몰리브데넘

주기율표 6족에 속하며 은회색의 광택을 내는 전이 금속으로 지구상에 두루 퍼져 있으며, 체내의 생리작용을 진행시키는 등 우리 몸에도 꼭 필요한 물질이다. 수연(水鉛)이라고도 한다. 그래서 주요 몰리브덴 광석인 Molybdenite를 휘수연석(輝水鉛石)이라고 부른다.

몰리브데넘이라는 이름은 그리스어 '납(molybdos)'에서 비롯되었다. 몰리브데넘은 양이 많지는 않지만 지구상에 두루 퍼져 있으며 동식물의 몸속에도 미량 함유되어 있다. 미국에서 많이 나며 캐나다, 러시아 등에서도 산출된다. 스테인리스강이나 베어링 등에 주로 사용된다.

몰리브데넘은 은회색의 딱딱한 금속으로 천연 몰리브데넘 광물(Molybdenite, 이황화몰리브데넘. 휘수연석이라고도 한다)은 흑연과 아주 비슷하기 때문에 자주 혼동되었다. 1778년 스웨덴의 과학자 셸레가 몰리브데넘 광물과 흑연은 다른 것이라는 것을 밝히고, 광물로부터 새로운 토류를 분리해서 몰리브덴토(土)라고 이름붙였다. 그리고 1782년, 셸레의 친구 옐름은 몰리브덴토에서 새로운 금속 몰리브데넘을 분리해냈다.

순수한 몰리브데넘은 기본적으로 녹는점과 끓는점이 매우 높고 단단하여[1] 가공하기 어렵다. 게다가 산화가 잘 일어나며 가격이 상당히 비싸다. 때문에 몰리브데넘 단독으로 사용되는 경우는 잘 없으며 주로 다른 금속에 소량 첨가하는 합금 재료로 많이 활용된다.

몰리브데넘은 모든 생물에 있어 필수적인 원소로, 몰리브데넘을 함유하는 효소는 약 20종에 이른다. 그중에서도 유명한 것이 질소고정작용을 행하는 니트로게나제(의 FeMoco 조효소)로, 대기 중 질소를 1분자 당 16 ATP를 소비하여 2분자의 암모니아로 바꾼다. 그 밖에 몰리브데넘을 함유한 효소에는 유해한 아황산이온을 산화시켜 무해한 황산이온으로 바꾸는 설파이트옥시다제, 유해한 알데히드를 산화시켜 무해한 카르복시산으로 바꾸는 알데히드옥시다제 등이 있다. 알데히드옥시다제는 알콜대사에 있어서 아주 중요한 효소로, 알콜을 세포 에너지원이 되는 아세트산으로 변화시킨다.

그리고 몰리브데넘은 퓨린계 물질을 분해하는 잔틴 산화효소의 성분이기도 한데, 잔틴 산화효소는 잔틴을 분해해 요산을 생성하지만 강하게 작용하면 통풍에 걸리기 쉽다. 그리고 잔틴 산화효소가 부족하면 크산틴뇨증에 걸릴 수도 있다.

몰리브데넘이 필수적인 원소라는 것을 말해주는 도시전설같은 이야기도 있다. 한 황량한 들판에 이상하게도 풀이 발자국모양으로 더 길고 튼튼하게 자라있었다. 이상하게 생각한 들판의 주인이 곰곰이 생각해본 결과 자신이 몰리브데넘을 취급하는 공장에 다니고 있었다는 사실을 생각해냈다. 몰리브데넘이 묻은 작업화가 그 바닥 모양으로 몰리브덴이 부족한 토양에 몰리브데넘을 공급했던 것.

동위원소인 몰리브데넘 99(Mo-99)는 핵의학영상검사에서 엄청난 수요가 있는 물질[2]인데 2009년 그것을 생산하던 캐나다의 초크 리버 원자로가 고장을 일으키면서 세계적으로 문제를 일으켰다. 그리고 15개월 만인 2010년 8월 재가동하며 방사성 동위원소 생산을 시작했다.

몰리브데넘은 지구에서 비교적 드문데도 [3] 생명현상에 필수적인 것을 두고 지구생명의 기원이 몰리브데넘이 풍부한 다른 외계로부터 온 것이라는 주장도 있다. 아이오딘도 지각구성비로는 몰리브데넘 보다 적지만 물에 잘 녹는 화합물을 만들어서 바다물에는 풍부하고 몰리브데넘 만큼 다양하게 필수적이지도 않다.

현대 철강산업에서 꼭 있어야 하는 매우 중요한 금속이다. 몰리브데넘을 철계 합금에 첨가하면 강도나 내열성, 내식성이 늘어나기 때문에 몰리브데넘계 합금이 널리 쓰인다. 특히 스테인리스강에 몰리브데넘을 첨가하면 특성이 크게 향상되기 때문에, 몰리브데넘의 수요 중 약 90%를 차지하고 있다.[4]

합금강에 첨가될 경우 Cr-Al-Ta-Ti-Si-Mo-V 순으로 오스테나이트 생성을 방해하며, 대신 탄소와 결합해 고경도 카바이드 입자를 생성한다. 이런 특징 때문에 바나듐과 함께 고급 공구강이나 도검용 강재에 빠져서는 안 될 필수적인 원소다.

크로몰리는 아예 강재의 이름에 크로뮴과 몰리브데넘이 들어간 경우다. 자전거 프레임 재료로 4130 크로몰리가 자주 언급될 것이다. 다만 크로몰리 속 몰리브데넘의 함량은 의외로 0.5% 정도로, 1~2%를 넘나드는 고합금 공구강이나 도검용 강재에 비해 낮다.

몰리브데넘의 추가는 Cl계 이온에 대한 부식 방지에 도움을 준다. 따라서 선박에 사용되는 오스테나이트계 스텐레스강에는 Mo가 필수적으로 함유된다.

황과의 화합물인 MoS₂는 대표적인 2차원 전이금속 칼코겐 화합물이다. 황 뿐만 아니라 셀레늄, 텔루륨과 같은 칼코겐 원소와 화합물을 이루면 층상구조를 가지는 반도체 상(2H 상)을 얻을 수 있는데, 이를 박리시키거나 CVD 등으로 증착시켜 2차원 반도체 소재로 사용한다. 띠틈이 없는 그래핀과 달리 적절한 띠틈을 가지기 때문이며, 전자띠의 특정 계곡(valley)와 스핀구조가 강하게 결합되어 있어(spin-valley locking) 1층짜리 MoS₂의 경우 다양한 광전(Optoelectronic)소재로 연구되고 있다. 이 외에도 홀수층 두께를 가진 2H구조의 경우 Mo의 강한 스핀궤도결합(Spin-oribit coupling)에 의해 전자의 스핀 겹침(spin-degeneracy)이 붕괴되어[5] 스핀트로닉스소자로의 응용 가능성이 있다.

1T, 1T'구조의 경우 전하밀도파 및 위상물질의 연구도 활발하다. 1T'구조는 1T구조의 2X1주기를 가졌으나, 1T구조에 전하밀도파가 형성된다고 무조건 1T'구조가 되진 않으며[6], 이 두 구조는 금속성의 위상물질(topological semimetal)의 특성을 지닌다.[7]

참고로 MoS₂는 2H, 3R구조의 전이금속 이칼코겐화합물(TMDC) 반도체의 대표 물질이며, 주기율표 상 바로 아래에 위치하는 텅스텐도 동일하게 응용되는데, 주기율표상 아랫쪽에 위치하여 스핀-궤도 결합 효과가 크기 때문에 스핀궤도결합과 관련된 응용은 텅스텐 화합물이 더 유리하다. 그럼에도 MoS₂가 대표물질이 된 이유로는 2H-TMDC물질들 중에는 거의 유일하게 자연 광물상태로도 발견되기 때문이다그래핀처럼 3M테이프로 실험 가능하다는 이야기 다른 2H-TMDC물질들은 실험실에서 합성된 것들이다.

전이금속 칼코겐 화합물이 층상구조를 가지기 때문에 각 층간 결합은 판 데르 발스 결합으로 되어 있고, 따라서 전단응력에 쉽게 밀려버린다. 이를 이용해 마찰계수를 감소시키는 윤활제로 사용된다.[8] 텅스텐과 마찬가지로, 윤활유에 용해시켜 엔진 오일의 첨가제로 활용할 수 있고, 마찰을 감소시키는 효과를 내기 때문에 연료 효율을 높이기 위한 오일이나 모터스포츠용 오일에 대부분 포함되어 있다. 고열을 받는 기계부품의 조립시 나사의 고착방지를 위해 그리스와 몰리브덴을 혼합한 페이스트를 나사산에 바르고 조여주면 추후 분해 시 나사가 쩔어붙지 않고 비교적 쉽게 풀려 나온다.

우리나라에서는 강원도 영월군의 상동광산에 몰리브데넘이 매장돼 있는데 그 가치는 1조 9000억 원으로 추정된다는 2022년 기사[9]가 나왔다.[10]

1966년 금성광산으로 출발해 1988년 채산성 악화로 휴광되었던 충북 제천시의 몰리브데넘 광산[11]이 광물가격 상승과 매장량 확보 노력 등으로 2010년부터 채굴을 재개했다.

북한에도 몰리브덴 광산[12]이 존재하나 정확한 매장량은 확인되지 않고 있다.

흔히 p-핵종(nuclei)라 부르는 셀레늄부터 수은까지의 원소에서, 양성자가 중성자보다 많은데도 안정하거나 긴 반감기를 가지는 35개의 동위원소가 존재한다. 이들은 대부분 존재비 1% 미만으로 매우 적은 비중을 차지하지만 몰리브덴-92. 94는 p-핵종인데도 불구하고 존재비가 각각 14.65%, 9.19%로 상당히 높다. 여기서 문제가 발생하는데 p-핵종을 생성하는 기본 반응은 광붕괴 반응으로 이미 존재하는 무거운 원소를 씨앗으로 이용해 중성자를 방출시키며 가벼운 원소로 내려오는 구조다. 그런데 몰리브덴은 이 씨앗 자체도 부족하고 생성되기 위한 조건이 까다로운데, 여기에 더해 분기점(branch point)이 많아 축적이 되지 않고 다른 원소로 빠지는 경향이 강한데도 실제 존재비은 많은데 이론상 예측하는 생성량이 너무 적어 바로 뒤의 루테늄과 함께 Mo-Ru 문제로 묶여서 핵합성의 난제로 남아있다.