normal water (경수 혹은 물)은 수소와 산소가 결합된 protium oxide이며, 수소 (다른 수소와 구분을 하기 위해 경수소로 불리기도 함.) 대신 중수소가 산소와 결합된 deuterium oxide (D2O)는 heavy water (중수)라고 하며, 이와 유사하게 tritium oxide (T2O)는 삼중수소와 산소가 결합된 super-heavy water (삼중수)이다. 수소의 동위원소 (isotope)는 아래와 같고, 특히 중수소는 삼중수소와 구별하기 위해 이중수소라고도 한다.
중수는 일반적인 수소 (protium) 대신 deuterium이라고 하는 중수소 (heavy hydrogen)를 포함한 물이며 H2O와 구별하기 위해 D2O라고 사용하기도 한다. 중수소은 안정한 동위원소이며, 중수는 방사능 물질이 아니다.
중수소는 경수소의 원자핵에 중성자(neutron)가 하나 더 들어가 있는 형태로 화학적 성질은 경수소와 비슷하며 질량은 경수소의 약 2배이다.
중수의 전기분해 (중수소 생산)
중수가 전기분해되어 중앙의 platinum cathode에 deuetrium이, platinum 외부 anode에 산소로 splitting된다. cathode는 glass내부에 위치하고 생성된 중수소 가스는 central tube내에 남아 있고, anode에서 생성된 산소는 대기중으로 배출된다. 반응이 진행되면서 중수소는 central tube내에 농축되고 cathode bottom 아래로 중수 level이 내려갈 때까지 중수를 교체하면서 진행하고 이후 고순도 중수소를 얻게 된다.
물의 전기분해 (중수 생산)
물을 전기분해하면 가벼운 경수가 먼저 전극에 달라붙어 분해되고, 무거운 중수는 속도가 느려 덜 전극에 달라붙게 되어, 이 달라붙는 속도 차이 (약 6배)를 이용해서 중수를 농축한다. ordinary water를 전기분해하여 중수를 분리하는 방법은 많지만 산업에서 많이 이용하는 방법이 Taylor, Eyring or Frost method이다.
전기분해조내 iron vessel이 cathode가 되고 anode는 니켈이다. 먼저 ordinary water와 NaOH의 solution이 가수분해가 되고 나서 증류후 다시 NaOH를 주입하며 이 과정을 6번 반복하면 거의 100% 중수를 얻게 된다. 이 과정은 H+ ion이 D+ ion에 비해 mobility가 높아 물을 전기분해하면 경수소가 쉽게 분리된다. 이렇게 전기분해가 지속되면서 경수내 중수 농도가 높아지며 부피가 매우 소량 남게 되면 거의 순수한 중수가 된다.
전기분해외에 중수를 만드는 방법으로 분별증류 방법이 있다. 물속에 1/6000 확률로 중수가 존재하며 증류를 이용하여 물로부터 중수를 분리할 수 있다. 중수의 증발온도가 경수보다 높은 101.4도이므로 ordinary water는 distillate로서 top으로 경수를 분리하고, bottoms로는 중수를 분리할 수 있다.
1943년까지 중수는 연속적 전기분해에 의해 만들어졌지만 증류의 방법으로 대체되어 왔다. 휘발도가 낮은 D2O가 분별증류 과정에서 농축되어 액체 상태로 남아 있게 된다.
중수소 용도
중수소는 중수를 사용하는 원자로내에서 이용되며, 중수를 이용하면 일반적인 경수소에서 일어나는 높은 확률의 중성자 흡수없이 중성자의 속도를 줄일 수 있다.
핵분열 반응기내 효과적인 연쇄반응을 위해 중성자가 필요한데, 중수소가 moderator (감속재)로서 수소보다 더 적은 중성자를 흡수함에 따라, 농축 우라늄이 아닌 자연상태의 우라늄을 이용하여 핵반응기가 운전이 되는데 moderator로서 중수소가 결합된 중수를 이용한다. 중수소는 해수에 대량 존재하고 중수는 가압상태에 있어서 boiling이 없이 매우 높은 온도에서 운전을 하게 되어 핵융합 연료로서 유망한 에너지원으로 평가된다.
아울러 중수소는 수소핵자기공명 분광기(NMR)에서 이용되는데, NMR은 일반적으로 용액에 용해되는 성질의 화합물을 필요로 한다. 중수소의 스핀 특성은 생물체의 분자에 존재하고 있는 경수소와는 다르기 때문에 NMR에서 경수소의 스펙트럼들은 중수소의 스펙트럼들과 크게 차이가 있다.
중수소는 무게가 무거워서, 중수소를 포함하는 유기분자는 전자를 얻거나 잃는 반응을 반복할 때 분자가 분해되거나 다른 분자들과 반응하여 열화되는 속도가 경수소만을 포함하는 같은 구조의 유기분자와 비교하면 느림에 따라 이러한 원리를 이용하여 OLED 발광용 유기물의 수명을 늘릴 수 있다.
최근에는 반도체 / 디스플레이 / 광섬유 / 전도성 광섬유소재 등 산업 전반에 적용되고 있으며, 특히 반도체의 경우 미세패턴을 적용한 회로 집적도 기술을 구현하는 과정에서 회로 오작동, 수명단축 문제가 발생하였고 이를 해결하기 위해 반도체 웨이퍼가 받았던 물리화학적 스트레스를 제거하고 특성을 향상시키는 과정에서 중수소가 열처리 가스로 사용되고, 또한 광케이블의 수명 및 성능 개선에도 중수소가 사용되고 있다.
중수 물성치
|
Property
|
Specification
|
|
Chemical formula
|
D2O
|
|
Molar mass
|
20.0276 g mol−1
|
|
Appearance
|
Colourless liquid
|
|
Odour
|
Odourless
|
|
Density
|
1.107 g mL−1
|
|
Solubility in water
|
Miscible
|
|
log P
|
−1.38
|
|
Refractive index (nD)
|
1.328
|
|
Viscosity
|
1.25 mPa s (at 20 °C)
|
|
Dipole moment
|
1.87 D
|
중수소 (D2 Gas)의 글로벌 메이저 기업은 Linde Gas, Cambridge Isotope Laboratories, Sigma-Aldrich, Matheson Tri-Gas, CSIC 등이며, 국내에서는 효성화학과 TEMC가 기술의 국산화에 성공하여 전량 수입에 의존해왔던 반도체와 광케이블 열처리 공정용 중수소 물량을 대체해 반도체 소재 공급망 안정화에 기여할 것으로 보인다.
#경수#중수#중수소#경수소#삼중수소#protium#deuterium#tritium#동위원소#isotope#이중수소#D2O#NMR#moderator#감속재#OLED#Linde#반도체
'공정설계' 카테고리의 다른 글
| CATOFIN Process 이해 및 OLEFLEX와의 비교 (0) | 2025.02.04 |
|---|---|
| PERC (Perchloroethylene) injection (0) | 2025.02.02 |
| 액화수소 (LH2) 이해 (0) | 2025.01.04 |
| Distillation Column PSV relief load 계산 이해 (0) | 2025.01.04 |
| Merox 공정 이해 (0) | 2025.01.03 |