[과학] 희토류 물감 등장! 화려한 색상에 친환경까지…

색상이 화려한 장난감, 인쇄가 정교한 포장… 이러한 우리가 일상적으로 접하는 물건들은 비록 보기에는 아름답고 기분 좋지만 그 중 일부 산업용 물감은 색상이 오래도록 선명하게 유지되도록 하기 위해 소량의 납(铅), 카드미움(镉), 수은(汞) 등의 중금속을 함유할 수 있다. 만약 장기간 대량으로 접촉하면 건강에 일정한 영향을 미칠 수 있다.

최근 국가 중점 연구개발 계획 ‘물질 상태 조절’ 중점 특별과제 프로젝트 수석 과학자이자 국가 고수준 인재 계획 과학기술 혁신 선두 인재인 대련민족대학 교수 동빈이 이끈 팀에서 새세대 환경 친화적 물감을 성공적으로 연구 개발했다. 이 물감은 유독 중금속을 함유하지 않으면서도 더욱 화려한 색상과 더 낮은 원가를 가진다.

기존의 무기물감(无机颜料）은 비록 색상이 안정적이지만 ‘독성’의 결함을 벗어나기 어렵다. 코팅 기술을 채용하더라도 중금속이 특정 환경에서 용출(溶出)되는 것을 완전히 막기 어려워 접촉, 흡입 또는 잘못 삼킴(误食)을 통해 인체에 들어가 신경, 조혈 시스템 및 신장을 침식할 수 있다. 이러한 글로벌 난제에 직면하여 동빈팀은 우리 나라의 희토류 자원 우위를 기반으로 ‘와이드 갭 기질(宽带隙基质)+희토류 도핑(稀土掺杂)’이라는 새로운 기술 경로를 선택했다. 희토류 이온(离子)의 광학적 거동을 정밀하게 조절함으로써 초록, 노랑, 주황, 빨강 네가지 색상 계렬의 고포화도 발색을 실현했다. 이 물감은 색상이 ‘뛰여난’ 성능을 가질 뿐만 아니라 내고온성, 항로화(抗老化), 색상 고정도(色牢度)가 강한 종합적인 성능을 갖추고 있다.

희토류 연구자의 환경 친화적 초심

팀 핵심 멤버인 라석현은 “우리 팀은 원래 희토류 기초 연구를 했었으며 물감 연구 개발과는 겉보기에는 전혀 관련이 없어보였다.”며 회고했다. 당시 팀은 희토류 응용 문헌을 정리하던 중 기존 무기 물감 업계가 조정하기 어려운 모순에 직면하고 있음을 발견했다. 대부분의 선명한 노랑―빨강 계렬 물감이 중금속 화합물에 의존한다는 점이였다. 이러한 물질들은 비록 발색 효과가 뛰여나지만 강한 독성과 축적성을 가지고 있다.

라석현은 “적연광(红铅矿), 주사(朱砂), 크롬황(铬黄) 같은 전통 물감은 제조 및 사용 과정에서 유독 원소를 지속적으로 방출한다.”고 설명했다. 이러한 협밴드갭 소재는 독성이 높고 안정성이 부족하다는 고유한 결함이 있으며 종류도 매우 적어 새로운 저독성(低毒), 고선명(高艳) 발색 재료를 찾는 것이 업계의 난제로 되였다.

우연한 실험 관찰은 팀에게 돌파구의 희망을 보게 했다. 라석현은 “희토류 이온의 광학적 특성을 연구하던 중 일부 희토류 이온의 천이(跃迁)가 독특한 넓은 흡수(宽吸收) 특성을 가지고 있다는 것을 발견했는데 이는 물감의 발색 원리와 높은 일치성을 보였다.”고 말했다. 우리 나라는 희토류 자원 대국으로 풍부한 희토류 매장량을 보유하고 있어 저원가 환경 친화적 물감의 연구 개발에 타고난 자원 기반을 제공하고 있다.

“희토류 이온이 발색을 실현할 수 있고 중금속 독성을 피할 수 있다면 왜 희토류를 리용해 새로운 물감을 연구 개발해 보지 않겠는가?” 이러한 생각은 연구팀으로 하여금 환경 친화적 물감의 연구 개발 길에 본격적으로 오르게 했다.

천번의 실험으로 이루어낸 기술 돌파

프로젝트 시작 초기, 연구팀은 기술 병목 현상 돌파가 어렵고 관련 과학 연구 장비를 보장받을 수 없는 다중 도전에 직면했다. 7명의 핵심 멤버들은 전업 특기에 따라 테스트 분석, 결과 종합, 장비 유지 등의 특별 작업 소조로 나뉘여 고효률 협업 작업 메커니즘(机制)을 형성했다.

연구 개발 과정에서 연구팀이 직면한 가장 큰 도전은 희토류 이온 광학적 거동의 정밀한 조절과 색상 계렬 포화도의 효률적 최적화에 있었다. 규산알루미니움염(硅铝酸盐)은 제조 및 사용 과정에서 환경에 친화적이여 리상적인 발색 물감 요구 사항에 부합했다. “규산알루미니움염 재료는 구조 변화가 풍부하고 희토류 이온 도핑 후 격자 점유(晶格占位), 에너지 준위 천이(能级跃迁) 규칙을 파악하기 어렵다.” 라석현은 팀이 수천수만 가지 재료 조합 중에서 적합한 넓은 밴드갭 소재를 선별해야 했다고 설명했다. 이후, 그들은 결정장(晶体场) 강도를 조절하고 공유 결합성(共价性)을 증가시켜 재료가 빛 흡수 능력이 약하고 방사 천이 간섭으로 인해 서로 다른 조사(辐照) 환경에 따라 발색성(呈色性) 변동이 커 발색 물감으로 직접 사용할 수 없다는 고유한 결함을 해결했다. 라석현은 “희토류 이온과 기질 재료의 매칭 실험만 해도 우리는 천번 이상을 진행 했다.”고 말했다.

원가 통제 측면에서도 팀은 돌파를 이루었다. 규산알루미니움염은 지각에서 매장량이 가장 풍부한 광물 중 하나로 공급원이 넓고 가격이 저렴하다. 이 물감 생산에 필요한 희토류 이온은 대부분 시장 수요가 적은 원소로 원가 우위가 뚜렷하다. 동빈은 “이러한 재료들의 저원가 특성에 규모화 생산으로 인한 한계 리익이 더해져 우리는 기존 고급 환경 친화적 물감에 대비 할 때 판매 가격을 60% 이상 낮출 자신이 있다.”고 말했다.

중국과학원 원사 서홍성은 다음과 같이 평가했다. “신형 희토류 환경 친화적 물감의 발색 전략은 전통 물감의 한계를 돌파했으며 그 등장 및 량산은 전통 물감의 유독성 및 환경오염 문제를 해결할 뿐만 아니라 안정성과 생산 원가 측면에서도 현저한 우위를 보여주어 차세대 물감 기술을 선도할 것이다.”

팀 구성원들은 새로운 환경 친화적 물감의 보급은 전체 물감 업계의 기술 변혁을 추진하고 더 많은 기업이 록색 생산으로 전환하도록 촉진하며 환경 친화적 기술과 실물 경제의 심층적인 융합을 추진할 것이라고 본다.

현재 팀은 초록, 노랑, 주황, 빨강 네가지 색상 계렬 물감의 안정적인 생산을 실현했으며 대련 금보신구(金普新区)와의 예비 협력 의향을 체결하여 학교와 지역의 협력을 통해 500 톤급 시험 생산 라인 구축 및 량산을 실현할 계획이다. “다음 단계에서는 전 색상 계렬 분포를 실현할 계획이다. 응용성 측면에서는 건물 외벽, 활주로(跑道), 도자기, 자동차 페인트(汽车涂料) 등 민생과 밀접한 관련 분야부터 접근하여 ‘무독성 대체’가 일반 소비재 분야로 분포되도록 할 것이다.” 동빈이 밝히길 현재 팀에서 희토류가 X선 검사 등 의료 분야 응용에서의 연구를 탐구 중이며 더 많은 기술 난제를 해결하기 위해 노력하고 있다고 전했다.

/과학기술일보

编辑：최화