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| 74W 텅스텐 Tungsten | |||
| 분류 | 전이 원소 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 183.84 | 밀도 | 19.25 g/cm3 |
| 녹는점 | 3422 °C | 끓는점 | 5930 °C |
| 용융열 | 35.3 kJ/mol | 증발열 | 774 kJ/mol |
| 원자가 | 6 | 이온화에너지 | 770, 1700 kJ/mol |
| 전기음성도 | 2.36 | 전자친화도 | 78.6 kJ/mol |
| 발견 | C. W. Scheele (1781) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-33-7 | ||
| 이전 원소 | 탄탈럼(Ta) | 다음 원소 | 레늄(Re) |
전구의 필라멘트.
1. 개요
주기율표 6족에 속하는 굳고 단단한 백색 또는 회백색의 금속원소이다. 텅스텐이라는 이름은 1755년 혹은 1751년[1] A. 크론슈테트가 이 원소로 이루어진 광석인 회중석(灰重石)을 'tungsten'이라고 명명한 데에서 기원한다. 여기서 'tungsten'은 스웨덴어로 '무거운 돌'이라는 뜻이며, 이를 한자로 옮겨 중석(重石)이라고도 한다.2. 상세
녹는점이 3,422℃나 되어서[2] 주로 텅스텐강, 고속도강 등의 합금강을 제조하는 데에 사용되며, 순수한 텅스텐은 백열전구나 진공관의 필라멘트, 용접용 전극, 전기 접점 등과 같은 전기 분야에서 사용된다. 또 고온에 견뎌야 하는 X레이 발생관의 타겟으로도 쓰인다.순수 텅스텐은 녹는점은 매우 높지만 금속을 잘라내는 용도의 실톱으로 다룰 수 있을 만큼 무른 편이다.[3] 하지만 다른 금속이나 탄소와 합금이 되면 무척 단단하고 가공하기가 어려운 재료가 된다.
한편 이 원소의 광석이 주석 광석에 섞이면 다량의 주석이 슬래그화(化)되어 사용할 수 없게 된다. 그래서 역사가 오래된 주석광산 주변의 폐석을 뒤지다보면 텅스텐 광석이 나오는 경우가 많다. 이런 현상 때문에 이 광석을 탐욕스러운 늑대(Wolf)에 빗대어 'Wolframite'라 불렀고, 거기서 유래하여 구성원소인 텅스텐을 'Wolfram(볼프람)'이라고 부르기도 한다. 원소기호 W는 Wolfram에서 나온 것으로 중국어에서 텅스텐을 의미하는 글자 역시 이쪽을 따라 鎢(Wu)라고 부른다.
탄화텅스텐(텅스텐 카바이드)은 대단히 단단하다. 다만 너무 단단해서 절삭가공 등이 곤란하기에 분말 형태로 나오는 것을 녹은 코발트 등과 섞어 소결시켜 완제품을 제조한다. 이를 초경합금(Widia)이라고 하는데 모스 경도 9에 이르는 강옥에 필적하는 경도가 나오지만[4] 연성이 거의 없고 취성이 강해 깨지기 쉬우므로 강철을 대체하기는 어렵고 기계 공구, 험지용 바퀴 스파이크, 소구경 철갑탄의 탄자, 아웃도어용 나이프에 쓰이는 샤프너, 볼펜촉 등에 사용된다. 특히 채굴용 드릴의 재료로서 광업에서는 없어선 안될 합금이기도 하다. 일상 생활에서 부식되거나 긁힐 일이 거의 없기 때문에 변하지 않는다는 상징성을 살려서 드물게 결혼 반지의 재료로 쓰기도 한다.[5]
3. 용도
텅스텐 합금강은 초경합금으로 공구강 등 산업적으로 널리 쓰이는데 특히 열이 많이 나는 드릴 날이나 밀링 날, 고속 절삭용 회전톱날 등에 쓰인다. 기계공업 현장에서는 회전톱날을 '당가루 톱날' 이라고 부르는데 당가루는 Tungsten alloy를 줄인 tungalloy의 일본식 발음. 또 탕가로이 (タンガロイ tungaloy) 라는 세계적인 일본의 초경합금 공구전문 제조업체의 이름이기도 하다. 워렌 버핏 투자회사이고 일본TV의 창X방패 최강드릴과 최강금속 대결에 나온 드릴 회사. ##탄화텅스텐 자체는 아니라도, 현대의 고경도 특수강들 중에는 탄화텅스텐 입자가 일정 비율 포함된 것들도 있다. 내마모성만 놓고 보면 바나듐이 가성비가 좀 더 좋지만, 텅스텐은 거기에 내열성도 어마어마하기 때문에 특히 고온에서도 물성을 최대한 잃지 않아야 하는 강재에 많이 쓰인다. 이를 고속도강(High Speed Steel)이라 한다. 현대의 도검용 강재에도 꽤 쓰이는 편이지만, 바나듐보다는 살짝 선호도가 낮다.
또한 무기, 특히 탄약의 재료로도 널리 쓰인다. 텅스텐 90% 이상에 니켈과 철이 포함된 텅스텐 중합금은 높은 비중과 강성을 갖기 때문에, 장갑차량의 두터운 장갑이나 강화진지의 외벽 등을 관통하기 위한 철갑탄, 즉 운동 에너지탄의 관통자(penetrator) 전체 혹은 탄두의 피모를 이루는 재질로 활용된다. 전차나 장갑차 주포에서 쏘는 날개안정분리철갑탄(APFSDS), 벙커버스터와 같은 벙커 파괴용 관통폭탄 등이 대표적인 사용예이다. 또한 예로부터 경심철갑탄의 주재료이기도 하여서 2차 대전 때부터 전차를 잡는 용도로 많이 쓰였다.
소총탄 급에서도 텅스텐 탄심을 쓰는 탄이 있기는 하지만(M995, M993 등) 가격과 생산량 문제로 소총용 철갑탄은 강철 탄심을 쓰는 경우가 더 많다.
하지만 방탄복에 삽입하는 방탄 플레이트나 방탄모 용도로는 굉장히 비효율적이다. 상술한 것처럼 연성이 거의 없고 취성이 강한 이유로 동일 두께의 탄소강이나 티타늄보다도 방탄 능력이 훨씬 떨어지는데 엄청나게 무겁기 때문. 8mm 두께의 텅스텐 카바이드 플레이트의 경우 9×19mm 파라벨럼탄이나 .45 ACP탄까지 겨우 겨우 막는 수준이고 10 mm AUTO탄이나 .357 매그넘, 44 매그넘탄부터는 여지없이 크래커 과자처럼 깨진다. 개인보호장구로 쓸 수 있는 방탄 플레이트로써 최고 두께라고 할 수 있는 1인치 두께의 방탄 플레이트로 텅스텐을 사용해야 효과를 볼 수 있겠지만 그만한 두께의 텅스텐 판을 짊어지고 다니는 병사들은 뛰지도 못할 것이며 가격을 생각하면 일반 세라믹 방탄 플레이트가 훨씬 낫다.
같은 이유로 낚시용 봉돌로도 쓴다.
이와 같은 용도로, 텅스텐 중합금보다 싸고 물리적 특성이 우월한 열화우라늄도 있으나 이런저런 문제가 많다. 자세한 내용은 항목 참조. 텅스텐 탄자는 목표에 맞으면 열로 인해 끝이 버섯처럼 뭉툭해져 관통력이 떨어지지만
이로 인해 산업, 군사 활용도가 아주 높아 손꼽히는 전략 광물이기도 하다. 실제 2차대전 당시 유럽내 주요 텅스텐의 산지였던 포르투갈[6]과 스페인은 연합국과 추축국 양쪽에게 텅스텐을 공급하고 이득을 취했으며, 영국 같은 경우에는 아예 포르투갈산 텅스텐을 먼저 선점, 싸그리 수입하여 독일이 수입할 몫이 없도록 만들어버리기도 했다. 현재도 중요한 전략물자인건 매한가지인지라 다수의 국가들이 전략예비로서 적어도 60일에서 180일분의 국내소비량을 확보해두는 광물이기도 하다.
비중이 금과 거의 똑같기 때문에 가짜 금괴의 재료로 악용되기도 하며 주산지는 중국이다.
방사선 특히 감마선과 중성자를 잘 차단하므로 방사선 차폐재로 쓰인다. 납도 우수한 차폐재 이지만 전기적으로 중성인 중성자에 대해서는 그리 효율적이지 않으므로 더 비중이 높은 텅스텐이 더 효과적이다. 고에너지 감마선의 경우에도 효과적인데 코발트 60에서 나오는 강력한 고에너지 감마선도 7.9 밀리미터 두께당 절반으로 감소시킨다. 이는 납의 12 밀리미터 보다 효과적이다.
중성자 반사재로도 매우 우수해 중성자 피폭으로 부터 보호하거나 중성자 탈출을 막아서 핵분열의 실효 임계질량을 줄여줄 수 있다.
4. 한반도와 텅스텐
한반도에 많이 매장되어 있는 정말 몇 안 되는 광물 중 하나.[7] 하술하겠지만 한때는 대한민국 수출액의 무려 60%를 차지한 적이 있는 전설의 광물이다.한국의 텅스텐 산출 역시 일제강점기와 떼어놓을 수 없다. 한반도에서 텅스텐이 채굴된 때는 1900년대 초이며, 철망간중석과 회중석 둘 다 풍부했다. 제1차 세계 대전을 겪으며 텅스텐 수요량이 급증하자, 일본은 한반도에 780개소에 달하는 광산을 세워 텅스텐을 채굴했었다. 이후 1920년대엔 상황이 반전되어, 산출량이 0을 향해 곤두박칠치는데 전쟁이 끝나 수요도 없거니와 중국대륙에서 텅스텐이 대량으로 채굴되어 굳이 가격 경쟁력이 떨어지는 한반도에서 채굴할 가치가 없었고, 일본 역시 중국산 텅스텐을 사용하고 있었다. 그래서 일제는 한반도에서 텅스텐 채굴을 중지하는듯 했으나, 중일전쟁의 발발로 인하여 일본은 중국에서 텅스텐을 수입해올 수 없자 한반도로 눈을 돌려 다시금 텅스텐을 채굴하기 시작하였으며 1943년엔 7,000톤에 달하는 텅스텐을 확보할 수 있었다. 1916년 4월 노두(露頭)가 발견된 뒤 1923년 일본인에 의해 개광된 강원도 영월군 상동광산에선 일본 전체의 점유율을 놓고 보면 1943년엔 19%, 44년엔 31%, 45년 패전까지 71%에 달하는 점유율을 자랑했다. 그러다보니 전시에 조선인들이 텅스텐 광산에도 강제동원되었음은 두말할 필요도 없었다. 일례로 부산의 닛코(日光) 광산 같은 경우가 그렇다. #
한반도 내에서 제일 유명한 텅스텐 광산은 위에서 언급한 영월 상동광산이 바로 그 곳으로[8] 단일 광산으로는 세계최대 규모이며, 남은 매장량도 1,400만 톤 정도라 앞으로 60년 이상 캘 수 있는 규모이며 광석 품질도 매우 높아 텅스텐 0.48% 로 평균 0.19% 인 중국 등 세계 광산에 비해 2.5배나 되는 고품질이다. 텅스텐 광석 외에도 비스무트와 몰리브덴 광석도 부산물로 산출된다. 1917년에 발견되어 그 동안 계속 파내고 있다가 1950~60년대에는 70%로 정제된 텅스텐 정광으로 연간 4천톤 가량 생산해 세계 생산량의 약 17％를 차지하고 몰리브덴/비스무트도 연간 1000톤 씩 생산했지만, 중국산 텅스텐 때문에 텅스텐 가격이 떨어지면서 채산성이 맞지 않아 1992년 문을 닫았다.[9] 이 때문에 한때 2만 명이 넘는 이가 거주했던 상동읍은 현재는 인구가 1천 명 수준으로 격감해 한국에서 인구가 가장 적은 읍이 되었다.
1950년대 당시엔 거의 유일한 한국의 외화 획득 수단이어서 한국 수출액의 60%를 혼자 감당한 적도 있다. 이를 둘러싼 중석불사건이라는 사건도 있었다. 1952년 이승만 정부가 중석 수출로 벌어들인 달러 외화를 일부 민간업자들에게 특혜로 내주어서 비료와 밀가루 등을 수입하는데 외화를 쓸 수 있게 했는데, 환률차 등으로 최소 10배의 엄청난 폭리를 안긴 비리 사건이다.
원래 1952년 국영기업 '대한중석'[10]으로 설립되어 상동광산과 달성광산을 운영하다가 1994년 문민정부의 국영기업 민영화 정책[11]에 의해 부동산과 건설업으로 재벌그룹이 된 거평그룹에 매각되었다. 당시 대한중석은 상기한 대로 알짜기업이었는데 특히 명동의 금싸라기 땅과 1백만주의 포항제철 주식, 500만 평의 상동광산과 15만 평의 대구 공장부지를 가지고 있어 거평그룹이 회장의 동향출신 대한중석 임원을 지냈던 염동석을 영입하고 입찰가를 예상보다 100억원 더 쓰는 등 인수에 노력을 기해 인수에 성공했지만 1997년 외환 위기 이후 1998년 거평그룹의 부도로 결국 현재는 워렌 버핏이 소유하고 있는 이스라엘계 IMC그룹에 전량 인수되어 대구텍으로 개명되어 운영하고 있다. 한편 광업권은 대구텍에 가지 않고, 캐나다 회사에 재부여한 상태이나, # 기한이 있어서 개발하지 못한 채로 기한이 지나면 정부에 회수될 예정이다. 여담으로 대한중석 시절에는 산하에 실업축구팀을 운영한 적이 있는데, 이 팀이 업무시간 외에만 축구를 하라는 회사 측의 결정에 선수들이 반발하는 바람에 해체된 후 역시 대한중석에서 포항제철로 옮겨간 박태준 회장이 해체된 대한중석 축구단에 소속됐던 선수들을 받아들여 포항제철 축구단을 창단했고, 이 팀이 오늘날 K리그를 대표하는 명문구단 중 하나인 포항 스틸러스의 모태가 된다.
폐광된 상동광산에는 그렇게 채광했는데도 5,800만 톤의 텅스텐이 매장되어 있고 텅스텐 가격의 상승과 전략광물로 주목을 받으면서 2020년 들어 재개발 작업에 들어갔다. # 텅스텐 광산에서는 몰리브덴이나 레늄 등 다른 산업적으로 중요한 금속이 같이 산출되는 경우가 많다. 매년 정광으로 2,500 톤 정도 생산해 세계 생산량의 10% 정도를 차지할 예상이다. 인허가 절차가 순조롭다면 2023년[12] 하반기부터 채굴이 개시될 것이라고. # 채굴이 개시된다면 주요 전략광물의 대중국 의존도를 줄이는데 한몫할 것이라는 기대가 높다.
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상동광산 재개발 이후 현재 알몬티대한중석은 선광공장 및 주운반갱도 건설을 진행 중이다. 본격적인 생산이 시작되고 안정화가 되면 사업 개발 2단계에 들어서 총생산량의 55%는 오직 한국에만 공급할 계획이라고 밝혔다. 또한 영월군과 협의하에 영월군 내에 산화텅스텐 제련공장을 세워 더이상 미국으로 수출 후 재수입하는 번거로운 과정을 거치지 않아도 된다. 연간 6~7천 톤가량의 텅스텐을 수입하는 한국으로서는 희소식이다.
상동광산이 폐광되면서 국내의 텅스텐 관련 생산 생태계는 초경합금 공장을 제외하고는 거의 무너져버렸다. 광업권 인수당시부터 알몬티대한중석의 사업목표는 국내에 모든 텅스텐 제련 정련 시설을 다시 마련하겠다는 계획이었다. 따라서 상동광산 내에 건설하는 선광장에서 정광이 생산되면 그 생산물을 다시 처리하는 텅스텐 옥사이드(산화 텅스텐) 제련 공장을 영월에 건설할 계획이다. 물론 이런 일련의 계획은 순차적으로 이뤄지는 데, 최근 언론에 보도된 알몬티대한중석의 계획으로는 내년 하반기에 텅스텐의 정광이 생산되기 시작하고, 영월에 들어설 산화 텅스텐 제련 시설은 2027년까지 건립을 마칠 계획이라고 밝혔다. 이를 위한 부지 선정과 건설에 영월군이 전폭적인 지원을 하기로 했고, 독일 국책은행 KfW-IPEX의 5천만 달러 추가 투자 의향서도 작년 9월에 공시되었다. 따라서 2027년이 되면 중국 의존도가 90%가 넘는 국내 반도체 공장이나 2차 전지 제조 회사의 텅스텐 관련 제품은 거의 다 상동광산이 안정적으로 대체 공급하게 되며 이것이 알몬티대한중석의 사업계획이다.
한편 알몬티대한중석은 2015년 알몬티 인더스트리즈가 인수 후 독일 국영은행 KfW-IPEX의 PF 대출을 받아 설립된 대한민국의 외국계 투자 중소기업이며, 기술력과 자본력으로 뒷받침되어 최근 텅스텐 가격 변동에도 흔들리지 않는 안정적인 모습을 보이고 있다.
5. 기타
1994년 9월, 프랑스 군인이 대포로 와인을 마셨다가 급성 텅스텐 중독에 걸렸다. 인류 역사상 최초의 텅스텐 중독 사례라고 한다. 일종의 신병 신고식 형태로, 포탄을 쏜 화포 포신에 와인을 붓고 포신을 따라 흘러내린 술을 마신 것인데, 이 술에 텅스텐이 섞인 것이다. 그는 병원에서 투석을 무려 22일간 받아야 했다. 이 사고 이후 프랑스군에서 이러한 악습이 금지되었다고 한다. 몇몇 세균들은 텅스텐 효소를 사용한다고 한다.김용의 사조영웅전에 보면 강남칠괴의 넷째 남희인의 무기에 이 텅스텐이 섞였다는 얘기가 나온다. 한자로 오사(烏沙)로 표기.
이론적으로는 텅스텐의 동위원소는 모두 방사성이며 알파 붕괴를 할 것으로 예측되고 있으나, 텅스텐-180에서만 알파 붕괴가 관측되었다. 아직 방사성 붕괴가 관측되지 않은 나머지 4개의 동위원소는 예측된 반감기가 수십 해(1021)년 정도로 엄청나게 길다[13].
텅스텐의 무게를 실감할 수 있는 영상.
[1] 두산백과는 1755년으로 되어 있고, 영어 위키백과에선 1751년으로 되어 있다. 1755년 A. F. Cronstedt의 논문에서는 텅스텐 혹은 유사어가 존재하지 않는다.[2] 금속 원소 중에서 가장 높은 것이다. 현재까지 밝혀진 가장 녹는점이 높은 원소는 탄소. 대신 끓는점은 텅스텐이 더 높다.[3] 애초에 홑원소 상태의 금속 원소들은 대체로 주기율표의 아래로 갈수록 물러지는 경향이 있다. 원자의 크기가 커져서 구조가 약해지기 때문이다.[4] '창X방패'에서 내로라 하는 드릴 회사들이 이걸 뚫어보려 했다가 고배를 마신 바 있다. 7번째에 들어서야 뚫어내는 데에 성공했다.[5] 사고 등으로 손가락이 부어오르면 빼지 못해서 위험할 수도 있다. 이럴 때는 렌치 등으로 양 옆을 눌러 전단 응력을 가해서 깨뜨리는 것 외에는 방법이 없다.[6] 파나스케이라(Panasqueira) 광산[7] 사실 일반인들의 인식과는 다르게 대한민국/한반도에 매장된 광물 자원은 생각외로 풍부하다. 우라늄도 있고, 금도 있고, 은도 있고, 희토류 계열도 있으며, 심지어는 해저에서 채굴하는 것이지만 일단 석유도 있다. 다만 종류만 풍부하고 매장량이 저조하거나 품질이 낮은 게 문제. 이를 풍자하여 종종 나오는 표현이 "한반도는 지하자원의 지질학적 박물관이다" 인데, 말 그대로 딱 온갖 광물자원의 표본만 갖추고 있는 박물관 같다는 뜻이다. 자세한 것은 대한민국/자원 문서를 참조. 이런 한반도에서 텅스텐처럼 매장량도 많고 품질까지 좋은 광물은 정말 흔치 않다. 기껏해야 석회석이나 흑연 정도이고, 단가가 높은 귀금속의 대표격인 금이나 은 역시 세계적 경쟁력을 따질 수준까지는 아니라도 상업적인 채굴은 가능했었으나 이쪽은 채굴의 역사 역시 긴 탓에 충분한 잔여 매장량을 기대하기 어렵지 않으냐는 관측이 많다. 종합해서 보면 일정 수준 이상의 부가가치나 전략적 가치가 있는 광물자원으로써 손꼽을만한 것은 텅스텐 정도 뿐이라 할 수 있다.[8] 일제강점기 텅스텐 총생산량의 약 80%를 차지한 황해도 곡산군의 백년광산(百年鑛山)도 있지만, 휴전선 너머에 갇혀버렸으며 1958년 만년광산(...)으로 개칭한 북한 치하에서의 생산량 또한 격감하였다.[9] 조석 작가의 웹툰 마음의소리의 등장인물 조철왕의 모티브가 된 작가의 아버지 조철왕이 일하던 곳이다.[10] 5.16 쿠데타 이후 한동안은 군 출신인 박태준이 사장으로 경영하였다.[11] 이때 대한중석, 한국비료 등 수십여개의 국영기업, 공기업을 국내외 사기업에 매각하였다. 경제규모가 커지면서 금융과 철도, 전력, 통신 등의 사회인프라를 제외하면 정부가 직접 운영할 필요가 없어졌기 때문이다.[12] 개광 100주년이 되는 해다.[13] 이는 현 우주의 나이(약 138억년)보다도 훨씬 긴 수치이다