황화 카드뮴

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1. 개요

황화 카드뮴(CdS)은 가용성 카드뮴 염을 황 이온으로 침전시켜 제조되는 화합물이다. 두 가지 결정 구조를 가지며, 띠 간격이 가시광선 파장에 근접하여 색을 띤다. 반도체, 광전지, 인광체, 압전 소자, 레이저 매질 등 다양한 분야에 응용되며, 특히 우수한 특성으로 인해 안료(카드뮴 옐로우)로 널리 사용된다. 황화 카드뮴은 독성이 있어 흡입 시 위험하며, 발암 물질로 분류된다.

황화 카드뮴 - [화학 물질]에 관한 문서

기본 정보

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하울리이트 구조의 3D 모델

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그리노카이트 구조의 3D 모델

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다른 이름	황화 카드뮴(II) 그리노카이트 하울리이트 카드뮴 옐로

식별자

ChemSpider ID	7969586
UNII	057EZR4Z7Q
ChEBI	50833
Gmelin	13655
InChI	1/Cd.S/q+2;-2
SMILES	[S-2].[Cd+2]
SMILES 설명	단량체
SMILES1	[SH+2]12[CdH2-2] [SH+2]3[CdH2-2] [SH+2]([CdH-2]14)[CdH-2]1[S+2]5([CdH-2]38)[Cd-2]26[SH+2]2[CdH-2]([S+2]4)[SH+2]1[CdH2-2] [SH+2]3[CdH-2]2[S+2] [CdH-2]([SH+2]6[CdH-2]([SH+2])[SH+2]68)[SH+2]([CdH2-2]6)[CdH-2]35
SMILES1 설명	하울리이트
SMILES2	[CdH2-2]1[S+2]47[CdH-2]2[S+2] [CdH-2]3[S+2]8([CdH2-2] [SH+2]([CdH2-2]4)[CdH2-2]6)[CdH-2]4[S+2] [CdH-2]5[S+2]6([CdH2-2]6)[Cd-2]78[S+2]78[CdH-2]([SH+2]69)[SH+2]5[CdH2-2] [SH+2]4[CdH-2]7[SH+2]3[CdH2-2] [SH+2]2[CdH-2]8[SH+2]1[CdH2-2]9
SMILES2 설명	그리노카이트
SMILES3	[CdH2-2]1[SH+2]([CdH2-2]6)[CdH2-2] [SH+2]7[CdH-2]2[S+2] [Cd-2]3([S+2] [CdH-2]9[S+2]5)[S+2]18[Cd-2]45[S+2] [CdH-2]5[SH+2]6[Cd-2]78[S+2]78[CdH2-2] [SH+2]5[CdH2-2] [S+2]4([CdH2-2] [SH+2]9[CdH2-2]4)[CdH-2]7[S+2]34[CdH2-2] [SH+2]2[CdH2-2]8
SMILES3 설명	그리노카이트
InChIKey	FRLJSGOEGLARCA-UHFFFAOYAL
표준 InChI	1S/Cd.S/q+2;-2
표준 InChIKey	FRLJSGOEGLARCA-UHFFFAOYSA-N
CAS 등록번호	1306-23-6
EINECS	215-147-8
RTECS	EV3150000
UN 번호	2570
PubChem	14783

성질

화학식	CdS
겉모습	황색-오렌지색 내지 갈색 고체
밀도	4.826 g/cm³, 고체
용해도	불용성
다른 용해도	산에 용해됨, 수산화 암모늄에 매우 약간 용해됨
녹는점	1750 °C
녹는점 참고	10 MPa
끓는점	980 °C
끓는점 참고	(승화)
밴드갭	2.42 eV
굴절률	2.529
자기 감수율	-50.0·10⁻⁶ cm³/mol

구조

결정 구조	육방정계, 입방정계

열화학

생성 엔탈피	−162 kJ·mol⁻¹
엔트로피	65 J·mol⁻¹·K⁻¹

위험성

외부 SDS	ICSC 0404
GHS 그림 문자
GHS 신호어	위험
H 문구
P 문구
NFPA-H	3
NFPA-F	0
NFPA-R	0
인화점	불연성
LD50	7080 mg/kg (쥐, 경구)
REL	Ca
PEL	[1910.1027] TWA 0.005 mg/m³ (Cd로서)
IDLH	Ca [9 mg/m³ (Cd로서)]

다른 음이온	산화 카드뮴 셀렌화 카드뮴 텔루르화 카드뮴
다른 양이온	황화 아연 황화 수은

2. 생성

황화 카드뮴은 가용성 카드뮴(II) 염을 황 이온으로 침전시켜 제조할 수 있다. 이 반응은 정성 무기 분석에 사용되었다. 제조 경로와 그 후의 생성물 처리 방식은 생성되는 다형체 형태(입방형 대 육방형)에 영향을 미친다. 화학적 침전 방법은 입방형 섬아연광 형태를 생성하는 것으로 알려져 있다.

안료 생산에는 일반적으로 CdS 침전, 가용성 카드뮴 염을 제거하기 위한 고체 침전물 세척, 육방형으로 전환하기 위한 소성(로스팅), 분말 생산을 위한 분쇄가 포함된다. 황화 카드뮴 셀레늄이 필요한 경우 CdSe를 CdS와 함께 공침전시켜 소성 단계에서 황화 카드뮴 셀레늄을 생성한다.

황화 카드뮴은 때때로 황산염 환원 세균과 관련이 있다.

2.1. 화학 반응식

Cd²⁺ + 4 NH₃ → [Cd(NH₃)₄]²⁺
(NH₂)₂CS + OH⁻ → SH⁻ + H₂O + H₂CN₂
SH⁻ + Cd²⁺ → CdS + H⁺
Cd²⁺ + H₂O + (NH₂)₂CS + 2 NH₃ → CdS + (NH₂)₂CO + 2 NH₄⁺
Cd(CH₃)₂ + Et₂S → CdS + CH₃CH₃ + C₄H₁₀

2.2. 박막 제조 방법

화학적 용액 증착법에서는 티오요소를 황화물 음이온의 공급원으로, 암모늄 완충 용액을 pH 조절을 위해 사용하여 CdS 박막을 제조했다.

:Cd²⁺ + H₂O + (NH₂)₂CS + 2 NH₃ → CdS + (NH₂)₂CO + 2 NH₄⁺

유기금속 화학 기상 증착법 및 MOCVD 기술을 사용하여 디메틸카드뮴과 디에틸 황화물의 반응으로 황화 카드뮴을 생성할 수 있다.

:Cd(CH₃)₂ + Et₂S → CdS + CH₃CH₃ + C₄H₁₀

CdS 박막을 제조하는 다른 방법은 다음과 같다.

* 졸-겔법
* 스퍼터링
* 전기화학적 증착
* 전구체 카드뮴 염, 황 화합물 및 도펀트를 사용한 분무
* 분산된 CdS를 포함하는 슬러리를 사용한 스크린 인쇄

3. 성질

황화 카드뮴은 산에 녹는다.

:CdS + 2 HCl → CdCl₂ + H₂S

황화물을 포함하며 분산된 CdS 입자가 있는 용액에 빛을 쪼이면 수소 기체가 발생한다.

:H₂S → H₂ + S Δ_fH = +9.4 kcal/mol

이 반응의 메커니즘에서, 입사광이 황화 카드뮴에 흡수되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 물 및 황화물과 반응한다.

:전자-정공 쌍 생성
::CdS + hν → e⁻ + h⁺
:전자 반응
::2e⁻ + 2H₂O → H₂ + 2OH⁻
:정공 반응
::2h⁺ + S²⁻ → S

3.1. 구조 및 물리적 성질

황화 카드뮴은 황화 아연과 유사하게 두 가지 결정 형태를 갖는다. 더 안정적인 육방정계 섬아연석 구조(광물 그리녹석에서 발견됨)와 입방정계 섬아연석 구조(광물 호울레이트에서 발견됨)이다. 이 두 형태 모두에서 카드뮴과 황 원자는 4배위이다. 고압 형태로는 NaCl 암염 구조도 있다.

황화 카드뮴은 직접 띠 간격 반도체이다(띠 간격 2.42 eV). 띠 간격이 가시광선 파장에 근접해 있기 때문에 색깔을 띤다. 이러한 명백한 특성 외에도 다음과 같은 특성이 있다.

* 조사 시 전도도가 증가한다. (광저항으로 사용되는 이유)
* p형 반도체와 결합하면 광전지(태양 전지)의 핵심 구성 요소를 형성하며, CdS/Cu₂S 태양 전지는 효율적인 전지 중 하나로 처음 보고된 것 중 하나이다(1954).
* Cu⁺(활성제) 및 Al³⁺("공활성제")로 도핑되면 전자빔 여기( 음극선발광) 하에 발광하며 인광체로 사용된다.
* 두 가지 다형질이성체 모두 압전성을 가지며, 육방정계는 압전성도 있다.
* 전기발광
* CdS 결정은 고체 레이저의 이득 매질 역할을 할 수 있다.
* 박막 형태의 CdS는 다른 층과 결합하여 특정 유형의 태양 전지에 사용될 수 있다. CdS는 또한 박막 트랜지스터(TFT)에 사용된 최초의 반도체 재료 중 하나였다.
* CdS 박막은 압전성을 가질 수 있으며 GHz 영역의 주파수에서 작동할 수 있는 트랜스듀서로 사용되어 왔다.
* CdS 나노리본은 ~510 nm에서 반스톡스 발광 중 포논 소멸로 인해 순냉각을 보인다.

3.2. 화학적 성질

황화 카드뮴은 산에 녹는다.
:CdS + 2 HCl → CdCl₂ + H₂S

황화물을 포함하고 분산된 CdS 입자가 있는 용액에 빛을 쪼이면 수소 기체가 발생한다.
:H₂S → H₂ + S Δ_fH = +9.4 kcal/mol

제안된 메커니즘은 입사광이 황화 카드뮴에 흡수될 때 생성되는 전자-정공 쌍이 물과 황화물과 반응하는 것을 포함한다.

:전자-정공 쌍의 생성(전자-정공 쌍)
::CdS + hν → e⁻ + h⁺
:전자의 반응
::2e⁻ + 2H₂O → H₂ + 2OH⁻
:정공의 반응
::2h⁺ + S²⁻ → S

4. 응용

황화 카드뮴은 카드뮴 옐로우(CI 안료 옐로우 37)로 알려진 안료로 널리 사용되며, 플라스틱에서 안정성, 내광성, 내후성, 내화학성 및 높은 불투명도를 제공한다. 1982년 기준으로 연간 2000ton이 생산되었으며, 이는 상업적으로 처리되는 카드뮴의 약 25%를 차지한다. 셀렌화 카드뮴과의 고용액을 통해 붉은색 계열의 안료(CI 안료 오렌지 20, CI 안료 레드 108)를 생성할 수 있다.

또한, 황화 카드뮴 박막은 광저항 및 태양 전지의 구성 요소로 활용된다. 1954년에 보고된 CdS/Cu₂S 태양 전지는 초기 효율적인 전지 중 하나였다. 박막 트랜지스터(TFT)에 사용된 최초의 반도체 재료 중 하나였으나, 1970년대 후반 비정질 실리콘 기술 등장 이후 관심이 줄었다.

그 외에도 황화 카드뮴은 다음과 같이 응용된다.

* 광저항
* p형 반도체와 결합하여 광전지(태양 전지)의 핵심 구성 요소 형성
* 활성제(Cu⁺) 및 도핑된 공활성제(Al³⁺)는 인광체로 사용
* 다형질이성체는 압전성을 가짐
* 전기발광
* 고체 레이저의 이득 매질
* CdS 나노리본은 순냉각 효과

카드뮴 옐로우는 1840년대부터 상업적으로 판매되었으며, 반 고흐, 모네, 마티스 등의 화가들이 사용했다. 19세기 이전에 제작되었다고 주장되는 그림의 위작 여부는 카드뮴 안료의 존재로 감지할 수 있다.

4.1. 안료

CdS는 플라스틱에서 안료로 사용되며, 우수한 열 안정성, 내광성 및 내후성, 내화학성, 높은 불투명도를 나타낸다. 안료로서 CdS는 카드뮴 옐로우(CI 안료 옐로우 37)로 알려져 있다. 1982년 기준으로 연간 약 2000ton이 생산되었으며, 이는 상업적으로 처리되는 카드뮴의 약 25%를 차지한다.

CdS(황화 카드뮴)와 CdSe(셀렌화 카드뮴)는 서로 고용액을 형성한다. 셀렌화 카드뮴의 양을 늘리면, CI 안료 오렌지 20과 CI 안료 레드 108처럼 붉은색 계열의 안료가 된다.

4.2. 광전자 소자

CdS 박막은 일부 광저항 및 태양 전지의 구성 요소로 사용된다. 1954년에 처음 보고된 효율적인 전지 중 하나는 CdS/Cu₂S 태양 전지이다.

CdS는 박막 트랜지스터(TFT)에 사용된 최초의 반도체 재료 중 하나였지만, 1970년대 후반 비정질 실리콘 기술이 등장한 후 TFT용 화합물 반도체에 대한 관심은 크게 줄었다.

CdS 박막은 압전성을 가질 수 있으며 GHz 영역의 주파수에서 작동할 수 있는 트랜스듀서로 사용되어 왔다. CdS 나노리본은 ~510 nm에서 반스톡스 발광 중 포논 소멸로 인해 순냉각을 보인다. 결과적으로 나노리본을 514 또는 532 nm 레이저로 펌핑할 때 최대 40K 및 15K의 온도 강하가 입증되었다.

4.3. 기타 응용

* 광저항으로 사용된다.(조사 시 전도도가 증가)
* p형 반도체와 결합하면 광전지(태양 전지)의 핵심 구성 요소를 형성하며, CdS/Cu₂S 태양 전지는 효율적인 전지 중 하나로 처음 보고된 것 중 하나이다(1954).
* 활성제(Cu⁺) 및 도핑된 공활성제(Al³⁺)는 전자빔 여기(음극선발광) 하에 발광하며 인광체로 사용된다.
* 두 가지 다형질이성체 모두 압전성을 가지며, 육방정계는 압전성도 있다.
* 전기발광
* CdS 결정은 고체 레이저의 이득 매질 역할을 할 수 있다.
* 박막 형태의 CdS는 다른 층과 결합하여 특정 유형의 태양 전지에 사용될 수 있다. CdS는 또한 박막 트랜지스터(TFT)에 사용된 최초의 반도체 재료 중 하나였다. 그러나 1970년대 후반 비정질 실리콘 기술이 등장한 후 TFT용 화합물 반도체에 대한 관심은 크게 줄었다.
* CdS 박막은 압전성을 가질 수 있으며 GHz 영역의 주파수에서 작동할 수 있는 트랜스듀서로 사용되어 왔다.
* CdS 나노리본은 ~510 nm에서 반스톡스 발광 중 포논 소멸로 인해 순냉각을 보인다. 결과적으로 나노리본을 514 또는 532 nm 레이저로 펌핑할 때 최대 40K 및 15K의 온도 강하가 입증되었다.

4.4. 과거 예술 분야에서의 활용

카드뮴 옐로우(CI 안료 옐로우 37)는 CdS를 포함하는 안료로, 1840년대부터 상업적으로 판매되기 시작했다. 반 고흐, 모네(런던 시리즈 및 다른 작품들), 마티스(강가의 목욕하는 사람들 1916~1919) 등의 화가들이 황화 카드뮴을 사용했다. 19세기 이전에 제작되었다고 주장되는 그림의 위작 여부는 카드뮴 안료의 존재로 감지할 수 있다.

5. 안전성

황화 카드뮴은 독성이 있으며, 특히 먼지 형태로 흡입될 경우 매우 위험하다. 일반적으로 카드뮴 화합물은 발암성 물질로 분류된다. 황화 카드뮴이 문신의 색소로 사용될 때 생체 적합성 문제가 보고되었다. 쥐에 대한 LD₅₀은 약 7080mg/kg으로, 낮은 용해도 때문에 다른 카드뮴 화합물보다 높다.