카본 블랙

3. 제조 방법

카본 블랙은 퍼니스법, 채널법, 아세틸렌법, 써멀법 등 다양한 방법으로 제조된다.^[1]

3. 1. 퍼니스법 (Furnace Black)

3. 2. 채널법 (Channel Black)

3. 3. 아세틸렌법 (Acetylene Black)

4. 종류

화학 업계에서는 '''카본 블랙'''을 속칭으로 사용하기도 한다. 일반적으로 카본 블랙은 석탄을 건류할 때 부산물로 얻어지는 크레오소트유, 석유 정제 등에서 부산물로 얻어지는 중질 방향족유 등의 기름이나 가스를 불완전 연소시켜 얻거나, 아세틸렌 등과 같은 탄화수소를 열분해하여 제조한다. 불완전 연소로 생기는 탄소의 미립자가 카본 블랙이며, 넓은 의미의 그을음은 보통 공업적으로 품질 관리를 거치지 않은 부산물을 가리킨다. 그러나 전통적인 방식으로 만들어지는 먹의 재료인 그을음은 품질 관리를 거쳐 만들어지므로 카본 블랙의 일종으로 간주된다.^[31]

카본 블랙은 입자 직경(입자의 크기), 구조(입자의 연결), 표면 성상(작용기)에 따라 특성이 크게 달라지며, 제조 방법에 따라 이러한 특성들을 어느 정도 제어할 수 있다. 또한, 흑색도나 도료와의 친화성을 변화시키거나, 전도성을 부여할 수도 있다.^[31]

카본 블랙은 경도에 따라 하드 카본과 소프트 카본으로, 흑색 안료로 사용되는 경우 컬러용 카본으로 분류된다.

4. 1. 경도에 따른 분류

4. 2. 기타 분류

5. 용도

카본 블랙은 천연 가스나 타르를 연소시켜 공업적으로 생산되는 물질이다. 주로 고무 제품의 강화제나 프린터 잉크의 원료로 사용된다.^[4][5]

카본 블랙의 70%는 자동차 타이어의 안료 및 강화제로 사용되며, 타이어의 트레드와 벨트 부분에서 열을 발산시켜 손상을 줄이고 수명을 늘린다. 약 20%는 벨트, 호스 등 비타이어 고무 제품에, 나머지 10%는 잉크, 코팅, 플라스틱 안료 및 리튬이온 배터리 전도성 첨가제로 쓰인다.^[5]

자외선을 흡수하여 재료 분해를 막는 성질 덕분에 폴리프로필렌에 첨가되기도 한다. 또한, 일부 전파 흡수 물질, 복사기 및 레이저 프린터 토너, 잉크, 페인트 등에도 사용된다. 전자 제품에서는 플라스틱, 엘라스토머, 필름, 접착제, 페인트 등에 혼합되어 충전재 역할을 하며,^[6] 자동차 연료 캡과 파이프의 정전기 방지 첨가제로도 쓰인다.

식물성 카본 블랙은 식품 착색료로 사용되며, 유럽에서는 '''E153''', 호주와 뉴질랜드에서는 '''153'''으로 승인되었다.^[7] (단, 미국에서는 금지^[8]) 흑색 색소인 카본 블랙은 식품 및 음료 포장에도 널리 사용된다.

화학 업계에서는 '''카본 블랙(カーボンブラック)'''이라는 명칭을 사용한다. 석탄 건류 시 부산물인 크레오소트유, 석유 정제 부산물인 중질 방향족유 등을 불완전 연소시키거나, 아세틸렌 같은 탄화수소를 열분해하여 제조한다.

입자 직경, 구조, 표면 성상에 따라 특성이 달라지며 제조법으로 제어 가능하다. 흑색도, 도료와의 친화성, 전도성 등을 조절할 수 있다.

고무와의 친화성이 좋아 고무 제품 보강재로 90% 이상 사용된다.^[30][31]

주로 흑색 분말 형태이나, 공업용으로는 플라스틱/고무와 혼합한 마스터 배치나 물 등에 콜로이드 형태로 분산시킨 액상 제품도 있다. 분말은 자루나 탱크로리로 운송된다.

5. 1. 주요 용도

• '''고무 제품 보강제:''' 타이어, 벨트, 고무 시트, 완충재, 방현재, 기계 부품 등 고무 제품의 강도와 내마모성을 향상시킨다. 특히 자동차 타이어의 트레드와 벨트 영역에서 열을 발산시켜 열 손상을 줄이고 수명을 연장하는 데 사용된다. 카본 블랙은 순수 가황된 스티렌-부타디엔 고무의 인장 강도와 내마모성을 크게 향상시킨다. 항공우주 산업에서는 엔진 마운트와 같은 항공기 진동 제어 부품의 엘라스토머에도 사용된다. 전체 카본 블랙 수요의 약 90%를 차지하며, 그 중 타이어에 사용되는 양이 약 70%이다.^[30][31]

• '''흑색 안료:''' 도료, 인쇄잉크, 먹물, 착색 안료 등 (컬러용 카본)에 사용된다.^[32] 액체 중에 분산시키거나 플라스틱과 직접 혼합하여^[33] 착색하는 데 사용된다. 카본 블랙은 높은 착색력과 안정성을 가지며, 수지와 필름 착색에도 사용된다. 정전 복사기의 토너에도 착색 플라스틱을 분쇄하여 미립화한 형태로 사용된다.
• '''기타:'''
• '''전도성 부여제''': 도전성 고무를 포함하는 전자 부품의 성형 재료에 첨가하거나, 건전지에 사용된다. 카본 블랙은 우수한 전기 전도체로, 플라스틱, 엘라스토머, 필름, 접착제 및 페인트에 혼합된 충전제로 사용된다. 자동차 연료 캡과 파이프의 정전기 방지 첨가제로도 사용된다.
• '''자외선 흡수제''': 전선의 피복재와 같이 합성수지에 배합하여 사용된다. 폴리프로필렌에 첨가되어 자외선을 흡수, 재료 분해를 막는다.
• '''식품 착색료''': 식물성 카본 블랙은 식품 착색제로 사용되며, 유럽에서는 첨가물 '''E153'''으로 알려져 있다. 오스트랄라시아에서는 첨가물 '''153'''으로 사용이 승인되었다.^[7] 흑색 색소인 카본 블랙은 오랫동안 식품 및 음료 포장에 널리 사용되어 왔다.
• '''화장품 첨가제''': 마스카라나 아이라이너에 염료와 함께 사용된다.
• '''자기 기록 매체 첨가제''': 플로피 디스크 등에 사용된다.

5. 2. 기타 용도

• 전도성 부여제: 카본 블랙은 우수한 전기 전도성을 가지고 있어 플라스틱, 엘라스토머, 필름, 접착제 및 페인트에 혼합되어 전도성을 부여하는 충전제로 사용된다.^[6] 자동차 연료 캡과 파이프의 정전기 방지 첨가제로도 사용된다.^[6] 도전성 고무를 포함하는 전자 부품의 성형 재료나 건전지에도 첨가된다.^[30][31]
• 자외선 흡수제: 카본 블랙은 자외선을 흡수하는 성질이 있어, 전선 피복재와 같이 자외선에 노출되는 합성수지에 배합되어 재료의 분해를 막는 데 사용된다.^[33]
• 기타 용도:

6. 표면 화학

모든 카본 블랙은 제조 조건에 따라 표면에 다양한 산소 복합체(카르복실기, 퀴논기, 락톤기, 페놀기 등)가 화학적으로 흡착되어 있다.^[19] 이러한 표면 산소기는 휘발성 함량으로 불리며, 카본 블랙을 비전도성 물질로 만든다.

코팅 및 잉크 산업에서는 산으로 산화 처리된 카본 블랙을 선호한다. 제조 과정에서 고온 건조기에 산을 분무하여 블랙 표면에 화학적으로 결합된 산소의 양을 늘려 성능을 향상시킨다.

7. 리튬 이온 배터리 응용

카본 블랙은 입자 크기가 작고 비표면적이 커서 리튬 이온 배터리의 일반적인 도전성 첨가제이다. 카본 블랙은 음극이나 양극에 잘 분포될 수 있으며, 가격이 저렴하고 수명이 길다는 장점이 있다.^[5][20] 흑연과 달리, 카본 블랙은 더 멀리 떨어진 결정 격자로 구성되어 리튬 저장을 위한 더 많은 경로를 허용하므로 Li⁺ 삽입을 촉진한다.^[20]

카본 블랙은 밀도가 낮아 많은 양을 분산시킬 수 있으므로 배터리 전체에 걸쳐 도전 효과가 고르게 적용된다.^[21][22] 또한, 무작위로 분포된 흑연과 유사한 결정의 배열은 흑연으로의 리튬 삽입의 잠재적 장벽을 감소시키기 때문에 배터리 안정성을 향상시키며, 이는 궁극적으로 양극의 성능에 영향을 미친다.^[20]

카본 블랙은 가볍고 배터리 전체에 잘 분산되어 배터리의 도전 성능을 높이지만, 산소를 포함하는 친수성 작용기가 포함되어 배터리에서 부반응이 발생하고 전해질이 분해될 수 있다. 카본 블랙의 흑연화(가열)는 친수성 작용기를 열적으로 분해하여 배터리의 수명을 연장할 수 있으며, 이는 카본 블랙의 도전성을 유지하면서 친수성 작용기가 배터리에 가할 수 있는 손상을 완화한다.

강한 흑연화, 약한 흑연화, 흑연화 없이 생성된 반쪽 전지를 비교했을 때, 강한 흑연화로 생성된 전지가 320회의 안정적인 수명을 보였고, 약한 흑연화 전지는 200회, 흑연화되지 않은 전지는 160회의 안정적인 수명을 보였다.^[5]

8. 생산

카본 블랙은 2006년부터 중국이 생산량과 생산 능력 모두 세계 1위를 차지하고 있다.^[35][36]

8. 1. 세계 생산 현황

8. 2. 대한민국 생산 업체

일본의 카본 블랙 생산업체는 다음과 같다.

9. 안전성 및 규제

국제암연구기관(IARC)은 카본 블랙을 "인간에게 발암 가능성이 있는 물질(그룹 2B)"로 분류한다. 동물 실험에서는 발암성이 확인되었으나, 인체 역학 연구에서는 일관된 결과가 나오지 않았다. 카본 블랙은 순수한 탄소 분자가 아닌, 표면에 다양한 관능기가 있어 발암성을 가질 가능성이 있다.^[39]

미국 산업 안전 보건청(OSHA)은 작업장 내 카본 블랙 노출 허용 한도를 8시간 근무 기준 3.5 mg/m³으로 설정했다. 미국 국립 직업 안전 보건 연구소(NIOSH) 역시 동일한 권고 노출 한계(REL)를 제시하며, 1750 mg/m³ 농도는 생명 및 건강에 즉각적으로 위험한 수준으로 간주한다.^[28]

탄소 검정 제조 பணிய자들은 원료 형태의 탄소 검정을 흡입하지 않도록 엄격한 지침을 준수해야 하며,^[26] 호흡기 개인 보호 장비 사용이 권장된다. 사용되는 탄소 검정의 농도에 따라 적절한 보호 장비 종류가 달라진다.^[27]

대한민국에서는 산업안전보건법에 따라 분진질환 예방 규칙을 준수해야 한다.

9. 1. 발암성

9. 2. 산업 안전

참조

_[1] GESTIS
_[2] 웹사이트 Market Study: Carbon Black http://www.ceresana.[...] Ceresana 2013-04-26
_[3] 논문 Identification of Research Needs to Resolve the Carcinogenicity of High-priority IARC Carcinogens http://monographs.ia[...] 2012-08-30
_[4] 논문 Electrochemical properties of Super P carbon black as an anode active material for lithium-ion batteries https://www.scienced[...] 2011-11-01
_[5] 논문 Influence of Thermal Treated Carbon Black Conductive Additive on the Performance of High Voltage Spinel Cr-Doped LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 Composite Cathode Electrode https://iopscience.i[...] 2015
_[6] 웹사이트 Application Examples of carbon black http://www.carbonbla[...] Mitsubishi Chemical 2013-01-14
_[7] 웹사이트 Standard 1.2.4 – Labelling of ingredients http://www.comlaw.go[...] 2011-10-27
_[8] 웹사이트 Color Additive Status List https://www.fda.gov/[...] 2011-10-27
_[9] 웹사이트 Draft Screening Assessment for the Challenge http://www.ec.gc.ca/[...] 2013-01-14
_[10] 웹사이트 Australia New Zealand Food Standards Code http://www.foodstand[...] 2013-01-14
_[11] 웹사이트 What is carbon black http://www.carbon-bl[...] International carbon black Association 2009-04-14
_[12] 논문 Is Carbon Black a Suitable Model Colloidal Substrate for Diesel Soot? 2015-09-29
_[13] 웹사이트 Experimental and kinetic study of the interaction of a commercial soot toward NO at high temperature http://www.combustio[...] 2012-04-25
_[14] 간행물 Carbon Black - A Global Market Overview Industry Experts Report
_[15] 서적 Pigments based on Carbon
_[16] 웹사이트 Bone black http://colourlex.com[...]
_[17] 서적 Art in the Making: Impressionism National Gallery Publications
_[18] 웹사이트 Édouard Manet, 'Music in the Tuileries Gardens' http://colourlex.com[...]
_[19] 논문 Graphitized carbons for solid-phase extraction 2000-07
_[20] 논문 Using carbon black to facilitate fast charging in lithium-ion batteries https://www.scienced[...] 2021-10-01
_[21] 논문 Analysis of the Interphase on Carbon Black Formed in High Voltage Batteries 2015
_[22] 논문 The role of carbon black distribution in cathodes for Li ion batteries https://www.scienced[...] 2003-06-01
_[23] 논문 A "lugged" analysis of lung cancer risks in UK carbon black production workers, 1951–2004
_[24] 논문 Research recommendations for selected IARC-classified agents
_[25] 논문 Carbon black and lung cancer: Testing a new exposure metric in a German cohort
_[26] 웹사이트 Occupational Safety and Health Guidelines for carbon black: Potential Human Carcinogen, Centres of Disease Control and Prevention, National Institute for Occupational Safety and Health https://www.cdc.gov/[...] 2013-01-14
_[27] 웹사이트 Occupational Safety and Health Guideline for Carbon Black: Potential Human Carcinogen https://www.cdc.gov/[...] Centers of Disease Control and Prevention, National Institute for Occupational Safety and Health 2013-01-11
_[28] 웹사이트 CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Carbon black https://www.cdc.gov/[...] 2015-11-27
_[29] 웹사이트 IUPAC Gold Book - carbon black http://goldbook.iupa[...]
_[30] 문서 カーボンブラック協会の統計では、2012年の日本国内需要の95.4％、カラー用が多い輸出向けを含めると92.9％。
_[31] 간행물 カーボンブラック　高度化ニーズ　技術力で対応 化学工業日報社 2013-05-30
_[32] 문서 Colour Index Generic Nameの略。カラーインデックスやen:Colour Index Internationalを参照。
_[33] 문서 均一に分散させるために予備的に高濃度でプラスチックやスチレンブタジエンゴムなどに混合したマスターバッチを使う場合もある。
_[34] 간행물 ASTM D 1765 Standard Classification System for Carbon Blacks Used in Rubber Products ASTM
_[35] 간행물 カーボンブラック年鑑2013 カーボンブラック協会
_[36] 간행물 2012年全球十大炭黒生産国産能排行榜 北京橡膠工業研究設計院
_[37] 웹사이트 経済産業省生産動態統計年報　化学工業統計編 https://www.meti.go.[...]
_[38] 간행물 変革期迎えるカーボンブラック 化学工業日報社 2014-05-29
_[39] 논문 Identification of Research Needs to Resolve the Carcinogenicity of High-priority IARC Carcinogens http://monographs.ia[...] 2012-08-30
_[40] GESTIS
_[41] 웹인용 ICBA : What is Carbon Black http://www.carbon-bl[...] 2009-08-12