카드뮴

3. 성질

카드뮴은 주기율표의 12족에 속하는 전이금속으로 산화수는 +2이며, 20 °C에서 밀도는 8.65g/cm³이다. 녹는점과 끓는점이 낮다. 카드뮴은 연성(길게 늘어나는 성질)과 전성(얇게 펴지는 성질)이 풍부한 청백색의 무른 금속 (모스 굳기 2.0)이다. 전성과 연성이 풍부하여 가공성이 좋고 내식성(부식에 잘 견딤)이 강하다. 또한 합금을 하면 세기가 뛰어나 여러 가지 용도로 사용할 수 있다. 녹는점이 낮아 쉽게 주조할 수 있고, 비스무트, 납, 주석과의 합금인 우드메탈은 매우 낮은 온도에서 녹는다. 그러나 독성이 강하여 체내에 잘 축적되고 잘 배출되지 않으며, 증기는 인체에 매우 유독하여 중독 증상을 나타낸다. 이타이이타이 병은 대표적인 카드뮴 중독 증상이다.^[105][103]

카드뮴은 안정적인 육방최밀충진구조(HCP)를 갖는 은백색의 연금속이다. 비교적 산화되기 어렵고 금속광택을 유지하기 쉽지만, 습기가 많은 공기 중에서는 서서히 산화되어 회색으로 변하고 금속 광택도 잃는다.

3. 1. 물리적 성질

3. 2. 화학적 성질

• 황화카드뮴(CdS) - 황색 안료·카드뮴 옐로우, 그리고 반도체로 사용된다.
• 황화아연카드뮴(ZnS•CdS) - 카드뮴 옐로우 중 색조가 옅은 것은 이 화합물을 주성분으로 한다.
• 산화카드뮴(CdO)
• 셀렌화카드뮴(CdSe) - 암적색 결정. 적색 안료, 반도체 등에 사용된다.
• 황셀렌화카드뮴(CdS•CdSe) - 적색 안료·카드뮴 레드로 사용된다.
• 텔루르화카드뮴(CdTe) - 흑색 결정. 반도체로 사용된다. 매우 안정적인 물질이다.

4. 동위 원소

자연계에 존재하는 카드뮴은 8가지 동위 원소로 구성되어 있다. 이 중 ¹¹⁰Cd, ¹¹¹Cd, ¹¹²Cd는 안정적이다. ¹¹³Cd는 베타 붕괴를 통해 붕괴하며 반감기는 7.7 × 10¹⁵ 년이고, ¹¹⁶Cd는 두 뉴트리노 이중 베타 붕괴를 통해 붕괴하며 반감기는 2.9 × 10¹⁹ 년이다.^{[7] 106}Cd, ¹⁰⁸Cd는 이중 전자 포획을, ¹¹⁴Cd는 이중 베타 붕괴를 할 것으로 예상되지만, 아직 실험적으로 확인되지는 않았다.^[7]

5. 존재

카드뮴은 지구 지각에서 약 0.1ppm의 농도로 존재하며, 65번째로 풍부한 원소이다.^[21] 아연(약 65ppm)보다 훨씬 희귀하다.^[22] 카드뮴이 함유된 광석은 독립적으로 존재하는 경우가 드물고, 중요한 카드뮴 광물인 그리노카이트(CdS)는 거의 항상 섬아연석(ZnS)과 함께 발견된다. 이러한 현상은 아연과 카드뮴의 지구화학적 유사성 때문이며, 이들을 분리할 수 있는 지질학적 과정은 거의 없다. 따라서 카드뮴은 주로 아연의 황화 광석을 채굴, 제련 및 정련하는 과정에서 부산물로 생산되며, 그 외에도 납과 구리에서 소량 생산된다. 소비량의 약 10%는 폐철 및 강철 스크랩 재활용으로 인해 발생하는 먼지와 같은 2차 공급원에서 생산된다.

금속 카드뮴은 시베리아 빌류이 강 유역에서 발견된다.^[25]

인산 비료용으로 채굴되는 암석에는 다양한 양의 카드뮴이 포함되어 있어 비료에 최대 300mg/kg의 카드뮴이 포함되고 농업 토양에 높은 카드뮴 함량이 나타난다.^[26][27] 석탄에는 상당량의 카드뮴이 포함될 수 있으며, 대부분 석탄 플라이애시에 남게 된다.^[28]

6. 생산

카드뮴은 주로 아연 제련 과정의 부산물로 생산된다. 황산아연 광석의 아연 정광에는 최대 1.4%의 카드뮴이 포함되어 있으며,^[33] 1970년대에는 아연 1톤당 약 3kg의 카드뮴이 생산되었다.^[33] 아연 황화물 광석은 산소 존재 하에 로스팅(가열처리)하여 산화물로 변환된다. 이후 산화물을 탄소와 함께 제련하거나 황산에서 전해하여 아연 금속을 생산한다. 이때 진공 증류를 통해 아연 금속에서 카드뮴을 분리하거나, 전해액에서 황산카드뮴을 침전시켜 분리한다.^[24][34]

영국 지질 조사소에 따르면, 2001년 중국은 세계 카드뮴 생산량의 약 1/6을 차지하는 최대 생산국이었고, 한국과 일본이 그 뒤를 이었다.^[35]

7. 용도

카드뮴은 과거 다양한 산업 분야에서 널리 사용되었으나, 최근에는 독성 문제로 인해 그 사용이 점차 줄어들고 있다. 주요 용도는 다음과 같다.

• 전지: 2009년 기준으로 전체 카드뮴 사용량의 86%가 전지에 사용되었다. 특히 니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd 전지)는 널리 사용되었으나, EU의 규제로 인해 점차 니켈-수소 전지, 리튬이온 전지 등으로 대체되고 있다.^[36][37][38] 은-카드뮴 전지도 카드뮴을 사용하는 전지의 한 종류이다.
• 도금: 카드뮴은 전기도금을 통해 강철 부품의 부식을 방지하는 데 사용된다.^[39] 특히 항공기 산업에서 많이 사용되었으나,^[39] 수소취성 문제와 독성 문제로 인해 사용이 감소하고 있다. 티타늄 합금의 경우 카드뮴 도금으로 인한 취성 문제 때문에 사용이 금지되기도 했다.^[41]
• 안료: 카드뮴은 밝고 선명한 노란색, 주황색, 빨간색 안료를 만드는 데 사용된다. 카드뮴 옐로우(황색), 카드뮴 오렌지, 카드뮴 레드(적색) 등이 대표적이다.^[46] 이 안료들은 미술용 물감, 플라스틱 착색 등에 사용되었으나, 독성 문제로 인해 사용이 줄어들고 있다.
• 원자로 제어봉: 카드뮴은 중성자를 잘 흡수하는 성질이 있어 원자로의 제어봉 재료로 사용된다.^[39] 카드뮴 봉을 원자로 노심에 삽입하면 핵분열 반응 속도를 조절할 수 있다. 웨스팅하우스 전기 회사가 설계한 가압경수로에서는 은, 인듐, 카드뮴 합금이 사용된다.^[39]
• 합금: 카드뮴은 우드합금과 같이 녹는점이 낮은 합금을 만드는 데 사용된다.^[48] 낮은 마찰 계수와 높은 피로 저항성을 가지는 합금에도 사용되어 납땜 및 베어링 합금 재료로도 쓰인다.^[39]
• 반도체: 황화 카드뮴(CdS), 셀렌화 카드뮴(CdSe), 텔루르화 카드뮴(CdTe) 등은 반도체 재료로 사용되어 광검출기, 태양전지 등에 활용된다.^[45] 수은 카드뮴 텔루르화물(HgCdTe) 검출기는 중적외선을 감지하는 동작 감지기에 사용된다.^[39]
• 텔레비전: 과거 흑백 텔레비전 인광체 및 컬러 텔레비전 브라운관의 청색 및 녹색 인광체에 산화 카드뮴이 사용되었다.^[44] 일부 QLED TV 제조 과정에도 카드뮴이 사용된다.^[42]
• 기타: 헬륨-카드뮴 레이저는 청색 또는 자외선 레이저 광원으로, 형광 현미경 등에 사용된다.^[49][50] 셀레늄화 카드뮴 양자점은 형광 현미경에서 생체 조직 이미징에 사용된다.^[51] 분자생물학 연구에도 활용된다.^[52]

8. 화합물

카드뮴은 주로 +2가의 산화 상태를 가지며, 다양한 화합물을 형성한다. 하지만 드물게 불안정한 +1가(Cd₂²⁺) 상태를 취하는 경우도 있다. 10개의 전자로 채워져 있는 4d 오비탈의 전자를 잃는 산화 상태는 취하지 않는다.^[106]

염화물 및 황산염 등과의 염은 일반적으로 무색이며 수용성이다. 하지만 칼코겐과의 화합물은 유색인 경우가 많고, 물에 대해 매우 난용성이다.

• 산화 카드뮴(CdO): 공기 중에서 카드뮴을 연소시켰을 때 발생하는 갈색 분말이다. 물에 녹지 않으며 대부분의 다른 카드뮴 염을 생산하는 데 편리한 출발 물질로 사용된다. 흑백 텔레비전 인광체와 컬러 텔레비전 브라운관의 청색 및 녹색 인광체에 사용되었다.^[44]
• 황화 카드뮴(CdS): 카드뮴 옐로라고 하는 노란색 안료나, 빛이 많이 들어오면 저항이 작아지고 적게 들어오면 저항이 커지는 성질을 이용하여 빛의 유무를 파악하는 데 이용된다. 복사기 드럼의 광전도성 표면 코팅으로 사용된다.^[45]

  

• 황화아연카드뮴(ZnS•CdS): 카드뮴 옐로 중 색조가 옅은 것은 이 화합물을 주성분으로 한다.
• 셀렌화 카드뮴(CdSe): 암적색 결정. 적색 안료, 반도체 등에 사용된다.
• 황셀렌화카드뮴(CdS•CdSe): 적색 안료·카드뮴 레드로 사용된다.
• 텔루르화 카드뮴(CdTe): 흑색 결정. 반도체로 사용된다. 매우 안정적인 물질이다.

9. 생체 내 영향 및 독성

카드뮴은 인체에 흡수되면 여러 가지 건강 문제를 일으킬 수 있으며, 암, 심혈관 질환, 골다공증 위험 증가와 관련하여 연구되고 있다.^{[60][61][62][63]} 카드뮴 증기 흡입은 금속증기열, 폐렴, 폐부종을 유발할 수 있으며, 심하면 사망에 이를 수 있다.^[68]

카드뮴은 환경 오염 물질이기도 하다. 인간은 주로 화석 연료 연소, 인산 비료 사용, 철강 및 시멘트 생산, 도시 고형 폐기물 소각 등을 통해 카드뮴에 노출된다.^[1] 빵, 뿌리 채소, 야채 등도 카드뮴 공급원이 될 수 있다.^[69]

국제암연구소는 카드뮴과 카드뮴 화합물을 인체 발암성이 있는 것으로 분류했다.^[72] 직업적 노출은 폐암과 전립선암과 관련이 있으며,^[72] 식단을 통한 섭취는 자궁내막암, 유방암, 전립선암, 골다공증 위험 증가와 관련이 있다는 연구 결과가 있다.^{[73][74][75][76]} 최근 연구에 따르면 흡연 여성의 자궁내막 조직에서 카드뮴 수치가 더 높은 것으로 나타났다.^[77]

카드뮴 노출은 신장 질환,^[89] 조기 동맥경화증, 고혈압, 심혈관 질환과 관련이 있다.^[78] 카드뮴이 내분비교란물질로 작용하여 호르몬 신호 전달 경로에 영향을 줄 수 있다는 가설이 있다.^[79][80] 예를 들어, 카드뮴은 에스트로겐 수용체 알파에 결합하여^[79][80] 에스트로겐 및 MAPK 신호 전달 경로에 영향을 줄 수 있다.^[81][82][83]

담배는 카드뮴 노출의 주요 원인 중 하나이다. 담배 식물은 토양에서 카드뮴을 흡수하여 잎에 축적하며, 흡연 시 이러한 카드뮴이 체내에 흡수된다.^[84] 흡연자는 비흡연자보다 혈액 내 카드뮴 농도가 4~5배, 신장에서는 2~3배 높다.^[85] 비흡연자의 경우 음식, 특히 갑각류, 연체동물, 내장, 해조류 등이 주요 노출원이다.^[87]

아연, 구리, 칼슘, 철 이온과 비타민 C가 포함된 셀레늄은 카드뮴 중독 치료에 사용되지만, 쉽게 회복되지는 않는다.^[89]

9. 1. 개요

9. 2. 이타이이타이병

9. 3. 만성 독성

9. 4. 생체 방어 작용

10. 환경 오염

카드뮴은 아연 제련, 도금 공장, 폐기물 소각 등 다양한 산업 활동을 통해 환경으로 배출된다. Cd^영어는 토양, 물, 대기 등 다양한 환경 매체를 오염시키며, 먹이 사슬을 통해 생물체 내에 축적될 수 있다.^[64][65] 특히 토양 오염은 농작물 오염으로 이어져 인간의 건강에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.

과거 공해에 대한 관심이 낮았던 시대에는 아연 제련 과정에서 카드뮴이 환경에 방출되어 제련소 하류 지역의 토양에 축적되었다. 또한, 카드뮴을 사용하는 공장에서도 폐수를 통해 카드뮴이 환경에 방출되었다. 1970년 일본 통상산업성(현재의 경제산업성)의 조사에 따르면, 조사 대상 도금 및 전기 기기 공장 중 80%가 폐수 처리를 하지 않았고, 절반은 공장폐수 기준(당시 0.1ppm)을 초과한 카드뮴을 함유한 폐수를 방출했다.^[107]

토양에 축적된 카드뮴은 토양의 pH가 중성이나 알칼리성일 때는 잘 녹지 않아 식물에 흡수되기 어렵지만, 토양이 산성화되면 이온 형태로 녹아 나와 농작물에 흡수, 축적된다. 일본의 토양은 대부분 중성에서 산성이기 때문에 카드뮴이 녹아 나오기 쉬워 식품 오염에 취약하다. 일본인은 식사를 통해 하루 평균 26μg의 카드뮴을 섭취하는 것으로 추정된다.^[108]

일본에서는 쌀을 비롯한 식품에 카드뮴 함유 기준이 설정되어 있으며, 기준치를 초과하는 농작물은 판매가 금지된다. 식품위생법상 현미의 카드뮴 상한선은 1ppm이며, 이를 초과하면 소각 처리된다. 또한, 현미에서 0.4ppm 이상의 카드뮴이 검출되면 식용이 아닌 공업용으로 사용하도록 규정되어 있다.

세계 각국의 쌀 내 카드뮴 함유 기준은 다음과 같다.

2006년 코덱스위원회 총회에서 국제 기준은 정미 기준 0.4mg/kg으로 설정되었다. 일본의 지자체에서는 쌀 수출 및 향후 국내 기준 강화를 대비하여 카드뮴 흡수율이 낮은 품종 개발 및 추천품종으로의 전환을 추진하고 있다.^[111]

11. 식품 오염 및 규제

카드뮴은 식품을 통해 인체로 들어오는 주요 원인 중 하나이다. 특히 쌀, 곡류, 채소, 갑각류, 연체동물, 해조류 등에 카드뮴이 쌓이는 경향이 있다.^[87]

대한민국을 비롯한 여러 나라에서는 식품 속 카드뮴 함량 기준을 정해 관리하고 있다. 대한민국 식품의약품안전처는 현미의 카드뮴 함량 기준을 0.2ppm 이하로 규정하고, 이를 넘으면 판매를 금지한다.^[111] 국제식품규격위원회(Codex)는 정미 중 카드뮴 함량 국제 기준을 0.4ppm으로 정했다.^[111] 일본에서는 쌀의 카드뮴 함량 기준을 1ppm으로 규정하고, 0.4ppm 이상 검출되면 식용이 아닌 공업용으로 사용한다.^[111]

세계 각국의 쌀(현미) 카드뮴 함유 기준은 다음과 같다.

국립암센터의 연구에 따르면, 식품 속 카드뮴을 장기간 섭취하는 것과 암 발병 위험 사이에는 뚜렷한 관련이 없다.^[108][112]

12. 카드뮴 저감 노력

유럽에서는 카드뮴의 체내 축적을 막기 위해, 카드뮴을 포함하는 제품의 제조 및 수입에 대해 RoHS 지침으로 알려진 엄격한 제한을 두고 있다.^[1]

2001년, 소니 컴퓨터 엔터테인먼트(SCE)는 게임기 PS one의 주변기기에서 기준치를 초과하는 카드뮴이 검출되어 네덜란드 정부로부터 대응책을 요구받았다.^[2] 이는 배선의 붉은색 비닐 피복의 안료로 카드뮴 화합물이 사용되었던 것이 원인이며, SCE는 유럽 전역에서 100억엔이 넘는 비용을 들여 제품 회수와 대체품 교체를 강행해야 했다.^[2] 이 사건은 세계 전자 부품 제조업체에 큰 충격을 주었고, 산업 제품 생산 현장에서 카드뮴 사용 중단이 일어났다.^[2]

같은 시기에 시판되는 이차전지도, 음극에 수산화 카드뮴 Cd(OH)₂를 사용하는 니켈-카드뮴 전지(일명 니카드 전지)에서, 더 큰 용량을 가지면서 카드뮴을 사용하지 않는 니켈-수소 전지나 리튬이온전지로의 전환이 진행되고 있다.^[3]

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