제논 원소란 단어는 생소하지만 어딘가 많이 들어본 원소 입니다. 최첨단 기술을 얘기할 때 종종 나오는 경우가 있어 궁금증을 자아내는데요, 지구상에 분포가 아주 미량이어서 그 가격도 비싸고 활용 분야도 최첨단 기술에만 제한적으로 적용 되는 제논 원소에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
제논 원소란?
제논(Xe)이란 주기율표 18족에 속하는 불활성기체로서 원자번호 54번의 무색 무취의 특징을 가지고 있다. 녹는점 -112℃의 끓는 점은 -108℃ 로서 상온에서 기체로 존재하는 물질이다. 제논은 1898년 스코틀랜드의 화학자인 윌리엄 램지와 영국 화학자 모리스 트래버스에 의해 발견 된 물질이다. 대부분의 18족 원소들을 윌리엄 램지가 발견하였거나 분리해 냈다.
제논이 포함된 불활성 기체들의 특징은 모든 전자 껍질이 전자로 채워져서 나타나는 특징이 있다. 제논을 포함하여 모두 불활성이기 때문에 같은 종류의 원자들과 결합하지 않고 단원자 형태로 존재하여 예를 들어 Cl₂나 F₂ 와 같은 이원자 분자들과 다르게 18족 원소들은 단원자분자 형태로 존재한다.
18족 원소들의 원자는 구형의 모양을 띄고 있는데, 이는 전자껍질이 모두 채워졌거나 반만 채워진 경우에 만들어지는 형태라고 볼 수 있다. 특히 18족에서 가장 무겁고 안정한 원소인 제논은 헬륨 기체보다 30배 이상 무겁고, 공기보다 무거워 아래로 가라 앉는 성질이 있다.
제논은 지구상의 아주 미량만 존재하기 때문에 그 가격이 비싸다. 특히 제논은 반응 시켜 화합물로 만든 최초의 불활성 원소인데, 최외곽에 있는 전자가 원자핵과 멀리 떨어져 있어 약하게 결합되어 있다는 특징이 있다. 오늘날에는 이미 80여가지의 제논 화합물이 존재하고 있으며 반응이 약한 특징, 즉 쉽게 전자를 잃고 양이온이 되려는 성질이 강하기 때문에 이점을 이용하여 여러가지 응용 분야에서 사용된다.
제논의 일상 생활에서 활용
제논은 지구상에 존재하는 양이 매우 미약하며 그렇기 때문에 네온이나 아르곤보다도 이용도가 적다. 특히 양이 적기 때문에 가격도 비싸다. 일상생활에서 사용되는 용도를 꼽자면 플라즈마 디스플레이 패널과 카메라용 전자 플래시 방전관 그리고 제논램프등을 들 수 있다.
제논이 이렇게 밝은 빛을 밝히는 램프류에 주로 사용되는 이유는 제논이 발광되는 발광 스펙트럼이 태양빛에 가까운 색온도 6000K와 비슷하기 때문이다. 제논램프의 원리는 다음과 같다. 유리관에 미량의 제논 가스를 넣어서 봉인한다. 양 끝에 전극을 연결하여 고압 축전기에 연결하여 일순간에 방전 시키면 매우 강한 빛을 낸다. 특히 매우 강한 빛을 내기 때문에 내시경에도 주로 쓰이는데 이는 다른 램프류들이 어두운 곳에서 밝은 빛을 내지 못하는데 반해 제논 램프는 가능하기 때문에 이렇게 중요한 환경에서 사용된다.
제논을 활용한 이온 엔진
위에서 말한 18족 불활성기체들의 특징(쉽게 전자를 잃고 양이온이 되려는 성질)을 이용하여 제논을 포함한, 제논(Xenon), 크립톤(Krypton), 아르곤(Argon) 등의 기체 원소들은 플라즈마를 생성하는데 그 원료로 많이 사용된다. 우리 생활에서 플라즈마를 응용해서 사용할 수 있는 기술들에는 굉장히 고난이도의 기술을 요구하는 것들이 많지만 이 글에선 대표적인 기술중의 하나인 이온엔진에 대해 알아보도록 하겠다.
이온 엔진은 또 다른 말로는 플라즈마 추진 엔진(Plasma propulsion engine)이라고 불리우며 그 원리는 플라즈마에 자기장을 걸어 비행체 뒤쪽으로 강하게 분사 시켜 그 힘으로 앞으로 나아가는 추진력을 얻는 엔진이다. 이온 엔진의 플라즈마를 생성하기 위해선 핵융합로에서 사용되는 기술을 이용하여 섭씨 100만도로 가열한 플라즈마에 자기장을 걸어서 강하게 분사 시키도록 한다. 이미 상용화가 되어 우주 개발에 활발히 이용 중이며, 이온 엔진의 장점은 추진체를 화학로켓의 10분의 1만 실어도 되기 때문에 초 장거리 우주 비행에 유리하다는 점이다. 하지만 아직 까지 고출력을 내는 효율을 발휘하지 못하여 지상에서 항공기용으로 사용은 불가능 하지만, 진공 상태인 우주에서는 추진체로 유용하게 사용되고 있다.
실제 제논이 사용된 이온 엔진을 최초로 사용한 우주선은 NASA의 디프 스페이스 1호(1998년 발사)인데 발사 때 81.5kg의 제논을 가지고 출발한 디프 스페이스 1호는 임무가 끝날 때까지 약 1만 6000시간을 비행하면서 73kg의 제논을 사용 하였다고 한다.