텅스텐(Tungsten) > 기술정보

원자번호 74번인 텅스텐(tungsten, W)의 원소 이름은 스웨덴어로 ‘무거운(tung) 돌(sten)’이라는 뜻으로, 우리나라에서도 이 뜻의 한자어인 중석(重石)이라고 불렀다. 텅스텐의 다른 이름은 볼프람(wolfram)인데, 원소 기호 W는 이에서 나온 것이다. 텅스텐은 무겁고 단단하며, 금속 원소 중에서 녹는점이 가장 높고 증기압은 가장 낮다. 이 때문에 백열등 필라멘트와 각종 전기·전자 부품 재료로 사용되어 왔으며, 합금과 탄화물은 절삭공구, 무기 등에 널리 사용된다. 우리나라에도 많이 매장되어 있는데, 강원도의 상동광산은 단일규모 광산으로는 세계 최대의 매장량을 가진 것으로 여겨진다. 1950~70년대에는 텅스텐이 우리나라 전체 수출의 70% 이상을 차지하였고, 상동광산에서 생산된 텅스텐이 전세계 생산량의 약 15%를 차지하기도 하였다. 그러나 국제경쟁력을 이기지 못해 상동광산은 1994년에 폐쇄되었는데, 지난해에 미국의 워런 버핏(Warren Buffett)이 이에 거금을 투자하기로 해서 다시 큰 기대를 모으고 있다. 텅스텐의 발견, 물리 및 화학적 성질, 그리고 용도 등에 대해 알아보기로 하자.

텅스텐(tungsten)¹⁾은 볼프람(wolfram)으로도 불리며, 원자번호 74번의 원소로 원소기호는 W이다. 주기율표에서는 크로뮴(Cr), 몰리브데넘(Mo)과 함께 6족(6B족)에 속하는 6주기 전이금속이다. 굳고 단단한 회백색 내지 백색 금속으로, 아주 순수한 것은 연성과 전성이 있고 강철 톱으로 자를 수 있으며 가공할 수 있다. 불순물이 들어가면 더욱 단단해지나 부서지기 쉽게 된다. 녹는점은 3422^oC로 금속 원소 중에서는 가장 높으며, 끓는점은 5550^oC이다. 밀도는 20^oC에서 19.25g/cm³로 납(Pb)의 거의 2배이고 금과 거의 같다. α와 β의 두 가지 결정형으로 존재하는데, α형이 보다 안정하며 β형은 준안정하고 자연 발화할 수 있다. 텅스텐은 반응성이 작은 금속으로, 실온에서는 산소, 산, 알칼리와 잘 반응하지 않는다. 그러나, 400^oC이상에서는 공기 중에서 산화되며, 고온에서는 다른 여러 비금속 원소들과도 반응한다. 질산과 왕수에는 녹으며, 가열하면 묽은 황산이나 염산에도 녹는다. 화합물에서 가장 흔한 산화 상태는 +6이나, -2에서 +5까지 다양한 산화 상태의 화합물들도 알려져 있다.

텅스텐은 지각에서의 존재비가 약 1ppm(0.0001%)으로, 존재량 순서가 대략 58번째인 비교적 희귀한 원소이다. 흙에 1~2.5ppm 농도로 들어있고. 바닷물 1L에는 대략 0.09mg이 포함되어 있다. 텅스텐 광석으로는 회중석(scheelite, CaWO₄), 철망가니즈중석(wolframite, (Fe,Mn)WO₄), 철중석(ferberite, FeWO₄), 망가니즈중석(hubnerite, MnWO₄) 등이 있다. 전세계 광석 매장량은 텅스텐으로 환산해서 약 310만 톤으로 추정되는데, 이중 약 60%가 중국에 있다. 2011년 전세계(미국 제외) 생산량은 72,000톤이며, 중국이 이의 약 83%를 생산하였다.

텅스텐은 50%이상이 탄화텅스텐(WC)로 전환되어 절삭 공구를 비롯한 금속 가공용 공구, 건설 장비, 천연 가스 시추 장비, 장신구 등에 사용되는 경질물질(hard material)의 제조에 쓰인다. 나머지는 고강도 합금 생산에 주로 사용되는데, 대표적인 것이 금속재료를 빠른 속도로 절삭하는 공구를 만드는데 주로 사용되는 고속도강(high speed steel)으로 이에는 텅스텐이 18%까지 포함되어 있다. 텅스텐과 텅스텐 합금은 전극, 필라멘트, 전선, 기타 여러 전기·전자 재료, 우주선 부품 재료, 착암기 드릴, 장신구 등에 사용된다, 또 총, 대포, 장갑판 재료로 쓰이고, 침투기와 유산탄(shrapnel) 성분으로 사용되기도 하며, 이외에 밀도가 큰 물질이 필요한 여러 곳에 쓰이기도 한다. 그리고 텅스텐 화합물은 도자기 유약, 형광체, 화학 촉매 등으로 사용된다.

1600년대에 중국에서 제작된 도자기에는 독특한 복숭아 색을 내기 위해 텅스텐을 포함하는 안료를 사용한 것이 있다. 그러나 그 때 도공들이 텅스텐 안료의 실체에 대해 알고 있었던 것 같지는 않다. 서양에서는 1700년대 중반부터 텅스텐을 포함하는 광석에 대한 연구가 시작되었다. 1761년에 독일 광물학자이자 지질학자인 레만(Johann Gottlob Lehmann, 1719~1767)이 철망가니즈중석(wolframite)을 분석하여 두 가지 새로운 물질을 얻었는데, 그는 이 물질들이 그때까지 알려지지 않았던 두 가지 원소인 망가니즈와 텅스텐으로 이루어진 화합물들임을 인지하지는 못하였다. 1779년에는 아일랜드 화학자 울프(Peter Woulfe, 1727~1803)가 독일과 스웨덴에서 발견된 ‘무거운 돌’이란 뜻으로 불린 광석 ‘텅스텐(tungsten)’을 분석하고 여기에 새로운 원소가 들어있을 것이라고 주장하였으나, 구체적으로 새로운 원소나 이의 화합물을 분리하여 보여주지는 못했다.

2년 뒤인 1781년에 스웨덴의 약사이자 유명한 화학자인 셀레(Wilhelm Scheele, 1742~1786)는 울프가 조사한 ‘무거운 돌’에서 흰색의 산성 산화물(텅스텐산, WO₃의 수화물)을 실제로 분리해 보였다. 그는 이것이 새로운 금속 원소의 산화물이며, 이를 환원시키면 새로운 금속 원소가 얻어질 것이라고 제안하였다. 그러나 자신이 이를 실제로 환원시켜 새로운 원소를 분리해 보이지는 않았다. ‘무거운 돌’은 셀레를 기리기 위해 scheelite로 부르게 되었는데, 우리말로는 회중석(灰重石)이라 부른다. 텅스텐 금속의 분리는 1783년에 스페인의 엘야아르 형제(Juan Jose Elhyuyar와 Fausto Elhuyar)에 의해 이루어졌는데, 그들은 철망가니즈중석에서 산성 산화물을 얻고 이것이 셀레가 회중석에서 얻은 텅스텐산과 동일한 것임을 밝혔으며, 이 텅스텐산을 탄소로 환원시켜 처음으로 금속 텅스텐을 분리하였다.

텅스텐이 처음 발견된 광석인 회중석(scheelite)을 스웨덴어로 ‘무거운(tung)’ ‘돌(sten)’이라 부렀는데, 원소 이름 텅스텐(tungsten)은 이의 복합어로 지어졌으며, 우리말로도 중석(重石)이라 불리었다. 텅스텐이 발견되기 전, 독일 광부들은 어떤 광석이 주석 광석에 섞이면 많은 양의 주석이 슬래그화되어 쓸모없게 되는 것을 발견하고는, 이 광석을 탐욕스러운 늑대(Wolf)를 빗대어 ‘늑대의 흙”이란 뜻의 ‘Wolfram’ 또는 ‘Wolframite’로 불렀는데 이 광석이 바로 철망가니즈광석이다. 이런 연유로 볼프람(wolfram)이 이 광석의 구성 원소를 가리키는 이름이 되었으며, 텅스텐의 원소 기호 W는 이에서 나왔다. 이 원소를 미국, 영국, 프랑스는 텅스텐이라 부른 반면, 독일, 스페인, 이탈리아 등은 볼프람이라고 불러왔는데, 1950년에 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 텅스텐을 공식명으로 채택하였으나 볼프람도 인정하였으며, 일부에서는 볼프람이란 이름을 여전히 사용하고 있다.

텅스텐의 용도는 1864년에 영국인 무세트(Robert Forester Mushet, 1811~1891)에 의해 처음 발견되었는데, 그는 강철에 약 5%의 비율로 텅스텐을 첨가하면 철이 더욱 단단하고 강해지며, 높은 온도에서도 변형되지 않는다는 것을 알아내었다. 텅스텐이 들어간 강철(무세트강 또는 텅스텐강)은 처음에는 공구 제작에 사용되다가, 곧 총과 대포를 만드는데도 사용되었다. 백열등의 텅스텐 필라멘트는 1903년에 개발되기 시작해서 1908년부터 사용되어 왔다.

우리나라의 대표적 텅스텐 광산인 상동광산에 회중석과 철망가니즈중석이 매장되어 있다는 사실은 1916년과 1917년에 각각 발견되었고, 1923년에 일본인에 의해 채광되기 시작하였다. 광복 후인1952년에는 국영기업으로 대한중석광업㈜가 설립되어 활발한 채광이 이루어졌으며, 뒤이어 제련과 금속 가공 공장들이 준공되어 텅스텐이 한때는 우리나라 전체 수출의 약 70%를 차지하였고, 우리나라가 세계 전체 텅스텐 생산의 15%를 점유하기도 하였다. 그러나 1980년대에 중국이 텅스텐을 생산·수출하기 시작함에 따라 국내 텅스텐 산업은 국제 경제력을 이기지 못해 상동광산은 1994년에 폐쇄되었다. 그런데, 최근에 개발 도상국에서 텅스텐 수요가 급격히 늘어나고 중국이 텅스텐 수출 쿼터를 설정함에 따라 텅스텐의 국제 시세가 급등하게 되자 상동광산이 다시 관심을 끌게 되었다. 더욱이, 2012년에 미국의 워런 버핏이 이에 거금을 투자하기로 하여, 우리나라에서 다시금 텅스텐이 생산되고 관련 산업이 번성하리라 기대되고 있다.

텅스텐은 굳고 단단한 회백색 내지 백색 금속으로, 분말은 회색이다. 아주 순수한 것은 대부분의 강철보다도 단단하나, 연성과 전성이 있고 강철 톱으로 자를 수 있으며 가는 선으로 뽑을 수도 있고 여러 모양으로 가공할 수 있다. 불순물이 첨가되면 더욱 단단해지나 부서지기 쉽게 된다. 녹는점은 3422^oC로 금속 원소 중에서는 가장 높으며, 모든 원소 중에서는 탄소다음으로 높다. 1300^oC이상의 온도에서는 인장강도(tensile strength, 막대모양의 재료가 견디는 최대의 하중으로, 단위는 압력(힘/단면적)의 단위로 표현되나 kg/mm²으로 나타내기도 함)가 가장 큰 금속이다. 또 모든 원소 중에서 증발열(806.7kJ/mol)이 가장 크고 증기압이 가장 낮으며, 끓는점(5560^oC)은 레늄(Re)다음으로 높다. 밀도는 20^oC에서 19.25g/cm³로 납(Pb)의 약 2배이며, 금(Au, 19.30g/cm³)이나 우라늄(U, 19.1g/cm³)과 거의 같다. 결정은 α와 β형의 두 가지가 있는데, α형은 체심입방(bcc) 구조를 하고 보다 안정하며, β형은 A15입방 구조를 하는 준안정한 상태로 자연 발화할 수 있다. 실온에서 α형과 β형이 공존할 수 있다. 텅스텐은 전기를 잘 통하는데, α형이 β형보다 전기 전도도가 약 3배 크다. 아주 낮은 온도에서 초전도체가 되는데, 임계온도는 α형이 0.015K이고 β형은 1~4K이다. 다른 금속과 합금을 만들어 임계온도를 높일 수 있다.

동위원소
텅스텐은 천연상태에서 ¹⁸⁰W(0.12 %), ¹⁸²W(26.50 %), ¹⁸³W(14.31 %), ¹⁸⁴W(30.64 %), ¹⁸⁶W(28.43 %)의 5가지 동위원소로 존재하는데, 이들은 모두 안정한 것으로 볼 수 있다. 질량수가 158~192사이에 있는 30가지 인공 방사성 동위원소들이 확인되었는데, 반감기가 긴 것들은 ¹⁸¹W(반감기 121.1일), ¹⁸⁵W(반감기 75.1 일), ¹⁸⁸W(반감기 69.4일), ¹⁷⁸W(반감기 21.6일)이고, 나머지들은 반감기가 3시간보다 짧다. 질량수가 182보다 작은 동위원소들은 주로 전자포획 또는 β⁺붕괴를 하고 탄탈럼(Ta) 동위원소가 되는데, 질량수가 170이하인 동위원소들은 α붕괴를 하고 하프늄(Hf) 동위원소가 되기도 하며, 질량수가 작을수록 α붕괴의 비율이 높다. 질량수가 184보다 큰 동위원소들은 주로 β^-붕괴를 하고 레늄(Re) 동위원소가 된다. 11 가지의 준안정한 핵 이성체들이 확인되었는데, 반감기가 가장 긴 것이 ^179m1W(반감기 6.4분) 이다.

텅스텐은 비교적 반응성이 없는 금속으로, 실온에서는 산소, 산, 알칼리와 잘 반응하지 않으나, 400^oC이상에서는 공기 중에서 산화된다. 습한 공기 중에서 산화되고, 고온에서는 물과 반응하여 산화물이 된다. 질산과 왕수(진한 염산과 질산의 3:1 혼합물)에 녹으며, 가열하면 묽은 황산이나 염산에도 녹는다. 고온에서 여러 비금속 원소들과 반응하여 틈새형 비화학양론적 화합물들을 만든다. 화합물에서 가장 흔한 산화 상태는 +6이나, -2에서 +5까지의 다양한 산화 상태의 화합물들도 알려져 있다. 대표적인 산화물은 노란색의 삼산화텅스텐(WO₃)인데, 천연상태에서는 1-2개의 물 분자를 가진 수화물 형태로 존재하며, 알칼리에 녹아 텅스텐산 이온 WO₄^2-이 된다. 중성 또는 산성 수용액에서 WO₄^2-은 여러 개가 축합하여[W₇O₂₄]^6-또는 [W₂₁O₄₁]^10-와 같은 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate) 음이온을 만든다.

텅스텐은 주로 회중석(scheelite, CaWO₄), 철망가니즈중석(wolframite, (Fe,Mn)WO₄) 등의 광석에 텅스텐산염 형태로 존재한다. 이들 광석에서 텅스텐을 생산하는 데는 모두 텅스텐산(H₂WO₄)을 중간체로 얻는 과정을 거치는데, 화학적 과정은 광석에 따라 약간씩 차이가 있다. 회중석의 경우, 염산(HCl)으로 처리하면 다른 금속들은 수용성 염이 되어 물에 녹고, 텅스텐은 물에 녹지않는 텅스텐산이 되어 침전으로 분리된다.

CaWO₄ + 2 HCl → CaCl₂ + H₂WO₄↓

철망가니즈중석의 경우에는, 가성소다(NaOH)로 용융시키고 물로 우려내거나 알칼리 수용액과 오래 가열하면 철 등의 다른 금속들은 수산화물로 침전되고 텅스텐은 수용성인 텅스텐산 염으로 전환된다. 침전을 제거한 후 얻은 수용액을 염산으로 산성화하면 텅스텐산이 침전으로 분리된다.

MWO₄ + 2 NaOH → Na₂WO₄ + M(OH)₂↓ (M = Fe 또는 Mn)
Na₂WO₄ + 2 HCl → 2 NaCl + H₂WO₄↓

텅스텐산을 암모니아 용액에서 농축시키면 파라텅스텐산암모늄(ammonium paratungstate, APT: (NH₄)₁₀W₁₂O₄₁·5H₂O)이 얻어진다. APT, 또는 텅스텐산과 APT의 혼합물을 고온으로 가열하면 열 분해가 일어나서 삼산화텅스텐(WO₃)이 된다.

금속 텅스텐은 WO₃를 탄소 또는 수소(H₂)로 환원시키면 분말 형태로 얻어진다.

2 WO₃ + 3 C(또는 6 H₂) → 2 W + 3 CO₂(또는 6 H₂O)

텅스텐 모합금으로 널리 사용되는 페로텅스텐(ferro-tungsten, 철-텅스텐 합금으로 텅스텐 함량이 70~80% 정도임)은 WO₃를 철과 혼합한 후 수소 또는 탄소로 환원시켜 만든다. 텅스텐은 녹는점이 높아 그 자체만을 주괴(ingot)로 만들기는 어려우나, 소량의 니켈(Ni) 등과 혼합하여 성형하고 소결하면 합금 형태의 주괴로 얻을 수 있다.

2011년 전세계(미국 제외) 텅스텐 생산량은 약 72,000톤이며, 중국이 이의 83%인 60,000톤을 생산하였고, 러시아(3,100톤), 캐나다(2,000톤), 포르투갈(1,300톤), 볼리비아(1,200톤), 호주(1,100톤) 등에서도 상당 양이 생산되었다. 북한은 2009년에 약 110톤을 생산한 것으로 추정된다. 우리나라는 1960~1980년에 연 평균 약 4,000톤을 생산하였는데, 1990년대부터는 중국산과의 경쟁에 밀려 거의 생산하지 못하고 있다. 전세계 광석 매장량은 텅스텐을 기준으로 약 310만 톤으로 추정되는데, 중국에 190만 톤(61%)이 매장되어있고, 러시아, 우리나라 남북한, 미국, 캐나다, 카자흐스탄 등에도 상당량이 매장되어 있다.

텅스텐은 흔히 삼산화텅스텐 (WO₃, W 함량 79.3%) 또는 파라텅스텐산암모늄(APT, W 함량 70.0%) 형태로 판매되며, 거래 단위는 보통 mtu(metric ton unit, 1mtu=1/100톤=10kg)이다. 2011년 미국 시장의 WO₃ 평균 가격은 미화 250$/mtu(W로 환산할 경우, 31.5$/kg)이었고, 2012년 10월의 중국산 APT 가격은 340~360$/mtu(W로 환산할 경우, 약 48.6~51.4$/kg)이었다. 페로텅스텐은 2013년 1월 현재 약 45$/kg으로 거래되고 있다.

텅스텐은 초경합금(cemented carbide, hard metal), 내열성 및 내마모성 합금 등의 제조에 쓰이며, 텅스텐 금속 자체도 여러 용도로 유용하게 사용된다. 그리고 화합물들은 안료나 촉매 등으로 다양하게 사용된다.

탄화텅스텐과 초경합금
텅스텐의 50%이상은 탄화텅스텐(WC 및 기타 W와 C간의 이성분 화합물)으로 만들어 초경합금(실제는 합금이 아니고 세라믹이다)에 사용된다. 보통 탄화텅스텐으로 불리는 WC는 녹는점이 높고 탄화물 중 가장 단단한 물질로, 소량의 금속을 결합제로 첨가하고 압축 성형한 후 소결하면 초경합금이 얻어지는데, 이 초경합금은 녹는점이 매우 높고 강도가 강철보다 약 3배나 높으며 밀도가 커서 내마모성 연마제, 절단기, 칼, 각종 공작 기계, 석유 시추와 광산 및 토건용 착암기의 비트(bit) 등에 널리 사용된다. 초경합금으로 만든 착암기와 금속 절단기는 강철로 만든 것에 비해 100배나 빠른 속도로 작동할 수 있는 장점이 있다. 또 거부감이 큰 감손 우라늄(depleted uranium: 천연 우라늄보다 ²³⁵U의 함유량이 작은 우라늄)을 대신해서 장갑 침투탄에 사용되며, 운동 기구, 수술 도구, 장신구 등의 재료로 사용되기도 한다. 한편, 탄화텅스텐을 화학 증착(CVD) 방법으로 다른 물질 표면에 입혀 내열, 내마모성 전도성 막으로 사용하기도 한다.

텅스텐 금속 그 자체나 텅스텐 합금은 전기·전자, 기계, 공구, 무기 등의 재료로 널리 사용된다. 텅스텐은 녹는점이 높고 증기압이 낮아 백열등, 진공관, 음극관, 할로겐 램프의 필라멘트로 사용되어 왔는데, 백열등은 효율이 낮고 진공관은 반도체로 대체되어 지금은 이 용도로는 거의 사용되지 않는다. 텅스텐은 또한 ‘비활성 기체 텅스텐 아크 용접(inert gas shielded tungsten arc welding, tungsten inert gas arc welding, TIG welding)’, 전자 빔 장치, 전자 현미경 등에서 전극 재료로 사용된다. 또한 전자 회로에서 이산화규소(SiO₂) 유전체와 트랜지스터를 연결시키는데 사용되며, 전자 소자에 박막으로 입혀서 전선 대신 이용되기도 한다. X-선 표적으로 흔히 사용되며, 고에너지 방사선을 차폐하는데 사용되기도 한다. 한편, 붕규산 유리와 열팽창계수가 비슷하므로, 유리를 금속에 접합시키는데 사용되기도 한다.

텅스텐 합금은 보통 페로텅스텐을 다른 금속과 혼합시켜 만드는데, 가장 대표적인 합금이 고속도강(high speed steel)으로 이에는 텅스텐이 18%까지 들어있으며 금속 재료를 빠른 속도로 절삭하는 공구를 만드는데 주로 사용된다. 텅스텐 합금은 또한 터빈 날개(blade)와 같은 항공기와 우주선 부품, 전기·전자 장치의 내마모성 부품과 코팅 재료, 절단기, 착암기 드릴 등에 사용된다. 그리고 총과 대포의 재료, 로켓 노즐, 대전차 고속 침투 폭탄을 비롯한 각종 폭탄 및 산탄 재료 등의 군사 무기에도 널리 사용된다.

텅스텐과 이의 합금은 밀도가 높아 저울 추과 균형 추로도 사용되며, 요트 용골, 항공기 꼬리, F1 경주 자동차의 균형을 잡는 중량물 등으로 사용되기도 한다. 텅스텐은 비교적 독성이 없으면서 단단하고 밀도가 커서, 탄환, 산탄, 방사능 차폐제, 중량물 등에서 유독한 납 대신 텅스텐을 사용하도록 권장되고 있다.

장신구와 위조 금
탄화텅스텐과 텅스텐 금속은 단단하고 내마모성이 좋으며 알레르기 반응이 덜 해 반지 등의 각종 장신구와 고급 시계 등에 금 또는 백금 대신 사용되기도 하는데, 부서지기 쉽고 충격에 의해 금이 갈 수 있는 단점이 있다. 한편, 금속 텅스텐은 금과 밀도가 아주 비슷해서 이에 금 도금을 하면 금과 구별이 어려워 위조 금으로 사용되기도 하는데, 금괴에서 금을 파내고 텅스텐을 채워 전체를 금으로 속이는 일이 일어나기도 하였다. 중국에서는 가끔 금 도금된 텅스텐이 장신구나 바(bar)로 판매되고 있으므로 주의가 필요하다.

안료와 화학 반응 촉매
1600년대 중국에서는 텅스텐이 들어있는 안료를 써서 도자기에서 독특한 복숭아 색을 내기도 하였는데, 오늘날에도 밝은 노란색의 삼산화텅스텐(WO₃), 밝은 흰색의 텅스텐산 아연(ZnWO₄)과 텅스텐산바륨(BaWO₄)이 도자기 유약의 안료로 사용되고 있다.

한편, 여러 텅스텐 화합물들이 화학반응 촉매 등의 다양한 용도로 쓰인다. 황화텅스텐(IV) (WS₂)는 MoS₂와 유사하게 고온 고체 윤활제와 정유 공정에서의 수소화 탈황(hydrodesulfurization) 촉매로 사용된다. WO₃는 석탄 화력 발전에서 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응의 촉매로 쓰이며, 석유 수소화 분해, 석유 제품에서의 황 및 질소 화합물 제거 반응 등에서 촉매로 사용되기도 한다. 또 텅스텐산소듐(Na₂WO₄)은 폴린-시오칼토 시약(Folin-Ciocalteu reagent)의 조제에 쓰이기도 하는데, 이 시약은 포스포몰리브데넘산염(phosphomolybdate)과 포스포텅스텐산염(phosphotungstate)의 혼합물로 단백질의 정량에 사용된다.