산화 아연

산화 아연(ZnO)은 물에 녹지 않는 흰색 분말이며 여러 가지 별명을 가지고 있는데, 철학자의 모 섬유(wool), 중국의 백색(Chinese white), 아연의 꽃이 그 대표적인 예이다. 산화 아연은 화장품, 식품 보조제, 고무, 플라스틱, 세라믹, 시멘트, 유리, 접착제, 배터리, 연고 등 다양한 재료 혹은 제품의 첨가제로 쓰인다. 자연에서는 홍아연광(zincite)으로 발견되지만, 대부분의 산화 아연은 인공적으로 합성한다.

산화 아연은 2족과 12족 화합물 반도체 그룹 중에서 띠 간격(band gap)이 크다. 빈 산소 자리나 아연 틈새의 영향으로 반도체 도핑 성향은 n-형이다. 투명성, 높은 전기전도율, 상온에서의 강한 발광 등이 있어 이러한 성질을 이용한 산화 아연은 액정 디스플레이의 투명 전극, 에너지 절약용 및 열 보호용 창문 유리, 박막 트랜지스터와 발광 다이오드 등 다양한 용도에서 그 가치를 발휘한다.

목차

순수한 ZnO는 흰색 분말이지만, 자연에서는 홍아연광으로 발견되며 여기에 망가니즈나 다른 불순물이 있으면 노란색부터 붉은색을 띠게 된다.

양쪽성인 산화 아연은 물에 거의 녹지 않지만, 염산을 비롯한 대부분 산에는 잘 용해된다:

산화 아연 고체는 알칼리에도 용해되어 수용성 홍아연광을 형성한다:

ZnO는 1975 °C, 표준 산소 압력 하에서 아연 증기와 산소로 분해된다. 탄소와 함께 가열하면 더 낮은 약 950 °C의 온도에서 분해하여 아연 증기를 낼 수 있다:

구조

산화 아연은 육방정계의 우르자이트(wurzite)와 입방형 섬아연광(zincblende)의 두 가지 주요 형태로 결정화되어 있다. 이중 우르자이트 구조가 상온, 상압에서 가장 안정하여 흔하다. 섬아연광 형태는 입방 격자 구조를 갖는 기판 위에서 ZnO를 성장 시켜 안정화할 수 있다. 이 두 가지 경우 모두 각각의 아연과 산소 중심은 대부분의 Zn(II) 기하구조에서와같이 전형적인 사면체 형태를 보인다.

전기 및 광학 성질

ZnO는 상온에서 약 3.3 eV의 비교적 큰 띠 간격을 갖는다. 이와 연관된 장점으로는 높은 항복 전압(breakdown voltage), 큰 전기장을 유지하는 능력, 낮은 전기적 소음, 고온 고압에서의 작동 등이 있다. 산화 아연의 띠 간격은 산화 마그네슘이나 산화 칼슘과 합금할 경우 3~4 eV까지 더 정교하게 조절할 수 있다.

대부분의 ZnO는 고의적인 도핑(doping) 없이도 n-형 반도체 특성을 갖는다. 비화학량론적인 형태가 전형적인 n-형 특성을 갖게 하는 원천으로 여겨지지만, 아직 논란이 있다. 이를 대체하는 설명으로 이론적 계산에 기초하여 비고의적 치환형 수소 불순물이 n-형 특성을 갖게 한다고 제안된 바 있다.

조절 가능한 n-형 도핑은 아연을 알루미늄, 갈륨, 인듐과 같은 3족 원소로 치환하거나 산소를 염소, 아이오딘과 같은 7족 원소로 치환하여 만들 수 있다.

산업용으로 ZnO는 다음 세 가지 주요 공정으로 전 세계에서 10⁵ 톤 정도 생산되고 있다.

간접 공정

간접 공정 또는 프랑스 공정으로 칭하는 과정에서는 금속 아연을 흑연 도가니에 녹이고 907 °C 이상, 일반적으로 1000 °C 정도에서 증발시킨다. 아연 증기는 공기 중 산소와 반응하여 ZnO를 만들고 그 온도에서 밝은 형광을 낸다. 산화 아연 입자는 식힘 배관을 거쳐 포집 장소에 도달한다. 이러한 간접 방식으로 만드는 산화 아연이 전 세계 생산량의 대부분을 생산하고 있다.

직접 공정

직접 공정 또는 미국 공정으로 칭하는 과정에서는 아연 원광이나 용광로 부산물 등의 다양한 아연 복합체로 시작한다. 이들 아연 전구체를 탄소열환원(carbothermal reduction, 무연탄과 같은 탄소 원천과 함께 가열하는 방법)으로 환원 시켜 아연 증기를 만든 후 간접 공정과 마찬가지로 산화시킨다. 반응 재료의 순도가 낮아서 최종 생성물도 간접 공정에보다 고순도로 얻어지지 않는다.

젖은 화학 공정

산업용 생산에서 소량의 산화 아연은 젖은 화학 공정으로 얻을 수 있는데, 이는 아연 염 수용액으로부터 출발한다. 아연 이온이 녹아 있는 수용액을 탄산 염이나 수산화 염으로 침전시키고 이 고체 침전을 약 800 °C에서 생석회가 되어 산화 아연을 만들어낸다.

실험실에서의 합성

실험실에서 산화 아연은 탄산수소 소듐 수용액을 아연 산화 전극에서 전기 분해함으로써 만들 수 있다. 이때 수산화 아연과 수소 기체가 생산되는데, 수산화 아연을 가열하면 분해되어 산화 아연이 생성된다.

산화 아연 분말의 응용성은 매우 다양한데, 가장 큰 용도는 이 아연 산화물의 반응성을 이용하여 다른 아연 화합물을 만들기 위한 전구체로 쓰는 것이다. 재료공학적 차원에서는 산화 아연의 높은 굴절률, 큰 열 전도성, 항 박테리아성, 자외선 차단 특성 등을 이용하여 플라스틱이나 세라믹, 고무, 페인트, 연고 등에 첨가제로 포함된다.

고무 제조용

50~60%에 해당하는 ZnO의 용도는 고무 제조와 관련이 있다. 고무의 가황 과정에서 스테아르산과 함께 산화 아연을 첨가제로 사용하면 곰팡이 및 자외선으로부터 고무를 보호할 수 있다.

세라믹 산업용

세라믹 산업에서도 상당량의 산화 아연을 소비하는데, 특히 세라믹 유약과 유리 분말(frit) 조성에 쓴다. 비교적 높은 열용량과 열 전도성, 그리고 상대적으로 낮은 팽창 계수로 인한 고온에서의 안정성은 세라믹 생산에서 바람직한 특성으로 작용한다. ZnO는 유약, 에나멜, 세라믹 제형 등에서 녹는점과 광학 특성에 영향을 준다. 산화 아연은 팽창 계수가 작아서 유약의 탄성도를 향상함으로써 세라믹의 손상을 줄이는 데 기여한다.

의약용

산화 아연은 입안 헹굼제와 치약에 항박테리아제로 첨가되어 플라그나 타르 형성을 막는 것으로 알려져 있다. 또한, 입안에서의 휘발성 기체나 휘발성 황 화합물을 줄여서 구취 억제제로 쓰인다. 산화 아연은 아토피 피부염, 접촉성 피부염, 여드름. 기저귀 발진, 습진 등을 치료하는 데에도 널리 사용되며, 자외선 차단제에도 첨가된다. 베이비 파우더나 비듬 방지 샴푸, 살균용 연고에도 첨가되며 운동선수의 찰과상에 붙이는 밴드에도 들어 있다.

산화 아연은 연고, 크림, 로션 등에 포함되어 햇볕에 의한 화상을 방지하고 자외선에 의한 피부 손상을 막을 수 있다. 산화 아연은 가장 넓은 영역의 UVA와 UVB 흡수제로서 광안전성이 크다. 또 다른 물리적 선스크린용 물질인 이산화 타이타늄과 더불어 산화 아연은 비자극성, 알레르기와 여드름 걱정 없는 물질로 FDA의 승인을 받아 널리 사용되고 있는데, 산화 아연으로부터 나오는 아연이 피부에 약간 흡수된다고 알려져 있다.

안료용

아연 백색(Zinc white)은 페인트 안료로 쓰이는데, 리써폰(lithopone, 황산 바륨과 황화 아연의 혼합물로서 흰색 안료)보다는 불투명하고 이산화 타이타늄보다는 투명하다. 아울러 종이 코팅에도 사용되기도 한다. 18세기 중반에 시작된 유화 물감으로 처음 사용된 아연 백색은 유독한 백랍을 부분적으로 대체하며 반 고흐, 마네 등의 화가가 사용하였다.

전기전자용

ZnO는 레이저 다이오드와 발광 소자에 잠재적 용도가 있다. 몇몇 광전자 응용 면에서 ZnO는 비슷한 띠 간격의 질소화 갈륨(GaN)과 그 용도가 겹치는데, ZnO가 더 큰 엑시톤(exiton) 결합 에너지(약 60 meV, 이는 상온의 열에너지의 2.4배에 해당한다)를 갖고 있어 더 밝은 상온 발광이 가능하다.

리튬 이온 배터리

ZnO는 저렴하고 친환경적이라서 리튬 이온 배터리에서 유망한 양극재이며, 이론적 전기용량 (978 mAh g⁻¹)이 다른 전이금속 산화물보다 크다.

, Retrieved on 2021-07-22.