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저마늄

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목차

1. 개요

저마늄은 은백색의 준금속 원소로, 1869년 드미트리 멘델레예프에 의해 예측되었고 1886년 클레멘스 빙클러에 의해 발견되었다. 반도체 특성을 지녀, 과거에는 트랜지스터, 다이오드 등 전자 부품에 사용되었으나, 현재는 광섬유, 적외선 광학, 태양 전지 등 다양한 분야에서 활용된다. 최근에는 실리콘-저마늄 합금 형태로 고속 집적 회로에 사용되거나, 스핀트로닉스 및 양자 컴퓨팅 분야에서도 연구가 진행되고 있다. 저마늄 팔찌 등의 건강 관련 제품의 효능에 대해서는 과학적 근거가 부족하며, 유사 과학으로 간주된다.

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  • 저마늄 - 저마늄 동위 원소
    저마늄은 34개의 동위 원소와 14개의 이성질핵을 가지며, 4가지의 안정 동위 원소(70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge)가 존재하고 74Ge의 자연 존재비가 가장 높으며 76Ge은 이중 베타 붕괴를 통해 76Se으로 붕괴한다.
  • 준금속 - 텔루륨
    텔루륨은 은백색의 금속성 광택을 가진 부서지기 쉬운 반금속 원소로, 광전도성을 보이며 셀레늄, 황과 유사한 화학적 성질을 나타내고 구리 정련 부산물로 얻어져 다양한 산업 분야에 활용되지만, 텔루륨과 그 화합물은 경미한 독성을 지닌 희귀 원소이다.
  • 준금속 - 붕소
    붕소는 준금속 원소로 붕사나 붕산염 형태로 존재하며 다이아몬드 다음으로 높은 경도를 지니고, 두 가지 안정 동위원소를 가지며, 높은 중성자 흡수율로 원자력 산업과 암 치료에 사용되고, 다양한 화합물 형태로 여러 산업 분야에서 사용되며, 식물의 필수 영양소이지만 과량 섭취 시 독성을 나타낸다.
  • 장소 이름이 포함된 화학 원소 - 루테튬
    루테튬은 원소 기호 Lu, 원자 번호 71을 갖는 희토류 원소로, 란타넘족 중 밀도, 녹는점, 경도가 가장 높고, 주로 +3의 산화 상태를 가지며, 안정 동위원소와 방사성 동위원소 형태로 존재하고, 제한적인 상업적 용도에도 불구하고 촉매, LED, PET, 연대 측정, 암 치료 등에 사용된다.
  • 장소 이름이 포함된 화학 원소 - 레늄
    레늄은 텅스텐과 탄소 다음으로 녹는점이 높고 끓는점이 가장 높은 은백색 금속 원소이며, 몰리브데넘 광석에서 주로 추출되어 제트 엔진, 촉매, 고옥탄가 휘발유 생산 등에 사용된다.
저마늄
게르마늄 정보
회색 광택의 불균일하게 쪼개진 표면을 가진 블록
은백색의 다결정 게르마늄
일반 정보
원소 이름게르마늄
일본어 이름게루마니우무
영어 이름Germanium
문화어 이름게르마니움
원자 번호32
원소 기호Ge
왼쪽 원소갈륨
오른쪽 원소비소
위쪽 원소Si
아래쪽 원소Sn
분류반금속
족14
주기4
블록p
겉모습은백색
원자 정보
원자 질량72.63(1)
전자 배치[Ar] 3d10 4s2 4p2
껍질 당 전자 수2, 8, 18, 4
산화 상태'4', 3, '2', 1, 0, −1, −2, −3, −4 (양쪽성 산화물)
전기 음성도2.01
이온화 에너지 (1차)762
이온화 에너지 (2차)1537.5
이온화 에너지 (3차)3302.1
원자 반지름122
공유 반지름122
반데르발스 반지름211
자기 정렬반자성
물리적 성질
상태고체
밀도 (상온)5.323
밀도 (녹는점)5.60
녹는점 (K)1211.40
녹는점 (섭씨)938.25
녹는점 (화씨)1720.85
끓는점 (K)3106
끓는점 (섭씨)2833
끓는점 (화씨)5131
융해열36.94
기화열334
열용량23.222
증기압 (1 Pa)1644
증기압 (10 Pa)1814
증기압 (100 Pa)2023
증기압 (1 kPa)2287
증기압 (10 kPa)2633
증기압 (100 kPa)3104
결정 구조다이아몬드 구조
격자 상수5.658
전기 저항 (20°C)1
열전도율60.2
열팽창6.0
소리 속도 (막대, 20°C)5400
영률103url=http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Ge]]
전단 탄성 계수41url=http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Ge]]
부피 탄성 계수75url=http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Ge]]
푸아송 비0.26url=http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Ge]]
모스 굳기6.0
밴드 갭0.67
기타 정보
CAS 등록 번호7440-56-4
동위 원소
동위원소 68질량수: 68
원소 기호: Ge
존재비: syn
반감기: 270.8 d
붕괴 방식: ε
붕괴 에너지: -
붕괴 후 원자 질량: 68
붕괴 후 원소 기호: Ga
동위원소 70질량수: 70
원소 기호: Ge
존재비: 21.23 %
중성자수: 38
동위원소 71질량수: 71
원소 기호: Ge
존재비: syn
반감기: 11.26 d
붕괴 방식: ε
붕괴 에너지: -
붕괴 후 원자 질량: 71
붕괴 후 원소 기호: Ga
동위원소 72질량수: 72
원소 기호: Ge
존재비: 27.66 %
중성자수: 40
동위원소 73질량수: 73
원소 기호: Ge
존재비: 7.73 %
중성자수: 41
동위원소 74질량수: 74
원소 기호: Ge
존재비: 35.94 %
중성자수: 42
동위원소 76질량수: 76
원소 기호: Ge
존재비: 7.44 %
반감기: 1.78 × 1021 y
붕괴 방식: β−β−
붕괴 에너지: -
붕괴 후 원자 질량: 76
붕괴 후 원소 기호: Se

2. 역사

1930년대 후반까지 저마늄은 전도성이 낮은 물질로 여겨져 큰 주목을 받지 못했다.[16] 그러나 제2차 세계 대전 중 소량이 레이더 펄스 검출용 점접촉 쇼트키 다이오드 등 일부 특수 전자 장치에 사용되면서 그 가능성을 보이기 시작했다.[17][18][16]

1945년 이후 저마늄의 반도체 특성이 알려지면서 경제적 중요성이 커졌고, 1948년 저마늄 트랜지스터의 발명은 고체 전자 장치 시대를 여는 중요한 계기가 되었다.[21][22] 1950년대부터 1970년대 초까지 저마늄은 트랜지스터, 다이오드 등의 핵심 재료로 사용되었으나, 이후 고순도 규소(실리콘)가 더 우수한 전기적 특성과 고온 안정성을 바탕으로 반도체 시장의 주류로 자리 잡게 되었다.[23][24]

비록 주력 반도체 재료의 자리는 규소에 내주었지만, 저마늄은 다른 분야에서 중요성을 유지 및 확대해 나갔다. 특히 광섬유 통신 네트워크, 적외선 야간 투시경 시스템, 중합 반응 촉매 등에서의 수요가 크게 증가했다.[20] 2000년에는 전 세계 저마늄 소비량의 약 85%가 이러한 용도로 사용되었다.[23] 미국 정부는 1987년 저마늄을 전략적 중요 물자로 지정하고 국가 방위 비축 물량으로 약 132449.01kg(132ton)을 확보하기도 했다.[20]

저마늄은 일반적인 모래나 석영에서 얻을 수 있는 규소와 달리 채굴 가능한 자원이 제한적이라는 특징이 있다. 이로 인해 생산량과 가격 면에서 규소와 차이를 보이는데, 1998년 기준으로 규소 가격이 kg당 10USD 미만이었던 반면, 저마늄은 kg당 거의 800USD에 달했다.[20]

2. 1. 발견

1869년, 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프는 자신이 고안한 주기율표에서 몇몇 원소의 자리가 비어있음을 지적하며, 아직 발견되지 않은 원소들의 존재를 예측했다. 그중에는 탄소족에 속하며 규소와 주석 사이에 위치할 원소도 있었다.[2] 멘델레예프는 이 원소를 '에카규소'(Ekasilicon, 기호 Es)라고 불렀는데, 이는 주기율표에서 규소 바로 아래에 위치한다는 의미이다. 그는 에카규소의 원자량을 70 (나중에는 72) 정도로 추정했다.

1885년 중반, 독일 작센주 프라이베르크(Freiberg, Saxony) 근처의 한 광산에서 새로운 광물이 발견되었다. 이 광물은 은 함량이 높아 '아르기로다이트'(argyrodite)라고 명명되었다.[4] 독일의 화학자 클레멘스 빙클러(Clemens Winkler)가 이 새로운 광물을 분석한 결과, 은과 황 외에 아직 알려지지 않은 새로운 원소가 포함되어 있다는 사실을 밝혀냈다. 1886년, 빙클러는 마침내 이 새로운 원소를 분리하는 데 성공했으며, 이 원소가 안티모니와 유사한 성질을 가진다는 것을 확인했다. 그는 처음에는 이 원소를 에카안티모니로 생각했으나, 곧 멘델레예프가 예측했던 에카규소임을 확신하게 되었다.[13][5]

빙클러는 새로운 원소의 이름을 정하기 위해 고심했다. 당시 수학적 예측을 통해 해왕성(Neptune)이 발견된 사례[6][7]를 따라, 예측을 통해 존재가 알려진 자신의 원소에 '넵투늄'(neptunium)이라는 이름을 붙이려 했다. 하지만 '넵투늄'이라는 이름은 이미 다른 화학 원소(당시 나이오븀과 탄탈럼의 혼합물로 여겨졌던 물질[8][9][10])에 제안된 상태였기 때문에, 빙클러는 다른 이름을 선택해야 했다. 결국 그는 자신의 조국인 독일을 기리기 위해, 독일의 라틴어 이름인 'Germania'에서 유래한 '게르마늄'(germanium)이라는 이름을 붙였다.[5] 이후 아지로다이트의 화학식은 Ag8GeS6임이 밝혀졌다.

새롭게 발견된 게르마늄은 비소나 안티모니와도 유사한 성질을 보였기 때문에 주기율표에서의 정확한 위치에 대한 논의가 있었지만, 멘델레예프가 예측한 에카규소의 성질과 놀라울 정도로 일치한다는 점이 확인되면서 주기율표상의 위치가 확정되었다.[5][12] 빙클러는 작센 광산에서 얻은 약 500kg의 아지로다이트 광석을 추가로 분석하여 1887년에 게르마늄의 화학적 특성을 더욱 명확히 규명했다.[13][5][14] 그는 순수한 게르마늄 사염화물(GeCl4) 분석을 통해 게르마늄의 원자량을 72.32로 결정했으며, 르코크 드 보아보드랑(Lecoq de Boisbaudran)은 원소의 스파크 스펙트럼 분석을 통해 원자량을 72.3으로 추정했다.[15]

빙클러는 불화물, 염화물, 황화물, 이산화물 등 여러 게르마늄 화합물을 합성했으며, 최초의 유기게르마늄 화합물인 테트라에틸게르만(Ge(C2H5)4)도 만들어냈다.[13] 이렇게 밝혀진 게르마늄의 물리적, 화학적 성질 데이터는 멘델레예프가 예측했던 에카규소의 성질과 매우 잘 들어맞았다. 이 발견은 멘델레예프의 주기율 법칙과 주기율표의 정확성을 입증하는 중요한 계기가 되었다.[13] 멘델레예프의 예측과 빙클러의 발견 결과를 비교하면 다음과 같다.

에카규소(Es)와 게르마늄(Ge)의 성질 비교[13]
특성에카규소
(멘델레예프 예측, 1871)		게르마늄
(빙클러 발견, 1887)
원자량72.6472.63
밀도 (g/cm3)5.55.35
녹는점 (°C)높음947
색깔회색회색
산화물 종류내화성 이산화물내화성 이산화물
산화물 밀도 (g/cm3)4.74.7
산화물 활성도약염기성약염기성
염화물 끓는점 (°C)100°C 미만86 (GeCl4)
염화물 밀도 (g/cm3)1.91.9


2. 2. 초기 반도체 산업

1930년대까지 저마늄은 전도성이 낮은 물질로 알려져 중요하게 취급되지 않았다. 그러나 1945년 반도체로서 유용하다는 사실이 알려지면서, 제2차 세계대전 동안 일부 저마늄이 레이다 전파 탐지용 다이오드 제조에 사용되었다.

저마늄은 비교적 녹는점이 낮아 영역 용융법을 통해 반도체로 사용 가능한 고순도 단결정을 얻기 쉬웠기 때문에 초기 반도체 산업에서 주목받았다. 1947년 12월 벨 연구소에서 최초로 증폭 작용을 확인한 점접촉형 트랜지스터는 저마늄(Ge) 기반이었으며, 1948년 저마늄 트랜지스터가 발명된 이후 전자 기기에 널리 사용되었다. 뒤이어 개발된 합금 접합형 트랜지스터 역시 저마늄을 기반으로 하여 1950년대 초기 반도체 산업을 이끌었다.

하지만 저마늄 트랜지스터는 고온에 약하여 작동 온도 범위의 상한이 약 70°C로 제한되는 단점이 있었다. 반면, 규소 트랜지스터는 약 125°C까지 작동 가능하여 고온 안정성이 더 뛰어났다. 이러한 이유로 1970년대 이후 고온에서도 안정적으로 작동하는 규소 반도체가 주류가 되면서 저마늄은 반도체 재료로서의 주역 자리를 내주게 되었다.

최근 규소 트랜지스터의 고속화 한계가 드러나면서, 저마늄의 높은 전자 이동도 특성이 다시 주목받고 있다[98][99]. 또한, 저마늄 단독 사용뿐만 아니라 규소에 소량의 저마늄을 첨가한 실리콘 게르마늄(SiGe) 합금 형태로 개발하는 연구도 진행 중이다[100]. 실리콘 게르마늄 합금은 기존의 미세 공정을 활용할 수 있어 고집적 반도체 소자 제조에 유리하다는 장점이 있다. 그러나 계면에서 이산화저마늄(GeO2)이 분해되어 일산화저마늄(GeO)이 발생하는 문제로 인해, 규소 반도체에서는 기술이 확립된 "게이트 절연막"을 저마늄으로 제작하는 데 어려움이 따르며, 이는 고집적 저마늄 반도체 양산의 병목 현상으로 작용하고 있다[99].

3. 특성

표준 상태에서 저마늄은 부서지기 쉬운 은백색의 준금속이자 반도체이다.[92] 이 형태는 α-저마늄으로 알려진 동소체이며, 금속 광택과 실리콘, 다이아몬드와 같은 다이아몬드 결정 구조를 가진다.[23] α-저마늄 형태에서 임계 변위 에너지는 19.7+0.6−0.5 eV이다.[25] 120 kbar 이상의 압력에서는 β-주석과 같은 구조를 가진 금속 동소체인 β-저마늄으로 변한다.[34] 저마늄은 실리콘, 갈륨, 비스무트, 안티몬, 물처럼 녹은 상태에서 고체로 응고될 때 부피가 팽창하는 몇 안 되는 물질 중 하나이다.[34]

저마늄은 결정질 실리콘처럼 간접 밴드갭을 가진 반도체이다. 영역 정제 기술을 통해 1010개의 원자 중 불순물 원자가 1개만 포함된 수준의 극도로 순수한 결정질 저마늄을 생산할 수 있는데,[26] 이는 지금까지 얻어진 가장 순수한 물질 중 하나로 평가받는다.[27]

2005년에는 저마늄, 우라늄, 로듐의 합금이 매우 강한 전자기장 하에서 초전도체가 되는 최초의 준금속 물질로 발견되었다.[28]

순수한 저마늄은 '저마늄 수염'이라고 불리는 매우 긴 나선형 전위가 자발적으로 자라나는 현상을 보인다. 이 수염은 오래된 저마늄 다이오드나 트랜지스터에서 고장을 일으키는 주요 원인 중 하나인데, 수염이 다른 부분에 닿아 단락을 유발할 수 있기 때문이다.[29]

4. 동위 원소

저마늄은 자연 상태에서 70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge, 76Ge 다섯 가지의 동위 원소가 존재한다. 이 중 74Ge는 존재 비율 약 36%로 가장 흔하며, 76Ge는 존재 비율 약 7%로 가장 드물다.[44] 76Ge은 매우 약하게 방사성을 띠는 방사성 동위 원소로, 이중 베타 붕괴를 통해 약 1.78×1021년의 반감기를 가진다.[44] 알파 입자를 쪼였을 때, 72Ge 동위원소는 안정한 77Se을 생성하며 고에너지 전자를 방출하는데,[45] 이 특성 때문에 라돈과 함께 핵전지에 사용되기도 한다.[45]

이 외에도 원자량 58에서 89까지, 최소 27가지의 인공 방사성 동위원소가 합성되었다. 이 중 가장 안정적인 것은 68Ge으로, 전자 포획을 통해 270.95일의 반감기를 가진다. 반면 가장 불안정한 것은 60Ge이며, 반감기는 30ms이다. 대부분의 저마늄 방사성 동위원소는 베타 붕괴를 통해 붕괴하지만, 61Ge과 64Ge는 β+ 지연 양성자 방출을 통해 붕괴하기도 한다.[44] 84Ge부터 87Ge 동위원소는 약간의 β- 지연 중성자 방출 붕괴 경로도 보인다.[44]

5. 생산

2011년 전 세계 게르마늄 생산량은 약 118ton이었으며, 주요 생산국은 중국(80톤), 러시아(5톤), 미국(3톤) 등이다.[23] 게르마늄은 주로 섬아연석 아연 광석에서 부산물로 회수되며, 최대 0.3%까지 농축되어 있다.[58] 특히 저온 퇴적층에 있는 대규모 Zn–Pb–Cu(–Ba) 광상과 탄산염층 아연-납 광상에서 많이 발견된다.[59] 최근 연구에 따르면, 알려진 아연 매장량, 특히 미시시피 계곡형 광상에는 최소 10000ton의 게르마늄이, 석탄 매장량에는 최소 112000ton이 매장되어 있을 것으로 추정된다.[60] 2007년 기준으로는 수요의 35%가 재활용된 게르마늄으로 충당되었다.[49]

연도가격
($/kg)[61]
19991,400
20001,250
2001890
2002620
2003380
2004600
2005660
2006880
20071,240
20081,490
2009950
2010940
20111,625
20121,680
20131,875
20141,900
20151,760
2016950
20171,358
20181,300
20191,240
20201,000



게르마늄은 주로 섬아연석에서 생산되지만, 은, 납, 구리 광석에서도 발견된다. 또 다른 주요 원천은 게르마늄을 함유한 석탄을 연료로 사용하는 발전소에서 나오는 플라이 애시이다. 러시아와 중국은 플라이 애시를 게르마늄 생산에 활용하고 있다.[62] 러시아의 매장지는 극동 지역의 사할린 섬과 블라디보스토크 북동쪽에 위치하며, 중국의 매장지는 주로 윈난성 린창시 근처의 갈탄 광산과 내몽골 자치구 실린하오터시 근처의 석탄 매장지에 분포한다.[49]

광석 농축물은 대부분 황화물 형태이며, 로스팅 공정을 통해 공기 중에서 가열하여 산화물로 전환시킨다.

: GeS2 + 3 O2 → GeO2 + 2 SO2

이 과정에서 일부 게르마늄은 먼지에 남아있고, 나머지는 게르마늄산염으로 전환된다. 이 재(cinder)를 황산으로 침출하면 아연과 함께 게르마늄이 용해된다. 용액을 중화하면 아연은 용액에 남고 게르마늄과 다른 금속들은 침전된다. 벨츠법을 이용해 침전물에서 아연 일부를 제거한 후, 남은 벨츠 산화물을 다시 침출한다. 이산화물(GeO2)을 침전물로 얻은 뒤, 염소 가스나 염산으로 처리하여 끓는점이 낮은 사염화 게르마늄(GeCl4)으로 전환시켜 증류를 통해 분리한다.[62]

: GeO2 + 4 HCl → GeCl4 + 2 H2O

: GeO2 + 2 Cl2 → GeCl4 + O2

사염화 게르마늄은 산화물(GeO2)로 가수분해하거나, 분별 증류로 정제한 후 가수분해하여 고순도 GeO2를 얻는다.[62] 이렇게 얻은 고순도 GeO2는 게르마늄 유리 생산에 사용된다. 적외선 광학 및 반도체 생산에 적합한 원소 게르마늄은 GeO2를 수소와 반응시켜 환원하여 얻는다.

: GeO2 + 2 H2 → Ge + 2 H2O

강철 생산이나 다른 산업 공정에 사용되는 게르마늄은 일반적으로 탄소를 사용하여 환원시킨다.[63]

: GeO2 + C → Ge + CO2

6. 용도

2007년 기준으로 전 세계 저마늄의 주요 용도는 광섬유 (35%), 적외선 광학 (30%), 중합 촉매 (15%), 전자 및 태양광 응용 분야 (15%)로 추정되었다.[23] 나머지 5%는 형광체, 야금, 화학 요법 등 기타 분야에 사용되었다.[23]

6. 1. 광학

네 개의 동심원 실린더 그림
전형적인 단일모드 광섬유. 이산화게르마늄은 코어 실리카(그림의 항목 1)의 첨가제로 사용된다.


이산화게르마늄(GeO2)은 높은 굴절률과 낮은 광분산이라는 주목할 만한 광학적 특성을 가지고 있다. 이러한 특성 덕분에 광각 카메라 렌즈, 현미경, 그리고 광섬유의 코어 부분 제작에 특히 유용하게 사용된다.[64][65] 과거 광섬유 제조 시 첨가제로 사용되던 이산화티타늄은 섬유를 취약하게 만드는 열처리 과정이 필요했지만, 이산화게르마늄은 이를 대체하여 이러한 후속 공정을 제거할 수 있게 했다.[66] 2002년 말 기준으로, 미국 내 광섬유 산업은 연간 게르마늄 사용량의 약 60%를 차지했지만, 이는 전 세계 게르마늄 소비량의 10% 미만에 해당한다.[65] 또한, GeSbTe 합금은 상변화 물질로서 재기록 가능한 DVD 등에 활용되는 광학적 특성을 지닌다.[67]

게르마늄 금속 자체는 적외선 파장에서 투명한 특성을 가지고 있어, 렌즈나 창(window) 형태로 쉽게 절단하고 연마하여 만들 수 있는 중요한 적외선 광학 소재이다. 특히 8um~14um 파장 범위에서 작동하는 열화상 카메라의 전면 광학계 제작에 널리 사용되는데, 이는 군사용 야간 투시경, 이동식 야간 투시 장비, 소방 분야에서의 열점 감지, 수동 열화상 촬영 등에 활용된다.[63] 또한, 적외선 분광기나 매우 민감한 적외선 검출기가 필요한 다른 광학 장비에도 사용된다.[65] 게르마늄은 매우 높은 굴절률(약 4.0)을 가지므로, 빛의 반사를 줄이기 위해 반사 방지 코팅이 필수적이다. 특히, 굴절률이 약 2.0인 다이아몬드 유사 탄소(DLC)를 이용한 특수 반사 방지 코팅은 게르마늄과 굴절률이 잘 맞고 매우 단단하여, 다이아몬드처럼 견고한 표면을 만들어 다양한 환경적 손상으로부터 보호할 수 있다.[68][69]

이처럼 게르마늄은 적외선 영역에서 투명하고 높은 굴절률을 가지는 특성 때문에 석영을 사용한 렌즈에 첨가하여 굴절률을 높이거나 적외선 투과성을 부여하는 등 다양한 광학적 용도로 활용된다.

6. 2. 전자 공학

실리콘과 합금하여 만드는 실리콘-저마늄(SiGe) 합금은 고속 집적 회로에 사용되는 중요한 반도체 재료로 빠르게 자리 잡고 있다. Si-SiGe 헤테로접합 구조를 이용하면 실리콘만 사용한 회로보다 훨씬 빠른 속도를 낼 수 있다.[70] 또한, 기존 실리콘 칩 생산 기술을 그대로 활용하여 저렴하게 SiGe 칩을 생산할 수 있다는 장점이 있다.[23]

고효율 태양 전지판 제작은 저마늄의 주요 용도 중 하나이다. 저마늄은 갈륨 비소(GaAs)와 격자 상수가 거의 같아, 저마늄 기판 위에 고효율 갈륨 비소 태양 전지를 만들 수 있다.[71] 특히 우주 탐사용 고효율 다중 접합 태양 전지의 웨이퍼 기판으로 널리 사용되는데, 예를 들어 화성 탐사 로버는 저마늄 기판 위에 제작된 삼중 접합 갈륨 비소 전지를 사용한다.[72] 자동차 헤드라이트나 LCD 화면 백라이트에 사용되는 고휘도 LED 제작에도 저마늄이 중요한 역할을 한다.[23] 또한 형광등의 인광체[26]나 고체 발광 다이오드(LED)[23] 등 다른 전자 장치에도 활용된다.

실리콘을 절연체 위에 증착하는 SOI(Silicon-On-Insulator) 기술처럼, 저마늄을 절연체 위에 올린 GeOI(Germanium-On-Insulator) 기판은 칩의 소형화 과정에서 기존 실리콘을 대체할 잠재력을 가진 기술로 주목받고 있다.[23] GeOI 기판을 기반으로 한 CMOS 회로 개발도 보고되었다.[73]

초창기 트랜지스터는 주로 저마늄으로 만들어졌으나, 이후 안정성이 더 뛰어난 실리콘이 등장하면서 주류 자리를 내주었다. 하지만 저마늄 트랜지스터는 특유의 음색 때문에 일부 이펙트 페달에 여전히 사용된다. 특히 초기 록 앤 롤 음악의 독특한 "퍼즈"톤을 재현하려는 음악가들이 선호하며, 달라스 아비터 퍼즈 페이스가 대표적인 예이다.[74] 현재에도 전압강하가 작다는 장점 때문에 다이오드로, 밴드갭이 비교적 좁다는 특성 때문에 광검출기로 사용된다.

감마선 측정을 위한 반도체 검출기에도 저마늄이 사용된다. 소자를 액체질소 등으로 냉각해야 하는 단점이 있지만, 에너지 분해능이 뛰어나다는 장점 때문에 활용되고 있다. 또한, 저마늄은 적외선을 잘 투과시키고, 적외선 영역에서 굴절률(약 n = 4)이 높은 특성을 가진다. 이 성질을 이용하여 석영 렌즈에 저마늄을 첨가하면 굴절률을 높이고 적외선 투과성을 확보할 수 있어 광학 용도로도 다용된다.

최근에는 체내에서 유해한 수소 가스를 발생시키지 않고 흡수될 수 있는 이식형 생체 전자 센서의 재료로 저마늄이 연구되고 있으며, 이는 기존의 산화 아연이나 인듐 갈륨 아연 산화물 기반 센서를 대체할 가능성을 보여준다.[75]

6. 3. 기타 용도

투명 플라스틱 병 사진
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 병


이산화 게르마늄은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 생산 시 중합 반응 촉매로 사용된다.[76] 이 폴리에스터의 높은 광택은 특히 일본에서 판매되는 PET 병에 선호되지만,[76] 미국에서는 중합 촉매로 게르마늄을 사용하지 않는다.[23] 또한 이산화규소(SiO2)와 이산화 게르마늄(GeO2)의 유사성 때문에 일부 기체 크로마토그래피 컬럼의 이산화규소 고정상을 GeO2로 대체할 수 있다.[77]

최근 게르마늄은 귀금속 합금에도 사용되고 있다. 예를 들어, 스터링 실버 합금에 게르마늄을 첨가하면 화염비늘 발생을 줄이고 변색 저항성을 높이며 침전 경화를 향상시키는 효과가 있다. 아젠티움 스털링 실버라는 상표의 변색 방지 은 합금에는 게르마늄이 1.2% 포함되어 있다.[23]

고순도 단결정 게르마늄으로 만든 반도체 검출기는 공항 보안 검색 등에서 방사선원을 정확하게 식별하는 데 사용된다.[78] 게르마늄은 단결정 중성자 산란 및 싱크로트론 광 X선 회절 실험에 사용되는 빔라인의 단색화장치 제작에 유용하다. 특히 중성자 및 고에너지 X선 응용 분야에서는 규소(실리콘)보다 반사율이 높다는 장점이 있다.[79] 고순도 게르마늄 결정은 감마 분광법 및 암흑 물질 탐색용 검출기에도 사용되며,[80] 인, 염소, 황의 결정을 분석하는 X선 분광계에도 활용된다.[81] 또한 감마선 검출기(반도체 검출기)로도 사용되는데, 소자를 액체질소 등으로 냉각해야 하는 단점이 있지만 에너지 분해능이 뛰어나다는 장점이 있다.

게르마늄은 스핀트로닉스 및 스핀 기반 양자 컴퓨팅 응용 분야에서 중요한 재료로 떠오르고 있다. 2010년 연구에서는 상온에서 스핀 수송이 가능하다는 것이 증명되었고,[82] 최근에는 게르마늄 내 도너 전자의 스핀이 매우 긴 결맞음 시간을 갖는다는 사실이 밝혀졌다.[83]

초기 트랜지스터에는 게르마늄이 사용되었으나, 안정성이 더 뛰어난 규소(실리콘)이 등장하면서 주류 자리를 내주었다. 하지만 현재에도 전압강하가 작다는 특성 때문에 다이오드로 사용되며, 밴드갭이 비교적 좁다는 점에서 광검출기로도 활용된다.

적외선에 대해 투명하고 적외선 영역에서 높은 굴절률(약 n = 4)을 나타내므로, 렌즈와 같은 광학 부품 재료로 유용하다. 석영을 사용한 렌즈에 게르마늄을 첨가하면 굴절률이 높아지고 적외선 투과성이 향상된다.

한편, 게르마늄을 사용한 다양한 건강 기구들이 시중에 판매되고 있다. 무기 게르마늄은 어깨 결림 등에 사용하는 부착형 치료 기구로 응용되기도 한다.[131] 일본에서는 의약품·의료기기 등 법에 따라 승인 또는 인증을 받은 의료기기가 있으며, 이러한 제품들은 "결림"이나 "통증" 완화 효능을 표시할 수 있다. 그러나 승인받지 않은 효과를 표방하는 것은 금지된다. 일부 연구에서는 부착형 게르마늄 금속 입자가 어깨 결림이나 요통에 효과가 있으며,[125][126] 스트레칭 능력 향상,[128] 혈류 속도 개선,[132] 스트레스 경감[133] 등에 기여할 수 있다는 결과가 보고되기도 했다.

하지만 이러한 건강 효과에 대해서는 논란이 있다. 2009년 국민생활센터가 시중의 게르마늄 팔찌 12개 제품을 조사한 결과, 7개 제품은 게르마늄 함량이 1.5% 미만이었고 1개 제품에서는 게르마늄이 전혀 검출되지 않았다. 효능 효과를 광고하는 5개 제품 중 답변이 온 2개 업체는 명확한 과학적 근거를 제시하지 못했으며, 국민생활센터는 근거 없는 표시를 중단하도록 요청했다. 이러한 광고는 경품표시법이나 약사법에 저촉될 우려가 있다.[134] 국민생활센터는 관련 문헌 데이터베이스를 조사한 결과, 게르마늄 건강 기구의 효과를 입증하는 문헌을 찾을 수 없었으며 건강 효과를 기대하기 어렵다고 결론 내렸다.[136] 2010년에는 "암에 효과가 있다"고 속여 온열 치료 기기를 판매한 업자가 체포되는 사건도 발생하는 등[137][138], 게르마늄의 건강 효능에 대한 과대광고 및 사기 문제가 지속적으로 제기되고 있다.

7. 게르마늄과 건강



1887년 빈클러(Winkler)의 첫 유기 게르마늄 합성을 시작으로,[101] 1969년 아사이 카즈히코(浅井一彦)가 세계 최초의 게르마늄 연구소를 설립하는 등[102] 유기 게르마늄 화합물 연구가 진행되었다. 1970년대 이후 암, 간염 치료제로 기대를 모았으나 대부분 의약품으로 개발되지는 못했다.


  • 프로파게르마늄(Propagermanium): 1978년 사토 류이치(佐藤隆一) 등이 합성하여 임상 시험을 거쳐, 1994년부터 면역 증강 효과가 있는 경구용 B형 만성간염 치료제 '세로시온 캡슐'로 판매 중이다.[104] 이는 유기 게르마늄 중 유일하게 의약품으로 인정받았으나, 소화기계 증상, 우울증, 월경 이상, 탈모 등 부작용 가능성이 있으며 건강 장애 및 사망 위험 경고가 있다.[105] 암 전이 억제 연구도 진행 중이다.[106]
  • 레파게르마늄(Repagermanium): 아사이 카즈히코 등이 1968년 합성한 물질(속칭 아사이게르마늄, Ge-132)이다.[101][108] 우수실험실관리기준(GLP)을 통과해 식품 안전성이 확인되었고,[108] 2019년 일본건강·영양식품협회 인증을 받아 식품 및 화장품에 사용된다.[109] 임상 시험에서 암 환자의 생존 기간 연장 효과는 없었으나 통증 및 식욕 개선이 관찰되었고, 장기 투여 시 심각한 부작용은 보고되지 않았다.[111] 화장품 원료로서는 보습력 향상[123] 및 멜라닌 생성 억제 효과[124]가 연구되었다.
  • 기타 유기 게르마늄: 스피로게르마늄(Spirogermanium)은 위암 임상 시험에서 독성 문제로 연구가 중단되었고,[113] 폭시겔마니움(Proxigermanium)도 임상 시험이 진행된 바 있다.[114]

무기 게르마늄 및 건강 보조 식품 관련 문제유기 게르마늄 연구와 별개로, 독성이 있는 무기 게르마늄(이산화 게르마늄)을 유기 게르마늄으로 속여 건강기능식품으로 판매하여 신장 장애 등 심각한 건강 피해나 사망 사고가 발생하기도 했다.[109][115] 이는 1970년대 후반부터 무기 게르마늄 섭취의 위험성이 알려졌음에도 발생한 문제이다. 1998년 일본 후생노동성은 산화 게르마늄 섭취 자제 및 관련 식품의 안전성 확인을 촉구했다.[116] 특정 유기 게르마늄(젖산 게르마늄 구연산염) 역시 건강 장애[117] 및 사망 사례가 보고되었다.[118] 국립건강·영양연구소는 2008년, 게르마늄 보충제의 경구 섭취는 잠재적으로 위험하며 심각한 부작용 및 사망에 이를 수 있다고 경고했다.[120][121] 1997년까지 게르마늄 섭취로 인한 31건의 중증 신장 질환 또는 사망 사례가 보고되었다.[122]
게르마늄 건강 기구 논란게르마늄을 사용한 팔찌, 목걸이, 부착형 치료기 등 다양한 건강 기구가 판매되고 있다.[131] 일본에서는 의약품·의료기기 등 법에 따라 승인/인증된 의료기기만이 "결림", "통증" 완화 등의 효능 표시가 가능하다. 일부 연구에서는 부착형 게르마늄[125][126][128], 습포[131], 목걸이[132][133] 등이 통증 완화, 스트레칭 능력 향상, 혈류 개선, 스트레스 경감 등에 효과가 있다는 결과가 보고되기도 했다.

그러나 이러한 기구들의 효과에 대한 과학적 근거는 논란이 있다. 2009년 일본 국민생활센터 조사 결과, 시중 게르마늄 팔찌 다수가 게르마늄 함량이 미미하거나 없었으며, 효능 광고에 대한 명확한 과학적 근거를 제시하지 못했다. 센터는 이러한 광고가 법률 위반 소지가 있으며, 관련 문헌 조사 결과 건강 효과를 입증할 근거를 찾지 못했다고 밝혔다.[134][136] 2010년에는 "암에 효과가 있다"며 게르마늄 온열 치료기를 판매한 업자가 체포되기도 했다.[137][138]
주의가 필요한 게르마늄 화합물게르마늄 자체는 문제가 없으나, 인공적으로 생산된 일부 화합물은 위험할 수 있다. 예를 들어, 액체 상태의 사염화게르마늄(GeCl4)과 기체 상태의 게르만(GeH4)은 눈, 피부, 폐, 목에 심한 자극을 유발할 수 있다.[93]

7. 1. 유사 과학 및 논란

시중에는 저마늄 팔찌 등을 판매하며, 이를 착용하면 혈액순환이 좋아지고 맥박이 고르게 된다고 주장하는 경우가 있다. 그러나 이는 과학적 근거가 부족한 유사과학에 해당한다. 연세대학교 박희민 교수는 "게르마늄을 팔찌에 찼다고 해서 전신적으로, 근육의 움직임이나 심장 박동, 혹은 혈관의 이완과 수축을 잘 조절할 것인가 하고 봤을 때는 동의할 수 없습니다."라고 지적하며 이러한 주장에 회의적인 입장을 보였다.[140] 또한, 일부 저마늄 팔찌가 원적외선을 방출한다고 광고하지만, 물질이 자체적으로 무언가를 방출한다면 이는 방사선의 일종일 수 있으며, 팔찌가 유의미한 원적외선을 방출한다는 주장 역시 검증되지 않은 내용이다.

저마늄은 식물이나 동물의 건강 유지에 필수적인 원소로 간주되지 않는다.[89] 자연 환경에 존재하는 저마늄은 건강에 거의 영향을 미치지 않는데, 이는 저마늄이 주로 광석이나 탄소질 물질에 미량으로만 존재하고, 산업 및 전자 응용 분야에서도 섭취 가능성이 희박한 매우 적은 양만 사용되기 때문이다.[23] 이러한 이유로 최종 사용 단계의 저마늄은 생물학적 위험 물질로서 환경에 미치는 영향도 거의 없다. 다만, 일부 반응성이 높은 중간체 게르마늄 화합물은 독성을 가질 수 있다.[88]

한편, 유기 게르마늄과 무기 게르마늄으로 만들어진 게르마늄 보충제가 백혈병이나 폐암 치료에 효과가 있는 대체 의학 요법으로 판매되기도 했다.[20] 그러나 이러한 주장을 뒷받침할 의학적 증거는 없으며, 오히려 일부 증거는 해당 보충제가 인체에 해로울 수 있음을 시사한다.[89] 미국 식품의약국(FDA)은 연구를 통해 영양 보충제로 사용되는 무기 게르마늄이 "잠재적인 인체 건강 위험을 초래한다"고 결론 내렸다.

과거 일부 대체 의학 의사들은 FDA의 승인을 받지 않은 게르마늄 화합물 주사 용액을 환자에게 투여하기도 했다. 초기에는 시트르산염-젖산염 염과 같은 수용성 무기 게르마늄 형태가 사용되었는데, 이를 장기간 사용한 사람들에게서 신장 기능 장애, 간 지방증, 말초 신경병증 등이 나타났으며, 일부는 사망에 이르기도 했다. 이들의 혈장 및 소변 내 게르마늄 농도는 정상 수준보다 몇 배나 높게 측정되었다. 반면, 비교적 최근에 사용된 유기 게르마늄 형태인 베타-카르복시에틸게르마늄 세스퀴옥사이드(프로파게르마늄)는 동일한 수준의 독성 효과를 나타내지 않는 것으로 알려졌다.[91]

특정 게르마늄 화합물은 포유류에게는 독성이 낮지만, 일부 특정 박테리아에 대해서는 독성 효과를 나타낼 수 있다.[92]

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