 연구진은 209Bi가 알파 붕괴를 통해 탈륨(Tl)으로 붕괴하며, 그 반감기가 약 2.01 × 1019년 ((1.9 ± 0.2) × 1019년)[115] 임을 측정하여 방사성 동위 원소임을 최종 확인했다.[33] 이 반감기는 현재 우주의 추정 나이보다 10억 배 이상 긴 시간이다.[2][116] 이 발견으로 가장 무거운 안정 동위 원소는 납-208(208Pb)이 되었다.209Bi의 반감기가 매우 길기 때문에, 의학 및 산업 분야의 모든 실제적인 응용에서는 안정적인 원소로 취급될 수 있다. 비스무트의 방사능은 실험실에서 실제로 검출되기 전에 이론적으로 예측되었다는 점에서 학문적인 관심 대상이기도 하다.[2] 비록 209Bi는 알려진 동위 원소 중 가장 긴 알파 붕괴 반감기를 가지지만, 텔루륨-128(128Te)은 2.2 × 1024년이 넘는 이중 베타 붕괴 반감기를 가진다.209Bi 외에도 짧은 반감기를 가진 6가지 비스무트 동위 원소(210Bi부터 215Bi 포함)가 악티늄, 라듐, 토륨, 넵투늄의 자연 방사성 붕괴 사슬에서 발견된다. 이 외에도 많은 동위 원소들이 인공적으로 합성되었다. (원시 237Np는 오래전에 붕괴되었지만, 자연 상태의 238U에서 (n,2n) 반응을 통해 계속 생성된다.)[34][35]

상업적으로 이용되는 비스무트-213(213Bi)은 선형 입자 가속기에서 제동 복사 광자를 라듐에 충돌시켜 생산할 수 있다. 반감기가 45분인 213Bi는 알파 입자를 방출하며 붕괴하는데, 이를 이용한 항체 접합체가 1997년 백혈병 환자 치료에 사용되었다. 또한, 표적 알파 치료(TAT) 프로그램 등 암 치료 연구에도 활용되고 있다(Actimab-B TM).[36][37][117]

5. 존재 및 생산

비스무트광(Bismite) 광물


깨진 비스무트 주괴


지구 지각 내 비스무트의 존재량은 자료에 따라 180ppb(은과 유사)에서 8ppb(금보다 두 배 많음)까지 다양하게 보고된다. 비스무트의 가장 중요한 광석은 휘비스무트광(Bismuthinite)과 비스무트광(Bismite)이다.[15] 원소 상태의 비스무트는 오스트레일리아, 볼리비아, 중국 등지에서 발견된다.[51][52]

전 세계적으로 비스무트는 주로 납, 구리, 주석, 몰리브덴, 텅스텐과 같은 다른 금속을 추출하는 과정에서 부산물로 정련되어 생산된다.[54][57][55][56][114] 비스무트 정련 기술을 보유한 주요 생산국은 다음과 같다. 대한민국은 2022년 기준 세계 3위의 비스무트 정련 생산국이다.

2022년 세계 비스무트 정련 생산량 (톤)
국가정련[53]
중국16000ton
라오스2000ton
대한민국950ton
일본480ton
카자흐스탄220ton
기타350ton
합계20000ton



과거 일본에서는 비스무트만을 전문적으로 생산하는 광산은 없었으며, 에비스 광산(텅스텐), 아시오 동광산(구리) 등에서 부산물 형태로 비스무트가 생산된 바 있다.

5. 1. 생산 과정



미국 지질조사국(USGS)에 따르면, 2016년 전 세계 비스무트 생산량은 정련을 통해 17100ton이었다. 이후 USGS는 비스무트 채굴 데이터의 신뢰성이 낮다고 판단하여 제공하지 않고 있다.[54][57][55][56] 전 세계적으로 비스무트는 주로 납, 구리, 주석, 몰리브덴, 텅스텐과 같은 다른 금속의 추출 과정에서 부산물로 정련되어 생산된다.[54][57][55][56]

비스무트는 최대 10%까지 비스무트를 포함할 수 있는 원광 납괴(crude lead bullion)에서 여러 단계의 정련 과정을 거쳐 생산된다. 주요 정련 방법으로는 불순물을 슬래그로 분리하는 크롤-베터턴법(Kroll-Betterton process) 또는 전해 베츠법(Betts process)이 사용된다.[57] 비스무트는 주요 금속 중 하나인 구리와도 유사한 방식으로 처리될 수 있다.[57]

두 공정을 통해 얻어진 초기 상태의 비스무트 금속에는 상당량의 다른 금속, 특히 납이 포함되어 있다. 순도를 높이기 위해 용융된 혼합물에 염소 가스를 반응시키면, 다른 금속들은 염화물로 변환되어 분리되는 반면 비스무트는 변하지 않는다. 이 외에도 용융제 처리 등 다양한 방법을 사용하여 불순물을 제거하고, 순도 99% 이상의 고순도 비스무트 금속을 얻는다.[62]

2022년 세계 비스무트 정련 생산량 (톤)
국가정련[53]
중국16000ton
라오스2000ton
대한민국950ton
일본480ton
카자흐스탄220ton
기타350ton
합계20000ton


5. 2. 가격



순수 비스무트 금속의 가격은 20세기 대부분의 기간 동안 상대적으로 안정적이었으나, 1970년대에는 급등한 적이 있었다. 비스무트는 주로 납 정련 과정에서 부산물로 생산되기 때문에, 가격은 일반적으로 회수 비용과 생산량 및 수요 사이의 균형에 따라 결정된다.[59]

제2차 세계 대전 이전에는 비스무트에 대한 수요가 적었고, 주로 의약품 분야에서 사용되었다. 비스무트 화합물은 소화 장애, 성병, 화상과 같은 질병 치료에 활용되었다. 소량의 비스무트 금속은 스프링클러 시스템이나 퓨즈 와이어 같은 용융 합금 제작에 쓰였다. 제2차 세계 대전 중에는 비스무트가 납땜, 용융 합금, 의약품 및 원자력 연구에 필요한 전략 물자로 간주되었다. 시장 안정을 위해 생산 업체들은 전쟁 중에는 파운드당 1.25USD(kg당 2.75USD)로, 1950년부터 1964년까지는 파운드당 2.25USD(kg당 4.96USD)로 가격을 고정했다.[59]

1970년대 초에는 알루미늄, 철, 강철의 금속 첨가제로서 비스무트 수요가 증가하면서 가격이 급등했다. 이후 세계 생산량이 늘어나고 소비가 안정화되었으며, 1980년과 1981~1982년의 경기 침체 영향으로 가격은 다시 하락했다. 1984년에는 특히 미국과 일본에서 소비가 증가하면서 가격이 다시 상승하기 시작했다.[58]

1990년대 초부터는 세라믹 유약, 낚시 추, 식품 가공 장비, 배관용 자유 절삭 황동, 윤활 그리스, 물새 사냥용 탄환 등에서 납을 대체할 수 있는 비독성 물질로서 비스무트의 활용 가능성에 대한 연구가 시작되었다.[58] 미국 연방 정부가 납 대체를 지원했음에도 불구하고 1990년대 중반까지 이러한 분야에서의 성장은 더뎠지만, 2005년경부터 관련 수요가 활성화되면서 가격이 급격하고 지속적으로 상승하는 추세를 보였다.[59]

5. 3. 재활용

비스무트는 대부분 납, 텅스텐, 구리 제련 등 다른 금속 추출 과정의 부산물로 생산된다. 비스무트의 지속가능성은 재활용 증가에 달려 있지만, 현실적으로 어려움이 따른다.[60]

과거에는 전자 장비의 납땜 부분에서 비스무트를 실질적으로 재활용할 수 있을 것으로 기대되었다. 하지만 최근 전자 제품의 납땜 공정 효율이 향상되면서 사용되는 납땜의 양 자체가 크게 줄어 재활용할 양도 감소했다. 은이 포함된 납땜에서 은을 회수하는 것은 경제적으로 이득이 될 수 있지만, 비스무트를 회수하는 것은 경제성이 떨어진다.[61]

또한, 비스무트는 다양한 형태로 분산되어 사용되기도 한다. 특정 위장약(비스무트 서브살리실산), 페인트(비스무트 바나데이트), 진주광택 화장품(비스무트 옥시클로라이드), 그리고 비스무트가 함유된 탄환 등이 그 예이다. 이렇게 널리 퍼져 사용되는 경우, 비스무트를 다시 모아 재활용하는 것은 현실적으로 매우 어렵다.[62]

6. 활용

비스무트는 상업적 용도가 많지는 않지만, 다른 원료에 비해 소량으로 다양한 분야에서 활용된다.[62] 미국에서는 2016년에 733ton의 비스무트가 소비되었으며, 이 중 70%는 화학 물질 제조(의약품, 안료, 화장품 포함)에, 11%는 비스무트 합금에 사용되었다.[62]

비스무트는 납과 비교하여 독성이 매우 낮아 1990년대 초부터 납의 무독성 대체재로 주목받고 있다.[62] 낮은 녹는점을 가진 비스무트 합금은 퓨즈나 스프링클러의 안전 장치 등에 사용된다.

원자로 분야에서는 중성자를 잘 흡수하지 않는 특성을 이용하여 방사성 연료 운반이나 냉각재로 쓰이기도 한다. 또한 비스무트 합금은 주조 공정에도 효과적으로 사용된다.

비스무트를 채취하고 가공하는 두 남자를 묘사한 흑백 판화. 언덕에서 망치질을 하고 액체를 붓는 모습.
18세기 비스무트 가공 판화. 이 시대에 비스무트는 일부 소화 불량 치료에 사용되었다.


이 외에도 비스무트 및 그 화합물은 의약품이나 화장품의 원료로 일부 사용되며,[2][88] 금속 결정 중에서도 만들기 쉬워 결정 성장 실험용으로도 쓰인다.

6. 1. 의약품

비스무트와 그 화합물은 일부 의약품의 성분으로 사용되고 있으나,[2] 이러한 물질 중 일부의 사용은 감소하는 추세이다.[88] 몇몇 의학 전문가들은 비스무트 화합물이 인체에 해로운 영향을 줄 수 있다고 경고하기도 한다.

  • 비스무트 수사리실레이트는 설사 치료에 주로 사용된다.[2] 펩토비스몰과 같은 "핑크 비스무트" 제제 및 2004년 이후 카오펙테이트의 유효 성분으로 쓰인다. 또한 시겔라증[63], 카드뮴 중독[2] 등 다른 위장 질환 치료에도 사용된다. 작용 기전은 명확히 밝혀지지 않았지만, 올리고다이내믹 효과(미량의 중금속 이온이 미생물에 미치는 독성 효과)가 관여할 수 있다. 화합물이 가수분해될 때 생성되는 살리실산은 여행자 설사의 주요 원인균인 독소 생성 ''대장균''에 대한 항균 효과를 가진다.[64]
  • 비스무트 수사리실레이트와 비스무트 수시트레이트의 혼합물은 헬리코박터 파일로리균 감염에 의한 위궤양 치료에 사용된다.[65][66]
  • 비브로카톨은 유기 비스무트 화합물로, 안과 감염 치료에 사용된다.[67]
  • 비스무트 수갈레이트는 데브롬(Devrom)의 유효 성분으로, 방귀나 대변의 악취를 줄이기 위한 내복용 방취제로 사용된다.[68][69]
  • 탄산 비스무트는 설사, 장염, 위궤양, 피부 질환 치료에 사용된다.
  • 과거에는 비스무트 화합물(타르타르산 나트륨 비스무트 포함)이 매독 치료에 사용되었다.[70][71] 1920년대부터 페니실린이 도입된 1943년까지, 비소와 함께 비스무트 또는 수은이 매독 치료의 주요 약물이었다.[72] 현재는 페니실린 등 다른 항생제로 대체되었다.
  • 20세기 초에는 "비스무트 밀크"(비스무트 수산화물과 비스무트 수탄산염의 수성 현탁액)가 소화기 질환 치료제로 판매되기도 했다.[73]
  • 비스무트 수질산염(Bi5O(OH)9(NO3)4)과 비스무트 수탄산염(Bi2O2(CO3))도 의약품으로 사용된다.[15]


일본에서는 정장제(장의 염증 완화)의 원료로서 산화비스무트(III)(Bi2O3), 비스무트 수갈레이트(C7H5BiO6), 질산비스무트(Bi5O(OH)9(NO3)4), 탄산산화비스무트(III) 등이 일본약국방에 등재되어 있다. 비스무트 화합물은 수렴 작용을 통해 장점막의 단백질과 결합하여 보호막을 형성하고, 염증 부위에 대한 자극을 완화하는 효과가 있어 정장제로 사용된다.

6. 2. 화장품 및 안료

산화염화비스무트(BiOCl) 구조 (광물 비스모클라이트). 비스무트 원자는 회색, 산소는 빨간색, 염소는 녹색으로 표시됨.


염화비스무트산비스무트(III)(BiOCl)는 화장품에 사용되기도 하며, 아이섀도, 헤어스프레이, 매니큐어용 페인트의 안료로 사용된다.[2][88][74][75] 이 화합물은 비스모클라이트 광물 형태로 발견되는데, 결정 구조의 원자층이 빛을 색깔별로 굴절시켜 진주의 진주층과 비슷한 무지개색 광택을 낸다. 이러한 특성 때문에 고대 이집트 시대부터 화장품으로 사용되어 왔다. "비스무트 화이트" 또는 "스페인 화이트"라는 이름은 백색 안료로 사용될 때 염화비스무트산비스무트(III) 또는 질산비스무트산비스무트(III)(BiONO3)를 가리키기도 한다.[76]

바나듐산비스무트(III)는 빛에 안정적이고 화학적으로 잘 반응하지 않아 페인트 안료, 특히 화가용 물감에 사용된다. 이는 인체에 해로운 독성이 있는 황화 카드뮴 계열의 노란색 및 주황색 안료를 대체하는 안전한 대안으로 주목받고 있다.[77] 화가용 물감으로 사용될 때 가장 흔한 것은 레몬색이며, 외관상으로는 카드뮴이 포함된 기존 안료와 구별하기 어렵다.[77]

6. 3. 금속 및 합금

순도 99.99% 비스무트


비스무트는 주로 다른 금속과 합금 형태로 사용된다. 납이나 주석, 철 등과 혼합한 비스무트 합금은 녹는점이 낮다는 특징이 있다. 예를 들어, 우드의 금속(Wood's metal)이나 로즈 금속(Rose metal)과 같은 저융점합금이 대표적이다. 이러한 합금은 증기보일러의 안전 플러그나 자동 스프링클러에 사용되는데, 과열이나 화재 발생 시 낮은 온도에서 먼저 녹아 증기를 배출하거나 스프링클러를 작동시켜 안전을 확보한다. 전기 퓨즈에서도 과도한 전류가 흐르면 비스무트 합금이 녹아 자동으로 전류를 차단하는 역할을 한다.[15]

비스무트는 독성이 낮은 특성 덕분에 납의 대체재로 주목받고 있다. 납(밀도 11.32 g/cm3)과 비스무트(밀도 9.78 g/cm3)는 밀도 차이가 크지 않아 여러 분야에서 납을 대체할 수 있다.[62] 대표적인 예로 낚싯줄 추가 있으며,[62] 탄환이나 총알에도 사용된다. 특히 네덜란드, 덴마크, 영국 등 여러 국가에서는 새들이 납탄을 삼켜 납 중독에 걸리는 것을 방지하기 위해 습지대 조류 사냥 시 납탄 사용을 금지하고 있는데, 비스무트-주석 합금 탄환은 납탄과 유사한 탄도 성능을 가지면서 환경적으로 안전한 대안으로 사용된다.[62] 또한, 유럽 연합의 유해물질제한지침(RoHS)은 전자 제품에서 기존의 주석-납 땜납 사용을 제한하고 있어, 비스무트를 포함한 무연 땜납의 사용이 확대되고 있다.[62] 이러한 무연 땜납은 식품 가공 장비나 구리 수도관 등 안전성이 중요한 분야에서도 활용된다.[80]

역사적으로는 잉카 시대에 마추픽추에서 발견된 칼처럼 비스무트 청동을 만드는 데 사용되기도 했다.[78]

산업적으로 비스무트는 자유 절삭 강이나 자유 절삭 알루미늄 합금 제조에 첨가되어 가공성을 향상시키는 역할을 한다. 이는 납과 유사한 효과로, 가공 시 칩 분리를 용이하게 한다.[84][85] 또한 비스무트와 납을 비슷한 비율로 포함하는 합금은 녹거나 굳을 때 부피 변화가 거의 없기 때문에(약 0.01% 수준), 치과용 모델이나 금형 제작과 같은 고정밀 주조에 유용하게 쓰인다.[83] 가단성 주철 생산에도 합금 원소로 첨가된다.[62]

비스무트 합금 중에는 특정 온도에서 녹는 성질을 이용하는 경우도 많다. 예를 들어, 47°C에서 녹는 In19.1-Cd5.3-Pb22.6-Sn8.3-Bi44.7 합금은 화재 감지 및 진압 시스템의 안전 장치에 사용된다.[15] 70°C에서 녹는 Bi-Cd-Pb-Sn 합금 등은 자동차나 항공 산업에서 얇은 금속 부품을 가공할 때 변형을 막기 위한 충전재로 사용되기도 한다. 부품을 이 합금의 용융물로 채우거나 코팅한 후 가공하고, 나중에 끓는 물에 담가 합금을 제거하는 방식이다.[83]

그 외에도 비스무트는 열전대 재료로 사용되며,[15] 특히 텔루르와의 합금은 열전 효과가 커서 열전 변환 소자로 실용화되고 있다. 비스무트와 망간 분말을 소결하여 만든 합금은 영구 자석이나 자기 변형 재료로 사용되어 초음파 발생기, 수신기, 데이터 저장 장치 등에 활용된다.[89] 알루미늄-실리콘 주조 합금에서는 실리콘의 형태를 개선하는 데 기여하지만, 스트론튬 변형에는 부정적인 영향을 줄 수 있다.[86][87] Bi35-Pb37-Sn25와 같은 합금은 운모, 유리 등 접착이 어려운 재료와 다른 부품을 결합하는 데 사용되기도 한다.[88]

6. 4. 기타 화합물 활용

비스무트(III) 산화물 분말


바나데이트 비스무트, 노란색 안료


비스무트는 다양한 화합물 형태로 여러 산업 분야에서 활용된다.

  • BSCCO (비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물): 1988년에 발견된 고온 초전도체 화합물 그룹으로, 높은 초전도 전이 온도를 가진다.[90]
  • 텔루르화 비스무트 (Bi2Te3): 반도체이자 우수한 열전 재료이다.[88][91] 이 물질로 만든 다이오드는 휴대용 냉장고, CPU 쿨러, 적외선 분광 광도계의 검출기 등에 사용된다.[88] 또한 열전 변환 소자로도 실용화되고 있다.
  • 산화 비스무트 (Bi2O3): 특정 결정 구조(델타 형태)에서는 산소에 대한 고체 전해질로 사용될 수 있다.[92] 또한 폭죽의 한 종류인 '드래곤 에그'와 같은 탁탁 소리를 내는 마이크로스타 제작에 산화물, 탄산수소염, 또는 아질산염 형태로 사용된다.[98][99]
  • 저마늄산 비스무트 (BGO): 신틸레이터(섬광체)로서 엑스선 및 감마선 검출기에 널리 사용된다.[93]
  • 바나데이트 비스무트: 불투명한 노란색 안료로, 일부 화가의 유화, 아크릴, 수채화 물감에 사용된다. 주로 녹색을 띤 노란색에서 주황색 계열의 노란색 범위에서 독성이 있는 황화 카드뮴 노란색 안료를 대체하는 용도로 쓰인다. 자외선 노출에 대한 저항성, 불투명도, 색상 강도 등이 카드뮴 안료와 유사하며 다른 안료와 잘 섞인다. 특히 레몬색이 가장 흔하게 사용된다. 과거에 사용되던 아연, 납, 스트론튬 기반의 크로메이트 안료에 대한 무독성 대체재이기도 하다. 비용 문제로 제한적이지만 자동차 도료에도 사용된다.[94][95]
  • 기타 활용:
  • 아크릴 섬유 제조 시 촉매로 사용된다.[15]
  • 이산화 탄소(CO2)를 일산화 탄소(CO)로 전환하는 전기촉매로 연구되고 있다.[96]
  • 윤활 그리스의 성분으로 첨가된다.[97]
  • 유기 합성에서 특정 플루오린화 반응의 촉매로 사용될 수 있다.[100]
  • 의약품(정장제 등)의 원료로서 일본약국방에 등재되어 있다.

7. 독성 및 환경 영향

과학 문헌에 따르면, 일부 비스무트 화합물은 다른 중금속(납, 비소, 안티몬 등)보다 섭취를 통한 인체 독성이 낮다고 알려져 있다.[2] 이는 비스무트 염의 상대적으로 낮은 용해도 때문일 것으로 추정된다.[102] 전신에 대한 생물학적 반감기는 5일로 보고되지만, 비스무트 화합물로 치료받은 사람의 신장에는 수년간 남아 있을 수 있다.[101]

비스무트 중독은 발생할 수 있으며, 일부 보고에 따르면 비교적 최근까지도 흔한 현상이었다.[102][103] 납 중독과 마찬가지로, 비스무트 중독은 치은에 검은색 침착물(비스무트 선)을 형성할 수 있다.[104][105][106] 중독은 디머캡롤로 치료할 수 있지만, 그 효과에 대한 증거는 불분명하다.[107][108]

또한, 비스무트증(bismuthia)은 비스무트를 장기간 사용한 결과 나타나는 드문 피부 질환이다.

비스무트의 환경적 영향은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 다른 중금속에 비해 생물 축적 가능성이 낮을 것으로 예상되며, 이는 활발한 연구가 진행 중인 분야이다.[109][110]

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