[케뉴-원소 이야기] 스테인리스 강의 원료, 니켈(Ni)

미국에서 최초의 니켈 사용은 동전이었다고 한다. 1859년 미국 조폐국은 니켈과 구리 혼합물을 사용해 1센트짜리 동전을 만들었고 이후에도 3센트짜리 동전과 5센트 동전에도 사용됐다.

니켈은 기호가 Ni, 원자번호는 28인 화학원소로 전이금속으로 분류되며, 실온에서 고체다.

광부들이 광물인 니켈(니콜라이트, NiAs)을 보고 겉보기에 구리 광석을 닮았다고 해서 '가짜 구리' (Kupfernickel)이라는 이름으로 불리며 '기만적인 작은 영혼'이라는 뜻의 독일어 니켈에서 유래됐다. 외관상 구리 광석과 비슷했지만 이 광석에서 구리가 발견되지 않았다고.

1751년 스웨덴의 화학자이자 금속공학자인 악셀 프레데릭 크론스테트에 의해 발견되었다. 오늘날 대부분의 니켈은 광물 황철 니켈광(펜클란다이트, NiS·2FeS)에서 얻는다. 

미국 에너지부에 따르면 전 세계의 니켈 공급의 대부분이 캐나다 온타리오 서드베리 지역에서 채굴되며, 이 니켈 광석의 큰 퇴적은 고대 유성 충돌의 결과라고 추정되기도 한다. 

운석에는 철과 니켈이 모두 포함되어 있고, 초기에는 우수한 철 형태로 사용했다. 녹슬지 않아 페루 원주민은 일종의 은으로 간주하고 기원전 200년 전에는 중국에서 백동이라고 하는 아연-니켈 합금을 사용하기도 했으며 일부는 유럽에까지 도달했다. 니켈은 또 호주, 뉴 칼레도니아, 쿠바, 인도네시아 및 기타 지역에서도 발견된다.

니켈의 특징과 용도

니켈은 은백색에 광택이 나고 단단하다. 연성이며, 부식에 강하고 다소 강자성이고 열과 전기의 공정한 전도체다. 철-코발트 금속 그룹에 속하며 주로 형성되는 합금에 가치가 있다. 다른 금속에 전기 도금해 보호 코팅을 형성할 수 있고 미분 니켈은 식물성 기름의 수소화 촉매로 사용된다.

니켈은 강도와 내 부식성을 향상하기 위해 다른 금속과 합금되는데 강철과 합금되어 갑옷 플레이트, 금고, 기계 부품을 만든다. 구리-니켈 합금으로 만든 파이프는 담수화 플랜트를 만드는 데 널리 사용된다. 

포스코 경영연구원에 따르면 스테인리스 스틸의 원료로 많이 사용되며, 화학산업과 원전 등의 공업용 구조용강으로 좋은 소재지만 가격이 비싸다.

자연 상태의 니켈은 보통 구리와 섞인 황화물이나 니켈 규산, 홍석, 사문석으로 존재하는데 생산의 60%는 황화물에서 이루어지는데, 니켈과 구리가 금속학적으로 매우 유사해 분리하려면 복잡한 많은 단계를 거쳐야 하기 때문에 결코 적은 양이 아니지만 상업적으로 희귀한 금속에 속한다.

또한 앞에서 언급했듯이 매장량이 캐나다와 러시아 등 상위 5개국이 70% 이상을 차지하고 있어 신규 진입자에게는 진입장벽이 높다. 니켈의 가격은 수요와 공급에 따라 결정되기보다 투기 자본에 의한 영향을 많이 받는다.

알니코 자석으로 알려진 매우 강력한 영구 자석은 알루미늄과 니켈, 코발트, 철의 합금으로 만들 수 있다. 유리에 니켈을 첨가하면 녹색이 된다고 한다. 동전이나 배터리 제조에도 사용된다.

니켈 금속 및 용해성 화합물(Ni)에 대한 노출은 0.05 mg/cm3 (주 40 시간 근무 당 평균 8시간 가중)를 초과해서는 안 되며, 황화 니켈 증기와 먼지는 잠재적으로 발암 가능성이 있는 것으로 알려져 있다.

니켈의 인체 건강 영향

일부 사람들에게는 니켈 금속과의 접촉에 알레르기가 있을 수 있다. 일반인의 약 10~20%가 니켈에 민감하며, 일상생활뿐만 아니라 직업적인 노출에 의해 알러지성 피부염이 발생할 수 있고, 가려움과 발진 등의 증상이 있다.

미국립독성연구소(NTP)는 니켈을 발암성 물질로 국제암연구센터(IARC)에서는 인체에 대한 발암 가능성 물질 2B그룹으로 분류했으며 비강암과 폐암을 유발한다고 한다. 

노동환경건강연구소에 따르면 반복적으로 오랫동안 니켈에 노출되면 호흡의 짧아짐과 기침, 쌔근거리는 소리, 가슴압박 등의 천식이 발생할 수 있고 만성기관지염과 폐 기능도 감소된다. 고농도에 단시간 노출되는 경우 눈과 피부에 자극을 줄 수 있고 반복적인 오랜 시간 노출은 신장에도 영향을 줄 수 있다.

독일 화학자 루드비히 몬드가 발견한 니켈 테트라카르보닐(Ni(CO))은 실온에서 휘발성이 있는 무색의 매우 유독한 액체다. 가열 시 복합체는 니켈과 일산화탄소로 다시 분해된다. 

몬드는 일산화탄소 가스를 니켈 밸브로 흘려보냈는데 이것들이 계속 고장 나며 새고 있었다고 한다. 몬드와 그의 조수는 금속이 일산화탄소와 반응해 니켈 카보닐이라고 불리는 화합물을 만들기 때문에 밸브가 부식되고 있다는 것을 발견했다. 

니켈 카보닐은 실온에서 바로 아래에서 끓어오르는 액체로 매우 휘발성이 강해 다룰 때 매우 조심해야 한다고. 이것을 들이마실 경우 독성이 있는 일산화탄소를 배출하고 폐에 금속 니켈을 남길 수 있다. 니켈 카보닐은 매우 연약해 가열하면 산산조각 나고 니켈과 일산화탄소가 모두 회수되기 때문에 문도는 다른 금속으로부터 니켈을 분리해 정화하는 아주 간단한 방법으로 일산화탄소를 재활용할 수 있었다. 

몬드는 관찰력이 뛰어난 화학지이자 꽤 잘 나가는 사업가로서도 활약해 공정에 특허를 내 가장 순수한 니켈을 다른 누구보다 훨씬 낮은 가격에 팔기 위해 사업을 시작해 엄청난 재산을 모았다고 한다.

1960년대에는 윌케라는 독일 화학자가 니켈 화합물을 석유 화학산업이 작은 탄소 분자들을 결합시키는 싸고 단순한 촉매로 개발했다. 모넬(Monel)이라고 불리는 니켈-구리 합금의 경우 산에 특히 강해서 화학산업에서 중요한 역할을 하고 있으며, 모넬은 불소도 견딜 수 있을 정도로 부식성이 강하다. 

고온의 심한 부식성에 사용되는 표준 합금 인코넬(Inconel)의 수요도 증가 추세다. 열에도 늘어나지 않는 철-니켈 합금인 인바(Invar), 니켈계 초합금의 개발과 수요 증가 등 특수강 분야에서 니켈은 우세하다. 니켈-알루미늄과 붕소를 소량 함유한 초합금은 매우 가볍고 가열하면 단단해지기 때문에 항공기와 로켓 터빈에 사용된다.

포인트경제 심성필 기자