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텅스텐

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목차

1. 개요

텅스텐은 원자 번호 74번의 은회색 금속 원소로, "무거운 돌"을 뜻하는 스웨덴어 "tung sten"에서 유래했다. 1783년 호세 엘우야르 형제에 의해 분리되었으며, 높은 녹는점(3422 °C)과 강도, 화학적 안정성을 특징으로 한다. 텅스텐은 주로 탄화텅스텐 형태로 경질 재료를 만드는 데 사용되며, 전구 필라멘트, 고온 전극, 합금, X선 차폐, 포탄 재료 등 다양한 용도로 활용된다. 생물학적 역할도 하며, 일부 세균과 고균에서 효소의 구성 성분으로 사용된다. 텅스텐은 희귀 금속으로, 일부 텅스텐 화합물은 중추 신경계에 영향을 미칠 수 있으며, 텅스텐 합금, 분진, 미립자는 동물과 인간에게 암과 기타 부작용을 유발할 위험성이 있다.

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텅스텐
기본 정보
텅스텐 결정과 1cm³ 큐브
텅스텐 결정과 1cm³ 큐브
원소 이름텅스텐
다른 이름볼프람
로마자 표기: wollpeuram
원소 기호W
원자 번호74
왼쪽 원소Ta
오른쪽 원소Re
위쪽 원소Mo
아래쪽 원소Sg
물리적 성질
겉모습회백색, 광택
전자 껍질2, 8, 18, 32, 12, 2
상태고체
밀도 (상온)19.254 g/cm³
밀도 (융점)17.6 g/cm³
녹는점3695 K (3422 °C, 6192 °F)
끓는점6203 K (5930 °C, 10706 °F)
임계점13892 K
임계점 (섭씨)13620 °C
임계점 (화씨)24800 °F
융해열52.31 kJ/mol
기화열774 kJ/mol
열용량24.27 J/(mol·K)
증기압 (1 Pa)3477 K
증기압 (10 Pa)3773 K
증기압 (100 Pa)4137 K
증기압 (1 kPa)4579 K
증기압 (10 kPa)5127 K
증기압 (100 kPa)5823 K
결정 구조체심 입방정계
격자 상수a = 316.52 pm (20 °C에서)
전기 음성도2.36 (폴링 척도)
이온화 에너지1차: 770 kJ/mol
2차: 1700 kJ/mol
원자 반지름139 pm
공유 반지름162±7 pm
자기 정렬상자성
전기 저항 (20 °C)52.8 nΩ·m
열전도율173 W/(m·K)
열팽창 계수 (20 °C)4.42 × 10-6 /K
음속 (상온, 막대)4620 m/s (단조)
영률411 GPa
전단 탄성 계수161 GPa
부피 탄성 계수310 GPa
푸아송 비0.28
모스 경도7.5
비커스 경도3430–4600 MPa
브리넬 경도2000–4000 MPa
화학적 성질
산화 상태6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2 (약산성 산화물)
동위 원소
동위 원소180W (0.12%): α, 반감기 1.8×1018 년, 붕괴 에너지 2.516 MeV, 176Hf로 붕괴
181W (인공): ε, 반감기 121.2 일, 붕괴 에너지 0.188 MeV, 181Ta로 붕괴
182W (26.50%): α, 반감기 >1.7×1020 년, 붕괴 에너지 1.772 MeV, 178Hf로 붕괴
183W (14.31%): α, 반감기 >8×1019 년, 붕괴 에너지 1.680 MeV, 179Hf로 붕괴
184W (30.64%): α, 반감기 >1.8×1020 년, 붕괴 에너지 1.123 MeV, 180Hf로 붕괴
185W (인공): β-, 반감기 75.1 일, 붕괴 에너지 0.433 MeV, 185Re로 붕괴
186W (28.43%): α, 반감기 >4.1×1018 년, 붕괴 에너지 1.656 MeV, 182Hf로 붕괴, β-β-, 186Os로 붕괴
기타 정보
CAS 등록 번호7440-33-7
발견자토르베른 베리만 (명명)
명명 연도1781년
발견 및 첫 분리후안 호세 엘후야르와 파우스토 엘후야르
발견 연도1783년

2. 역사

1781년 칼 빌헬름 셸레는 회중석에서 새로운 산인 텅스텐산을 발견하였다. 셸레와 토르베른 베르그만은 이 산을 환원시켜 새로운 금속을 얻을 수 있을 것이라고 제안했다. 1783년, 스페인의 호세 엘우야르와 파우스토 엘우야르 형제는 철망가니즈중석에서 텅스텐산을 발견하고, 숯을 이용하여 환원시켜 금속 텅스텐을 분리하는 데 성공했다.

'텅스텐'이라는 이름은 스웨덴어로 "무거운 돌"을 뜻하는 "tung sten"에서 유래했으며, 이는 회중석을 지칭하는 말이었다. 원소 기호 W는 독일어 "Wolfram"(볼프람)에서 유래했는데, 이는 늑대를 뜻하며, 텅스텐 광석인 철망가니즈중석(Wolframit)에 주석이 섞이면 슬래그를 만들어 주석 정제를 방해하는 현상을 늑대가 주석을 먹는 것에 비유한 것이다.

제2차 세계 대전 동안 텅스텐은 높은 온도에서도 잘 견디고 다른 금속과 섞으면 강도가 높아지는 성질 때문에 군사적으로 중요한 역할을 하였다. 당시 유럽 내 주요 텅스텐 산지였던 포르투갈은 연합국과 추축국 양측으로부터 압력을 받았다.

대한민국의 상동 광산은 한때 세계 최대의 텅스텐 광산이었으나, 1990년대 값싼 중국산 텅스텐의 유입으로 폐광되었다. 그러나 2020년부터 재개광이 추진 중이다.

3. 특성

텅스텐의 원자량은 183.84이며, 그 단체는 은회색으로 무겁고, 비중은 19.3이다. 비중이 금(Au)에 가까워, 금괴의 위조에 사용된 사례가 있다.[143]

화학적으로는 비교적 안정적이며, 상압에서의 녹는점은 3380 °C이고, 끓는점은 5555 °C이다. 금속 단체 중에서는 가장 녹는점이 높고, 금속으로서는 비교적 큰 전기 저항을 가진다.[144]

참고로, 텅스텐은 단단하고 잘 부서진다는 이미지가 있지만, 이는 불순물이 섞인 합금일 경우이며, 고순도 텅스텐은 부드럽다. 단, 이후는 특별한 언급이 없는 한, 고순도가 아닌 텅스텐이나 텅스텐 화합물에 대해 기술한다.

'''물리적 특성'''

순수한 텅스텐은 은회색의 단단한 금속으로, 전성과 연성이 뛰어나 가공하기가 쉽다.[14] 그러나 불순물이 섞이면 단단하면서도 부서지기 쉬워진다.[143] 정제된 단결정 텅스텐은 경도를 유지하면서도 쉽게 가공할 수 있을 만큼 연성을 갖는다.[14] 텅스텐은 단조, 인발, 압출로 가공되지만, 일반적으로 소결로 성형된다.

텅스텐은 모든 원소 중 녹는점이 가장 높고(3422 °C)[18] 1650 °C 이상에서 증기압이 가장 낮다.[18] 탄소는 이보다 높은 온도에서 고체로 존재하지만, 대기압에서 승화하므로 녹는점이 없다. 텅스텐의 인장 강도는 모든 원소 중에서 가장 높으며,[18] 이는 5d 오비탈의 전자들이 텅스텐 원자들을 강하게 결합시키기 때문이다.[20] 소량의 텅스텐을 강철에 합금하면 인성이 크게 증가한다.[10] 텅스텐의 열팽창 계수는 모든 순수 금속 중 가장 낮다.[20]

텅스텐은 두 가지 주요 결정 형태, α형과 β형으로 존재한다. α형은 체심 입방 구조를 가지며 더 안정적이다. β상은 A15 입방 구조로 준안정적이지만, 상온에서 α상과 공존할 수 있다. α상은 전기 저항[21]이 β상의 1/3이고, 초전도 전이 온도 TC는 약 0.015 K로 β상의 1–4 K보다 낮다.[22][23] 두 상을 혼합하거나 다른 금속과 합금하여 TC 값을 높일 수 있다.[24] 텅스텐-Tc 합금의 경우 7.9 K이다. 이러한 텅스텐 합금은 저온 초전도 회로에 사용되기도 한다.[25][26][27]

'''화학적 특성'''

텅스텐은 화학적으로 비교적 안정적이며, 대부분의 산과 염기에 대한 내성이 강하다.[31][32] 고온에서 산소와 반응하여 삼산화텅스텐(WO₃)을 형성하지만, 상온에서는 산소나 공기와 반응하지 않는다. 그러나 상온에서 플루오린(F2)과 직접 반응하여 육불화텅스텐(WF6)을 형성하며, 특정 온도 조건에서 염소, 브로민, 요오드와 반응한다.[31][32] 미세하게 분쇄된 텅스텐은 발화성을 가진다.

텅스텐은 다양한 산화 상태(-2 ~ +6)를 가지며, 가장 일반적인 산화 상태는 +6이다.[32][33] 산소와 결합하여 노란색의 텅스텐산화물(WO3)을 형성하며, 이는 알칼리성 수용액에 녹아 텅스텐산 이온(WO42-)을 형성한다. 탄화텅스텐(W2C 및 WC)은 텅스텐 분말을 탄소와 함께 가열하여 생산되며, W2C는 화학적 부식에 강하지만 염소와 반응하여 육염화텅스텐(WCl6)을 형성한다.[10]

수용액에서 텅스텐산염은 중성 및 산성 조건에서 헤테로폴리산과 폴리옥소메탈레이트 음이온을 생성한다. 텅스텐산염을 산으로 점진적으로 처리하면, "파라텅스텐산 A" 음이온(W7O246-)을 거쳐 "파라텅스텐산 B" 음이온(H2W12O4210-)으로 전환된다.[34] 산을 더 첨가하면 메타텅스텐산 음이온(H2W12O406-)이 생성되며, 이는 케긴 음이온으로 알려진 대칭 클러스터를 이룬다. 인텅스텐산(H3PW12O40)과 같이 다른 원자를 포함하는 다양한 헤테로폴리산도 존재한다. 삼산화텅스텐은 나트륨 텅스텐 브론즈와 같은 알칼리 금속 삽입 화합물을 형성할 수 있다.

기체 상태에서 텅스텐은 이원자 분자(W2)를 형성하며, 이 분자는 텅스텐 원자 사이에 육중 결합을 가진다.[35][36]

텅스텐은 -II부터 VI까지의 산화 상태에서 다양한 염화물을 형성한다. 예를 들어 염화텅스텐(II)(W6Cl12), 염화텅스텐(III)(W6Cl18), 염화텅스텐(IV)(WCl4), 염화텅스텐(V)(WCl5), 염화텅스텐(VI)(WCl6) 등이 있다.[52] 유기텅스텐 화합물도 다양하며, 주목할 만한 예로는 삼각 프리즘형 육메틸텅스텐(W(CH3)6)과 팔면체형 헥사카르보닐텅스텐(W(CO)6)이 있다.

'''생물학적 특성'''

텅스텐은 일부 세균 및 고균[117]에서 생물학적 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 원자 번호 74번으로 생물학적 역할이 알려진 원소 중 가장 무겁다. 텅스텐을 사용하는 효소들은 주로 카르복시산을 알데하이드로 환원시키는 역할을 하며,[118] 산화 환원 효소들의 경우 산화 반응의 촉매로 사용되기도 한다. 일부 텅스텐을 필요로 하는 효소는 셀레늄도 함께 필요로 하는데, 이 텅스텐-셀레늄 조합은 일부 몰리브도프테린 효소의 몰리브데넘-황 조합과 유사하게 기능한다.[119]

토양 속에서 텅스텐 금속은 산화되어 텅스텐산염 음이온이 되며,[123] 이는 일부 원핵생물에 의해 선택적 또는 비선택적으로 수입되어 특정 효소에서 몰리브덴산염을 대체할 수 있다. 토양의 산성도에 따라 텅스텐의 중합 방식이 달라지는데, 알칼리성 토양은 단량체 텅스텐산염을, 산성 토양은 중합체 텅스텐산염을 생성한다.[124]

텅스텐산나트륨은 지렁이의 번식 능력을 억제하는 독성을 나타낸다.[125] 텅스텐은 생물학적 구리 대사 수용체 길항제로 연구되었으며, display=1/硫代鎢酸鹽중국어 염은 테트라티오몰리브데이트와 유사하게 생물학적 구리 킬레이트화 화학 물질로 사용될 수 있다.[126]

고세균에서 텅스텐을 선택적으로 수송하는 ''wtp'' 시스템이 알려져 있다.[129]

3. 1. 물리적 특성

순수한 텅스텐은 은회색의 단단한 금속으로, 전성과 연성이 뛰어나 가공하기가 쉽다.[14] 그러나 불순물이 섞이면 단단하면서도 부서지기 쉬워진다.[143] 정제된 단결정 텅스텐은 경도를 유지하면서도 쉽게 가공할 수 있을 만큼 연성을 갖는다.[14] 텅스텐은 단조, 인발, 압출로 가공되지만, 일반적으로 소결로 성형된다.

텅스텐은 모든 원소 중 녹는점이 가장 높고(3422 °C)[18] 1650 °C 이상에서 증기압이 가장 낮다.[18] 탄소는 이보다 높은 온도에서 고체로 존재하지만, 대기압에서 승화하므로 녹는점이 없다. 텅스텐의 인장 강도는 모든 원소 중에서 가장 높으며,[18] 이는 5d 오비탈의 전자들이 텅스텐 원자들을 강하게 결합시키기 때문이다.[20] 소량의 텅스텐을 강철에 합금하면 인성이 크게 증가한다.[10] 텅스텐의 열팽창 계수는 모든 순수 금속 중 가장 낮다.[20]

텅스텐은 두 가지 주요 결정 형태, α형과 β형으로 존재한다. α형은 체심 입방 구조를 가지며 더 안정적이다. β상은 A15 입방 구조로 준안정적이지만, 상온에서 α상과 공존할 수 있다. α상은 전기 저항[21]이 β상의 1/3이고, 초전도 전이 온도 TC는 약 0.015 K로 β상의 1–4 K보다 낮다.[22][23] 두 상을 혼합하거나 다른 금속과 합금하여 TC 값을 높일 수 있다.[24] 텅스텐-Tc 합금의 경우 7.9 K이다. 이러한 텅스텐 합금은 저온 초전도 회로에 사용되기도 한다.[25][26][27]

텅스텐의 원자량은 183.84이며, 비중은 19.3으로 금(Au)과 비슷하다.[143]

3. 2. 화학적 특성

텅스텐은 화학적으로 비교적 안정적이며, 대부분의 산과 염기에 대한 내성이 강하다.[31][32] 고온에서 산소와 반응하여 삼산화텅스텐(WO₃)을 형성하지만, 상온에서는 산소나 공기와 반응하지 않는다. 그러나 상온에서 플루오린(F2)과 직접 반응하여 육불화텅스텐(WF6)을 형성하며, 특정 온도 조건에서 염소, 브로민, 요오드와 반응한다.[31][32] 미세하게 분쇄된 텅스텐은 발화성을 가진다.

텅스텐은 다양한 산화 상태(-2 ~ +6)를 가지며, 가장 일반적인 산화 상태는 +6이다.[32][33] 산소와 결합하여 노란색의 텅스텐산화물(WO3)을 형성하며, 이는 알칼리성 수용액에 녹아 텅스텐산 이온(WO42-)을 형성한다. 탄화텅스텐(W2C 및 WC)은 텅스텐 분말을 탄소와 함께 가열하여 생산되며, W2C는 화학적 부식에 강하지만 염소와 반응하여 육염화텅스텐(WCl6)을 형성한다.[10]

수용액에서 텅스텐산염은 중성 및 산성 조건에서 헤테로폴리산과 폴리옥소메탈레이트 음이온을 생성한다. 텅스텐산염을 산으로 점진적으로 처리하면, "파라텅스텐산 A" 음이온(W7O246-)을 거쳐 "파라텅스텐산 B" 음이온(H2W12O4210-)으로 전환된다.[34] 산을 더 첨가하면 메타텅스텐산 음이온(H2W12O406-)이 생성되며, 이는 케긴 음이온으로 알려진 대칭 클러스터를 이룬다. 인텅스텐산(H3PW12O40)과 같이 다른 원자를 포함하는 다양한 헤테로폴리산도 존재한다. 삼산화텅스텐은 나트륨 텅스텐 브론즈와 같은 알칼리 금속 삽입 화합물을 형성할 수 있다.

기체 상태에서 텅스텐은 이원자 분자(W2)를 형성하며, 이 분자는 텅스텐 원자 사이에 육중 결합을 가진다.[35][36]

텅스텐은 -II부터 VI까지의 산화 상태에서 다양한 염화물을 형성한다. 예를 들어 염화텅스텐(II)(W6Cl12), 염화텅스텐(III)(W6Cl18), 염화텅스텐(IV)(WCl4), 염화텅스텐(V)(WCl5), 염화텅스텐(VI)(WCl6) 등이 있다.[52] 유기텅스텐 화합물도 다양하며, 주목할 만한 예로는 삼각 프리즘형 육메틸텅스텐(W(CH3)6)과 팔면체형 헥사카르보닐텅스텐(W(CO)6)이 있다.

3. 3. 생물학적 특성

텅스텐은 일부 세균 및 고균[117]에서 생물학적 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 원자 번호 74번으로 생물학적 역할이 알려진 원소 중 가장 무겁다. 텅스텐을 사용하는 효소들은 주로 카르복시산을 알데하이드로 환원시키는 역할을 하며,[118] 산화 환원 효소들의 경우 산화 반응의 촉매로 사용되기도 한다. 일부 텅스텐을 필요로 하는 효소는 셀레늄도 함께 필요로 하는데, 이 텅스텐-셀레늄 조합은 일부 몰리브도프테린 효소의 몰리브데넘-황 조합과 유사하게 기능한다.[119]

토양 속에서 텅스텐 금속은 산화되어 텅스텐산염 음이온이 되며,[123] 이는 일부 원핵생물에 의해 선택적 또는 비선택적으로 수입되어 특정 효소에서 몰리브덴산염을 대체할 수 있다. 토양의 산성도에 따라 텅스텐의 중합 방식이 달라지는데, 알칼리성 토양은 단량체 텅스텐산염을, 산성 토양은 중합체 텅스텐산염을 생성한다.[124]

텅스텐산나트륨은 지렁이의 번식 능력을 억제하는 독성을 나타낸다.[125] 텅스텐은 생물학적 구리 대사 수용체 길항제로 연구되었으며, display=1/硫代鎢酸鹽중국어 염은 테트라티오몰리브데이트와 유사하게 생물학적 구리 킬레이트화 화학 물질로 사용될 수 있다.[126]

고세균에서 텅스텐을 선택적으로 수송하는 ''wtp'' 시스템이 알려져 있다.[129]

4. 동위 원소

자연에는 다섯 종류의 텅스텐 동위 원소가 존재하며, 모두 반감기가 매우 길어 안정한 원소로 분류된다.[28][29] 이론상으로는 안정한 텅스텐 동위 원소 5가지(182W, 183W, 184W, 186W,180W) 모두 알파 붕괴를 통해 하프늄으로 붕괴할 수 있지만 현재까지는 180W만이 약 1.8×1018년의 반감기를 거쳐 방사성 붕괴하는 것이 관찰되었으며,[30] 이는 평균적으로 1년에 1g의 텅스텐 중에서 180W 원자 2개만이 붕괴하는 것과 같다. 다른 안정 동위 원소들은 아직 붕괴하는 것이 관찰된 적은 없으며 모두 반감기가 4×1018 이상인 것으로 추정되나 실제로 붕괴하지 않을 수도 있다.

원자량 158에서 192 사이에 30개 이상의 인공 방사성 동위 원소와 11개의 준안정 동위 원소가 발견되었으며, 이들 중 가장 안정한 것은 반감기 121.2일의 181W이다.[30] 이 외에도 반감기가 75.1일인 185W, 반감기가 69.4일인 188W, 반감기가 21.6일인 178W, 그리고 반감기가 23.72시간인 187W이 있다.[30] 나머지 방사성 동위 원소는 모두 3시간 미만의 반감기를 가지며, 대부분은 8분 미만의 반감기를 가진다.[30] 가장 안정적인 준안정핵종은 179mW (''t''1/2 6.4분)이다.

5. 존재 및 생산

텅스텐은 주로 철망가니즈중석((Fe,Mn)WO₄)과 회중석(CaWO₄) 등의 광물에서 산출된다.[51] 2009년 기준, 중국이 전 세계 생산량의 약 83%에 해당하는 51,000톤을 생산하였으며,[151] 러시아, 캐나다, 볼리비아 등에서도 생산된다. 2017년 기준으로도 중국, 베트남, 러시아가 주요 텅스텐 공급국이었다.[66] 한국에는 최소 970만 톤에서 최대 3천만 톤의 텅스텐이 매장된 것으로 추정된다.[151] 강원도 영월군 상동광산은 단일 광구로는 한때 세계 최대의 광산이었으나 1990년대 값싼 중국산 텅스텐 유입으로 폐광되었다가[151] 2020년부터 상동광산 재개광을 추진중이다.[152] 2024년에는 활동을 재개할 예정이다.[62][63]

포르투갈산 텅스텐석 광물, 단위는 cm


르완다의 텅스텐 채굴은 국가 경제에서 중요한 부분을 차지한다.


1946년 텅스텐 정광 생산량


텅스텐은 여러 단계를 거쳐 광석에서 추출된다. 광석은 최종적으로 삼산화텅스텐(VI)(WO3)으로 전환되며, 이는 수소 또는 탄소와 함께 가열되어 분말 텅스텐을 생산한다.[64] 텅스텐의 높은 녹는점 때문에 텅스텐 괴를 주조하는 것은 상업적으로 실현 가능하지 않다. 대신, 분말 텅스텐을 소량의 분말 니켈이나 다른 금속과 혼합하여 소결한다. 소결 과정에서 니켈은 텅스텐에 확산되어 합금을 생성한다.

텅스텐은 육불화텅스텐(WF6)의 수소 환원에 의해서도 추출될 수 있다.

:WF6 + 3 H2 → W + 6 HF

또는 열분해에 의해서도 가능하다.[102]

:WF6 → W + 3 F2 (Δ''H''r = +)

텅스텐은 WF6의 수소 환원에 의해서도 추출될 수 있으며, 열분해에 의해서도 가능하다.[102] 텅스텐은 선물 계약으로 거래되지 않으며, 텅스텐 산업은 종종 계약의 기준으로 아르구스 미디어 또는 메탈 불레틴과 같은 독립적인 가격 참고 자료를 사용한다.[65]

제2차 세계 대전 당시 미국에 텅스텐 공급에 도움을 주기도 하였다. 이외에 포르투갈, 태국, 브라질, 페루, 르완다 등에서도 상당량 생산되었으며, 이 중 포르투갈은 제2차 세계대전 당시 중립국이면서도 연합국과 나치 독일 양측 모두에 텅스텐을 판매하여 이득을 보았다.

전 세계 텅스텐 매장량은 3,200,000톤이며, 대부분 중국(1,800,000톤), 캐나다(290,000톤),[54] 러시아(160,000톤), 베트남(95,000톤) 및 볼리비아에 분포되어 있다.

영국 다트무어의 가장자리에는 대규모 텅스텐 광석 매장지가 있으며, 제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 동안 헤머던 광산으로 채굴되었다. 텅스텐 가격 상승에 따라 2014년에 이 광산이 재개되었지만,[56] 2018년에 활동을 중단했다.[57]

EU 내에서는 오스트리아 펠베르탈 석회석 광상이 몇 안 되는 텅스텐 생산 광산 중 하나이다.[58] 포르투갈은 1910년부터 2020년까지 광물 농축물에서 121kt의 텅스텐 함유량으로 유럽 주요 텅스텐 생산국 중 하나이며, 세계 생산량의 약 3.3%를 차지한다.[59]

콩고 민주 공화국에서 관찰된 비윤리적인 채굴 관행으로 인해 텅스텐은 분쟁 광물로 간주된다.[60][61]

텅스텐산염으로 구성된 광물을 '''텅스텐산염 광물'''(tungstate mineral)이라고 총칭한다. 휘중석 (CaWO₄)(텅스텐산칼슘), 철중석 (FeWO₄)(텅스텐산철), 망간중석 (MnWO₄)(텅스텐산망간) 등이 있다. 철중석과 망간중석을 총칭하여 휘중석 ((Fe,Mn)WO₄)이라고 한다.

일본에서는 가가와현(香川県) 마루가메시(丸亀市)의 테시마(手島 (香川県)) 등에서 소규모 광상이 발견되었지만 모두 폐산되었다.

산업적으로나 군사적으로 중요성이 높은 금속이지만, 지구 지각(地殻)에서 농도가 낮은 원소이며, 산출지도 편재되어 있다. 일본에서도 대부분을 해외 수입에 의존하고 있는 상황이므로, 국제 정세의 급변에 대한 안보 대책으로 국내 소비량의 최소 60일분을 국가 비축(国家備蓄)하도록 규정되어 있다.

6. 용도



텅스텐의 약 절반은 — 주로 텅스텐 카바이드와 같은 — 경질 재료 생산에 사용되며, 나머지는 주로 합금 및 강철에 사용된다.[67] 10% 미만이 다른 화합물에 사용된다.[67] 텅스텐의 높은 연성-취성 천이 온도 때문에, 텅스텐 제품은 일반적으로 분말 야금법, 스파크 플라즈마 소결, 화학 기상 증착법, 열간 등압 가압, 및 열가소성 경로를 통해 제조된다. 보다 유연한 제조 대안은 선택적 레이저 용융법으로, 이는 3D 프린팅의 한 형태이며 복잡한 3차원 형상을 만드는 것을 허용한다.[68]

높은 융점과 우수한 내식성으로 인해 텅스텐은 핵융합 원자로의 플라즈마에 직면하는 내벽의 가장 노출된 부분에 사용될 주요 후보 물질이다. 플라즈마 대향 물질로서 텅스텐은 공동 증착 및 이온 주입을 통한 삼중수소 보유율이 매우 낮다는 특징이 있다. 이는 방사성 물질의 양을 최소화하여 안전성을 높이고, 더 많은 연료를 핵융합 반응에 사용할 수 있도록 하여 연료 효율을 향상시키며, 표면에서 자주 연료를 제거할 필요성을 줄여 운영의 지속성을 지원한다.[115] ITER 원자로의 다이버터의 플라즈마 대향 물질로 사용될 것이며,[116] 현재 JET 시험 원자로에서 사용되고 있다.

텅스텐의 높은 녹는점과 큰 전기 저항을 이용하여 전구의 필라멘트로 사용되어 왔으나, LED의 보급으로 인해 이 분야의 사용량은 감소하고 있다. 높은 녹는점을 이용한 다른 용도로는 전자 현미경이나 전자빔 노광 장치의 전자빔(전자빔) 발생 전극, TIG 용접의 비소모성 전극 재료 또는 플라즈마 아크 용접, 플라즈마 절단의 전극과 같이 고온에 노출되는 전극 재료에 사용되는 경우가 있다. 다른 용도로는 진공 증착에 의한 박막 형성 시 박막 재료가 되는 금속의 가열, 용융, 유지에 사용된다.

또한, 고온 강도가 강하고, 열팽창 계수가 금속 중에서 가장 작기 때문에 내열성이 요구되는 분야에서도 사용된다.[145] 철 텅스텐 합금이나 탄화텅스텐은 매우 경도가 높고 마찰열에도 잘 견디기 때문에 절삭 공구 등 공구 재료로 사용되는 경우가 있다.

또한, 비중이 크고 경도가 높은 것을 이용하여, 장갑을 관통하기 위한 포탄의 재료로도 사용된다. 특히 전차가 가진 단단하고 두꺼운 장갑을 관통하기 위한 철갑탄의 탄심에 사용된다. 이러한 철갑탄 재료로 그 후, 비중이 크고 어느 정도의 경도를 가진 빈화 우라늄 합금도 사용되기 시작하여 텅스텐과 경쟁하고 있다.

밀도가 높은 것을 활용하여 X선을 차폐하기 위한 재료로 사용되는 경우도 있다. 또한, 야생 동물에 대한 납 피해 방지의 관점에서, 사냥용 산탄총의 탄환이나 낚시 바늘의 추 등으로 사용되어 온 납의 대체품으로 주목받고 있다. 텅스텐은 납보다 가공이 어렵지만, 최근에는 텅스텐제 추나 루어의 판매도 증가하고 있다. 텅스텐은 납보다 비중이 크기 때문에, 같은 무게라면 형태는 납보다 작아진다. 그로 인해 비거리가 늘어나거나, 바위나 굴 껍질의 틈에 걸리기 어렵게 되거나, 물고기의 포식을 유발하기 쉽다는 장점이 있다. 하지만, 가격 면에서는 납제보다 고가이다.

6. 1. 고강도 재료

텅스텐 생산량의 약 60%는 탄화텅스텐(WC)을 기반으로 한 고강도 재료 생산에 사용된다.[10][69] 탄화물 중 가장 단단한 물질 중 하나인 탄화텅스텐은 다이아몬드와 비슷한 경도를 가지며, 녹는점은 약 2770 °C이다. 이러한 특성으로 인해 절삭 공구(칼, 드릴, 원형 톱, 금형(Die (manufacturing)), 밀링 머신, 선반(Lathe (metal))), 내마모성 연마재, 광산용 장비 등에 사용된다.[10] 탄화물 공구는 금속 코발트가 WC 입자를 고정하는 (매트릭스) 재료 역할을 하는 세라믹/금속 복합재료이다.[69]

보석 산업에서는 소결된 탄화텅스텐, 텅스텐 탄화물/금속 복합재료, 그리고 금속 텅스텐으로 반지를 만들기도 한다.[70] 탄화텅스텐의 경도 때문에 이 재료로 만든 반지는 내마모성이 뛰어나고 광택이 오래 유지되지만, 취성이 있어 날카로운 충격을 받으면 깨질 수 있다.[72]

텅스텐은 높은 녹는점과 큰 전기 저항을 가지지만, LED의 보급으로 인해 전구의 필라멘트로는 사용량이 감소하고 있다. 대신 높은 녹는점을 이용하여 전자 현미경이나 전자빔 노광 장치의 전자빔 발생 전극, TIG 용접의 비소모성 전극 재료, 플라즈마 아크 용접, 플라즈마 절단의 전극, 진공 증착에 사용되는 금속의 가열, 용융, 유지에 사용된다.

또한, 고온 강도가 강하고 열팽창 계수가 금속 중에서 가장 작아 내열성이 요구되는 분야에 사용되며,[145] 철 텅스텐 합금이나 탄화텅스텐은 경도가 높고 마찰열에 잘 견뎌 절삭 공구 등 공구 재료로 사용된다.

텅스텐은 비중이 크고 경도가 높아 포탄의 재료로도 사용된다. 특히 전차의 두꺼운 장갑을 관통하기 위한 철갑탄의 탄심에 사용되며, 고속철갑탄, APDS, APFSDS 등이 이에 해당한다. 텅스텐 합금제 탄심은 빈화 우라늄 합금보다 경도가 높지만 고가이며, 빈화 우라늄탄은 명중 시 방사성과 중금속 독성이 있는 분진으로 인한 오염 문제가 있다.

밀도가 높은 텅스텐은 X선 차폐 재료로 사용되기도 하며, 야생 동물에 대한 납 피해 방지를 위해 사냥용 산탄총의 탄환이나 낚시 바늘의 추 등에 사용되어 온 납의 대체품으로 사용이 늘고있다. 텅스텐은 납보다 비중이 커서 같은 무게일 때 크기가 작아 비거리가 늘어나거나, 바위틈에 걸리기 어렵고, 물고기의 포식을 유발하기 쉽다는 장점이 있지만, 가격이 비싸다.

6. 2. 합금

텅스텐은 단단하고 밀도가 높아 중금속 합금에 많이 이용되며, 특히 고속도강은 텅스텐 함량이 18% 정도이다.[73] 텅스텐의 높은 경도와 내열성은 고속도강과 같은 유용한 합금을 만드는 데 기여한다. 텅스텐 합금은 항공우주공학, 자동차 산업, 방사선 차폐 등 광범위한 응용 분야에 사용된다.[75] 하스텔로이(Hastelloy) 및 스텔라이트(Stellite)와 같은 텅스텐을 포함하는 초합금은 터빈 블레이드와 내마모성 부품 및 코팅에 사용된다.

텅스텐은 니켈, 철, 코발트 등과 합금되어 무거운 합금을 형성하며, 운동 에너지탄에 열화 우라늄을 대체하여 사용되기도 한다.[75] 방사능이 문제가 되는 경우 등 열화 우라늄탄을 사용할 수 없는 곳에 주로 사용하며, 이와 비슷하게 포탄의 탄피, 수류탄, 미사일 등에 사용된다. 독일은 제2차 세계 대전 중에 텅스텐 위기로 인해 텅스텐 부족을 겪었지만, 매우 효과적인 대전차포 설계용 포탄을 생산하는 데 텅스텐을 사용했다. 텅스텐은 또한 밀도가 높은 분말을 사용하여 고밀도 불활성 금속 폭약에도 사용되었다.[77]

텅스텐의 내열성은 은이나 구리와 같은 다른 높은 전도성 금속과 결합될 때 아크 용접 응용 분야에서 유용하다.[76] 은이나 구리는 필요한 전도성을 제공하고 텅스텐은 용접봉이 아크 용접 환경의 고온을 견딜 수 있도록 한다. 담금질된(마르텐사이트계) 텅스텐강은 높은 잔류자기 및 보자력으로 인해 강력한 영구 자석 제작에 사용되었다.

또한, 고온 강도가 강하고, 열팽창 계수가 금속 중에서 가장 작기 때문에 내열성이 요구되는 분야에서도 사용된다.[145] 철 텅스텐 합금이나 탄화텅스텐은 매우 경도가 높고 마찰열에도 잘 견디기 때문에 절삭 공구 등 공구 재료로 사용되는 경우가 있다.

또한, 비중이 크고 경도가 높은 것을 이용하여, 장갑을 관통하기 위한 포탄의 재료로도 사용된다. 특히 전차가 가진 단단하고 두꺼운 장갑을 관통하기 위한 철갑탄의 탄심에 사용된다. 이러한 철갑탄 재료로 그 후, 비중이 크고 어느 정도의 경도를 가진 빈화 우라늄 합금도 사용되기 시작하여 텅스텐과 경쟁하고 있다.

밀도가 높은 것을 활용하여 X선을 차폐하기 위한 재료로 사용되는 경우도 있다. 또한, 야생 동물에 대한 납 피해 방지의 관점에서, 사냥용 산탄총의 탄환이나 낚시 바늘의 추 등으로 사용되어 온 납의 대체품으로 주목받고 있다.

6. 3. 전자 및 전기

텅스텐은 녹는점이 매우 높고 고온에서도 잘 견뎌 전구, 음극선관, 진공관의 필라멘트, TIG 용접의 전극봉 등에 사용된다.[100][101] 텅스텐 필라멘트는 백열전구에 사용되며, 가열되어 빛을 낸다. 높은 녹는점으로 인해 텅스텐은 항공우주 및 고온 용도(전기, 난방, 용접 응용 분야 등)에 적합하며, 특히 가스 텅스텐 아크 용접(텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접이라고도 함) 공정에서 두드러진다.[101]

가스 텅스텐 아크 용접 토치에 사용되는 텅스텐 전극


텅스텐 필라멘트는 백열전구에 사용되며, 가열되어 빛을 냅니다


전도성과 상대적인 화학적 불활성으로 인해 전극에도 사용되며, 전계 방출형 전자총을 사용하는 전자빔 기기(예: 전자 현미경)의 방출기 끝단에도 사용된다.[102] 전자 현미경이나 전자빔 노광 장치의 전자빔(전자빔) 발생 전극, TIG 용접의 비소모성 전극 재료 또는 플라즈마 아크 용접, 플라즈마 절단의 전극과 같이 고온에 노출되는 전극 재료에 사용되는 경우가 있다.

전자공학에서 텅스텐은 집적 회로에서 이산화규소 유전체 재료와 트랜지스터 사이의 상호연결 재료로 사용된다. 기존 전자 장치에서 사용되는 배선을 실리콘 위에 텅스텐(또는 몰리브덴) 코팅으로 대체하는 금속 박막에도 사용된다.[102]

텅스텐의 전자 구조는 그것을 주요 X선 발생원 중 하나로 만들어 주며,[103][104] 고에너지 방사선으로부터 차폐하는 데에도 사용된다(예: FDG의 방사성 샘플을 차폐하는 방사성 의약품 산업).

6. 4. 화학

황화 텅스텐(IV)은 탈황 작용의 촉매로 이용된다.[78] 텅스텐 산화물은 세라믹 제조에 이용되며, 촉매의 물리적 강도를 높이거나 수명을 늘리는 데 사용되기도 한다.[80] 삼산화텅스텐(WO3)은 화력 발전소에서 생성되는 질소 산화물(NOx)을 암모니아(NH3)와 반응시켜 질소(N2)와 물(H2O)로 바꾸는 반응의 촉매로 사용된다.[80] 텅스텐 함유 촉매는 에폭시화,[81] 산화,[82] 및 수소화 분해 반응에 유망하다.[83] 텅스텐 헤테로폴리산은 다기능 촉매의 핵심 구성 요소이다.[84] 텅스텐산염은 광촉매로 사용될 수 있으며,[85] 이황화텅스텐(IV)는 전기촉매로 사용될 수 있다.[86]

6. 5. 기타 용도

텅스텐은 밀도가 금(0.36% 차이)과 비슷하여 금이나 백금 대용 보석에 사용되기도 한다.[14][93] 금속 텅스텐은 저자극성이며 금 합금보다 단단하고 긁힘에 강해 반지 등에 사용된다.[99] 또한 텅스텐은 금괴 위조에도 사용될 수 있는데, 예를 들어 텅스텐 막대에 금을 도금하거나,[94][95][96] 금괴에 구멍을 뚫고 텅스텐 막대로 대체하는 방법이 있다.[97][98]

고밀도 특성을 활용하여 추, 대응추, 요트용 밸러스트 용골, 상용 항공기의 테일 밸러스트, 헬리콥터 로터 중량, NASCAR 및 포뮬러 원 경주차의 밸러스트 등으로 사용된다.[87] 화성과학탐사선 우주선의 진입선 부분에는 75kg짜리 텅스텐 블록이 사용되었다.[87] 또한, 돌리(리벳팅용)로 사용하기에 이상적인 재료이며, 고품질 다트[88], 인공 파리에도 사용된다. 텅스텐은 SWD M11/9 기관단총의 발사 속도를 늦추는 무거운 볼트로도 사용되며,[87] 최근에는 3D 프린팅 노즐에도 사용되고 있다.[89] 일부 현악기 현에도 텅스텐이 사용된다.[90][91] 보이저 우주선의 우주선 방사선 검출 시스템에 있는 전자 망원경의 흡수체로 사용된다.[92] 납 낚시 추의 대안으로도 사용된다.[87]

X선 차폐 재료로도 사용되며, 야생 동물에 대한 납 피해 방지를 위해 사냥용 산탄총 탄환이나 낚시 바늘 추 등 납의 대체품으로 사용된다. 텅스텐은 납보다 비중이 커서 같은 무게일 때 부피가 작아 비거리가 늘어나거나, 걸림이 적고, 물고기의 포식을 유발하기 쉽다는 장점이 있지만, 가격이 비싸다.

텅스텐 나노선은 나노전자공학 분야에서 pH 탐침 및 가스 센서 등으로 활용될 가능성이 연구되고 있다.[112]

7. 주의사항

텅스텐은 자연에서 흔하게 존재하는 원소는 아니며, 대체로 화학적 활성이 적기 때문에 자연에 미치는 영향은 적다. 그러나 일부 수용성의 텅스텐 화합물은 중추 신경계에 영향을 미칠 수도 있으므로 주의해야 한다[153]. 텅스텐은 희귀 금속[130]이며, 그 화합물은 일반적으로 불활성이기 때문에 환경에 미치는 영향은 제한적이다.[131]

2000년대부터 ''시험관 내'' 및 ''생체 내'' 실험을 통해 텅스텐 합금, 텅스텐 분진 및 미립자가 동물과 인간에게 암과 기타 여러 부작용을 유발할 위험성이 강조되었다.[133][134]

반수치사량(LD50)은 동물과 투여 방법에 따라 크게 달라지며, 59 mg/kg(정맥 주사, 토끼)[135][136]에서 5000 mg/kg(텅스텐 금속 분말, 복강 내, 쥐)까지 다양하다.[137][138]

사람들은 작업장에서 흡입, 섭취, 피부 접촉, 눈 접촉을 통해 텅스텐에 노출될 수 있다. 미국 국립 직업 안전 보건 연구소(NIOSH)는 8시간 근무일 기준으로 5 mg/m3의 권고 노출 한계 (REL)와 10 mg/m3의 단기 노출 한계를 설정했다.[139]

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