이전 글에서 과학자 Mosander에 의해 발견된 산화 어븀에 대해 언급한 바 있는데, 그 산화 어븀에서 이터븀(Yb) 외에도 홀뮴(Ho)과 툴륨(Tm)이 분리되었습니다. 이번에는 희토류 원소 중 하나인 ‘홀뮴’에 대해 이야기해 보겠습니다.
소개
Holmium (Ho) 共有35個同位素，其中自然界中165Ho其最為穩定。其餘則為人工合成的放射性同位素，其中最穩定的是163Ho。鈥除了一般存在於矽鈹釔礦以外，主要來源是獨居石礦，其含量僅占0.05%，產量甚微。
처음으로 홀뮴의 특징적인 스펙트럼을 관찰한 것은 1878년 스위스 과학자 J. L. Soret와 M. Delafontaine이었지만, 당시에는 확정하지 못했습니다. 그 이듬해인 1879년, 스위스 화학자 P. T. Cleve가 산화 어븀 광물에서 홀뮴을 분리해냈으며, 그의 고향인 Stockholm의 라틴어 명칭 “Holmia”에서 착안하여 이 희토류 산화물과 원소에 홀뮴이라는 이름을 붙였습니다.
홀뮴은 이온 교환 기술을 통해 모나자이트에서 추출할 수 있으나, 다른 희토류 원소들과의 분리가 매우 어려워, 무수 염화물 또는 플루오르화물 상태로 만든 뒤, 금속 칼슘을 이용한 환원 반응을 통해서만 순수한 홀뮴 금속을 얻을 수 있습니다.
홀뮴 Ho
원자번호: 67
원자량: 164.930 u
원자 구조: 홀뮴의 최외각 전자 배치는 4f11 6s2입니다.
물리·화학적 성질: 홀뮴은 밝은 은백색의 금속 광택을 가지며, 부드럽고 잘 늘어나는 금속으로, 상온상압에서는 고체 상태로 존재합니다. 물과는 서서히 반응하며, 묽은 산에는 잘 녹습니다.
건조한 공기에서는 상당히 안정하고 부식에 강한 편이지만, 고온 다습한 환경에서는 연노란색의 산화물 층을 형성하며, 이 층은 쉽게 변색됩니다.
홀뮴 산화물은 빛의 종류에 따라 색이 달라지는 성질을 가지며, 자연광에서는 황갈색, 삼원색 광원 아래에서는 불타는 듯한 붉은색을 띱니다.
홀뮴의 주요 응용 분야:
- 홀뮴은 가장 높은 자기 모멘트를 가진 원소로, 가장 강한 인공 자기장을 생성하는 데 사용될 수 있으며, 고강도 희토류 자석 제조에 활용됩니다. 또한 신형 자성 합금의 첨가제로 쓰이며, 특히 자기 변형 합금(Terfenol-D)에 소량의 홀뮴을 첨가하면 포화 자기화에 필요한 외부 자기장을 감소시킬 수 있습니다.
- 홀뮴 자체는 인체 내에서 특별한 역할을 하지 않지만, 홀뮴 염의 형태로 존재할 경우 신진대사를 촉진하는 효과가 있습니다. 그러나 인체는 연간 약 1mg의 홀뮴만 소비하며, 흡입, 섭취, 또는 주사로 과량의 홀뮴 염이 들어올 경우, 심각한 손상을 유발할 수 있습니다.
- 원자로 제어용으로 사용될 수 있으며, 핵반응 제어봉으로 활용되어 핵분열에서 발생하는 중성자를 흡수하는 역할을 합니다.
- 방사성 핵 이성질체인 166m1Ho는 상대적으로 긴 반감기를 가져, 감마선 분광기의 교정용 표준 소스로 사용할 수 있습니다.
- 광섬유 분야에서도 응용되며, 광섬유 레이저, 광섬유 증폭기, 광섬유 센서 등 다양한 광통신 장치의 제조에 쓰입니다.
- 입방 산화지르코늄 및 유리의 노란색 또는 붉은색 착색제로 사용되며, 또한 단색기, 분광광도계의 교정 기준, 메탈 할로겐 램프 제조 등에도 활용됩니다.
- 레이저 재료 도핑제로 사용될 수 있으며, 홀뮴은 YIG(이트륨 철 가넷) 및 YLF(플루오르화 이트륨 리튬) 고체 레이저에 응용됩니다. 특히 홀뮴 도핑 이트륨 철 가넷(Ho:YIG)은 YIG 구체, 광학 아이솔레이터, 마이크로파 기기 등에서 사용됩니다.
- 각종 의료 및 치과 장비에 광범위하게 사용되며, 이트륨 알루미늄 가넷의 첨가제로 활용되어 홀뮴-이트륨 알루미늄 가넷(Ho:YAG)을 형성합니다. 이 홀뮴 레이저는 녹내장, 방광, 요관 등의 종양 광역학 수술, 이비인후과 및 구강과의 레이저 미세 침습 수술, 경피적 레이저 디스크 감압술(PLLD), 경피적 레이저 추간판 감압술(PLDD) 등에 사용됩니다. 절개, 절제, 소작, 기화, 연조직 응고 및 지혈에 적합하며, 개복 수술, 복강경, 경피적 신루 결석 제거 수술과 같은 내시경 시술에도 적용됩니다.
이 희토류 원소에 대해 조사하던 중, 홀뮴 레이저의 응용이 매우 다양하다는 사실을 알게 되었습니다.
그 원리는, 조직 내의 헤모글로빈과 수분 분자가 홀뮴 레이저가 전기에너지를 고에너지 펄스로 변환한 빛을 흡수하면서 순간적으로 끓는점에 도달, 조직을 기화시키고 결석을 가루처럼 부수어 체내에서 자연스럽게 배출되도록 하거나 조직을 절단하는 것입니다.
레이저의 고온은 조직을 태운 표면에 얇은 응고막을 형성하여 지혈 효과도 함께 얻을 수 있습니다.
이 기술은 주로 신장 결석 내시경 수술(RIRS), 전립선 비대증, 요로 결석 등 비뇨기과 수술용 내시경 파쇄술에 사용되며, 동시에 요도 협착, 요관 협착, 긴 용종 등 연조직 병변 치료에도 활용됩니다. 절단된 연조직은 검사용 조직 표본으로 활용되어, 추가 진단과 분석에도 기여할 수 있습니다.
「관다석」 크로뮴 외과 레이저 시스템은 연성 요관경/신장 내시경 광섬유 시스템과 최신 홀뮴 레이저 결석 제거 수술을 결합한 저출혈의 최소침습 치료법으로, 짧은 수술 시간, 낮은 위험성, 빠른 회복, 합병증 및 재발률 감소, 수술 후 통증 감소 등의 장점이 있어, 전통적 수술의 위험이 높은 환자들에게 큰 혜택을 주며, 남성의 전립선을 지키는 든든한 조력자로 자리잡고 있습니다.
