녹
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1. 개요
녹은 철 또는 철을 함유한 합금의 산화로 인해 발생하는 현상을 통칭하는 용어이다. 철이 산소와 습기에 장기간 노출되면 산화물과 수산화물의 복합체를 형성하며, 이를 녹이라고 부른다. 녹은 철 금속의 부식, 구조적 약화, 그리고 경제적 손실을 초래하며, 염화물 이온과 같은 요인에 의해 가속화될 수 있다. 녹을 예방하기 위해 코팅, 합금, 음극 방식 보호 등의 방법이 사용되며, 이미 발생한 녹은 화학적 처리나 전기 분해를 통해 제거할 수 있다. 녹은 문화적 상징으로도 사용되며, 쇠퇴, 방치, 부패 등을 나타내기도 한다.
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| 녹 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 일반 정보 | |
| 화학식 | Fe₂O₃ |
| 몰 질량 | 159.69 g/mol |
| CAS 등록 번호 | 1309-37-1 |
| 화학 구조 | [[파일:Iron(III)-oxide-3D-balls.png|200px]] |
| 다른 이름 | 산화철(III) 적철광 녹 |
| 성질 | |
| 밀도 | 5.24 g/cm³ |
| 녹는점 | 1565 °C |
| 끓는점 | 분해 |
| 관련 화합물 | |
| 철 관련 화합물 | 산화철(II) (FeO) 산화철(II,III) (Fe₃O₄) |
| 용도 및 발생 | |
| 주요 용도 | 철강 부식 생성물 안료 연마제 촉매 자기 기록 매체 |
| 자연 발생 | 적철광 수산화철의 탈수 철의 부식 |
| 추가 정보 | |
| 녹 | 철의 부식 생성물 수산화 철과 철 산화물의 혼합물 |
| 백녹 | 아연 도금 표면에 생기는 흰색 부식 생성물 |
| 녹(일본어) | |
| 로마자 표기법 | sabi |
| 음독 | 쇼쿠 |
| 훈독 | 사비 |
| 일본어 뜻 | 금속 표면에 생기는 산화물 시대에 뒤떨어진 상태 |
| 녹(한국어) | |
| 설명 | 금속, 특히 철 표면에 산화 작용으로 생기는 붉은색 또는 갈색 물질 철이 산소나 수분과 반응하여 생성되는 산화철 |
| 방청 | |
| 방법 | 방청 |
2. 역사
용존 산소와 바다의 철이 반응하여 생성된 녹은 25억 년 전부터 22억 년 전 사이에 해저 아래로 가라앉아 호상철광층을 형성했다고 여겨진다. 그 후, 녹은 곧 해수면으로 철 금속을 상승시켰다. 이것들은 이후 철과 강철의 기초가 되어 산업혁명을 효과적으로 촉진했다.
녹은 철이나 철을 포함한 합금이 산소와 물(습기)에 장기간 노출될 때 발생하는 산화환원 반응의 결과물이다.[4] 이 화학 반응 과정에서 철은 전자를 잃고 산화되며, 산소는 전자를 얻어 환원된다.
3. 화학 반응
물은 이 반응이 일어나도록 돕는 핵심적인 촉매 역할을 한다. 철이나 강철 구조물 표면의 미세한 틈으로 물 분자가 침투하여 반응을 촉진하며, 물 속 수소 원자는 다른 원소와 결합하여 산을 형성함으로써 금속 노출을 증가시킬 수 있다.
또한, 바닷물 등에 포함된 염화물 이온(Cl−)과 같은 불순물은 부식 속도를 더욱 빠르게 만드는 요인이 된다. 염화물 이온은 철 표면의 보호막을 파괴하고 철의 산화를 촉진하여 부식을 가속화시킨다.
3. 1. 철의 산화
철이 물과 산소에 접촉하면 녹이 슨다.[5] 녹은 철 또는 철을 함유한 일부 합금이 장기간 산소와 습기(물)에 노출될 때 발생하는 철의 산화물과 수산화물 복합체를 통칭하는 일반적인 이름이다.[4] 시간이 지남에 따라 산소는 철과 결합하여 녹이라는 새로운 화합물을 형성하는데, 이 과정을 부식이라고 한다. 부식은 철에서 특히 발생하는 산화 반응의 일종으로, 다른 금속도 유사한 산화를 통해 부식될 수 있지만 그 결과물을 일반적으로 녹이라고 부르지는 않는다. "녹"과 "녹슬다"라는 용어는 주로 철과 그 합금의 산화 결과물을 지칭한다.
부식 과정의 주요 촉매는 물이다. 철이나 강철 구조물은 단단해 보이지만, 물 분자는 노출된 금속의 미세한 구멍과 균열을 침투할 수 있다. 물 분자에 있는 수소 원자는 다른 원소와 결합하여 산을 형성할 수 있으며, 이는 결국 더 많은 금속 표면을 노출시킨다. 한편, 산소 원자는 금속 원자와 결합하여 파괴적인 산화물 화합물(녹)을 형성한다. 이 철 화합물들은 부서지기 쉬우며 원래의 강한 금속 철을 대체하여 물체의 강도를 떨어뜨린다. 순수한 물이나 건조한 산소 환경에서는 철 금속이 비교적 영향을 덜 받는데, 이는 알루미늄과 같이 철 표면에도 단단히 부착된 산화물 코팅, 즉 부동태층이 형성되어 내부 철의 추가 산화를 어느 정도 방지하기 때문이다. 그러나 이 부동태층이 녹으로 변하는 것은 일반적으로 산소와 물이 함께 작용할 때 일어난다.
녹은 전기화학적인 산화환원 반응에 의해 철 표면의 원자가 전자(e−)를 잃고 이온화되면서 진행된다. 녹 발생 여부는 전위와 pH에 따라 달라진다. 철 표면에서 다음과 같은 반응이 일어난다.
생성된 철 이온(Fe2+)과 수산화 이온(OH−)은 결합하여 수산화 철(II)(Fe(OH)2)을 형성한다.
이 수산화 철(II)는 공기 중의 산소에 의해 더 산화되어 철(III)의 수산화물 또는 산화물 수화물(흔히 '적녹'이라고 불림)로 변한다. 이는 주로 수산화 산화 철(III)(FeO(OH)) 또는 수화된 산화 철(III)(Fe2O3·nH2O) 형태로 존재한다.
또한, 철 이온(Fe2+)이 직접 공기 중에서 산화되어 철 이온(Fe3+)이 되고, 이것이 물과 반응(가수분해)하여 수산화물을 형성하기도 한다.
상황에 따라 철(II) 이온과 철(III) 이온이 함께 침전하여 사산화 삼철(Fe3O4)을 형성하기도 하는데, 이는 '흑녹'의 주성분이 된다.
일반적으로 '적녹'은 수화된 산화 철(III) 입자들이 엉성하게 뭉친 막으로, 아래의 철을 보호하지 못해 부식이 계속 진행된다. 반면, 특정 조건에서 형성되는 치밀한 산화물 피막은 부식에 대한 보호층 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 철을 진한 질산에 담그면 표면에 치밀한 산화 철(III) 층이 생겨 부식 속도가 느려지는 부동태 상태가 된다. 이러한 부동태 피막의 보호 작용을 이용한 강철로는 내후성강이나 스테인리스강이 있다. '흑녹'의 경우, 물 환경에서 자연적으로 형성된 것은 보호 효과가 적지만, 고온 및 산소 부족 조건에서 인공적으로 철 표면에 형성시킨 흑녹층은 치밀한 피막이 되어 방식(녹 방지) 방법으로 사용된다.
바닷물이나 소금물보라와 같이 염화물(소금)이 존재하는 환경에서는 화학 반응이 촉진되어 철이 더 빨리 녹슨다. 이는 염화물 이온(Cl−)이 철의 부동태 피막을 파괴하는 국부 부식을 유발하기 때문이다. 염화물 이온은 철 이온과 결합하여 안정화시키므로 철의 산화환원 전위를 낮춰 더 쉽게 산화되도록 만들고, 산화 철의 물에 대한 용해도를 증가시켜 부동태 피막을 파괴하고 보호 기능을 무력화시킨다.
물 속의 이산화 황이나 이산화 탄소 같은 다른 물질도 부식을 유발할 수 있다. 이러한 조건에서는 수산화 철 종류가 형성되는데, 이 수산화물은 산화 철과 달리 벌크 금속에 잘 달라붙지 않는다. 따라서 수산화물이 형성되어 표면에서 떨어져 나가면 새로운 철이 노출되고, 시스템 내의 모든 철이 소모되거나 부식을 유발하는 물질(산소, 물, 이산화탄소, 이산화황 등)이 제거될 때까지 부식 과정이 계속된다.[6]
철이 녹슬면 생성되는 산화물은 원래 금속보다 더 큰 부피를 차지한다. 이 팽창은 상당한 힘을 발생시켜 철로 만들어진 구조물에 손상을 줄 수 있다.
3. 2. 관련 반응
철의 부식은 전기화학적 과정으로, 철(Fe)이 환원제 역할을 하여 전자(e−)를 내놓고 산소(O2)가 산화제 역할을 하여 전자를 얻으면서 시작된다.[7] 이 과정은 물(H2O)의 영향을 받으며, 전해질(예: 도로 염)에 의해 가속된다.
부식의 핵심 반응은 다음과 같다.
생성된 수산화 이온(OH−)은 철(II) 이온(Fe2+)과 반응하여 수산화 철(II)(Fe(OH)2)를 형성한다.
이 과정은 산의 존재, 즉 낮은 pH 조건에서 산소 환원 반응이 촉진되므로 가속된다.
이후 물과 산소가 존재하는 환경에서 다음과 같은 추가적인 산화환원 반응, 산-염기 반응, 탈수 반응이 복합적으로 일어나 최종적인 녹 생성물이 형성된다.
이러한 반응들을 통해 생성되는 녹의 최종 형태는 주변 환경 조건, 특히 물과 산소의 양에 따라 달라진다. 용존 산소가 부족하면 FeO나 검은색의 자철석(Fe3O4, Fe2+와 Fe3+의 혼합 산화물)과 같은 철(II) 함유 물질이 우세하게 생성된다. 산소가 풍부하면 일반적으로 붉은색을 띠는 수산화 산화 철(III)(FeO(OH))이나 산화철(III)(Fe2O3)과 같은 철(III) 계열 물질(공칭 화학식: Fe(OH)3−''x''O''x''/2)이 주로 형성된다. 고체 상태 반응 속도가 느리기 때문에 녹의 정확한 구성 성분은 시간에 따라 변할 수 있다.[5]
Ca2+과 같은 다른 이온들은 전해질 역할을 하여 부식을 촉진하거나, 철의 수산화물 및 산화물과 반응하여 다양한 침전물을 형성함으로써 부식 과정에 영향을 줄 수 있다.
녹은 철 표면에서 시작된 전기화학적 반응으로 인해 철 이온이 떨어져 나가면서 진행된다. 일단 녹이 발생하면 표면이 거칠어지고 수분과 오염물질을 머금기 쉬워 반응 면적이 증가하므로, 부식은 가속되는 경향이 있다. 특히 하천이나 해양 구조물에서는 물과 공기에 동시에 노출되는 수면 근처에서 부식이 가장 활발하게 일어난다.
염화물 이온(Cl−)은 철 표면의 부동태 피막(보호성 산화물 층)을 국소적으로 파괴하여 '''점 부식''' 또는 '''틈새 부식'''과 같은 국부 부식을 유발한다. 염화물 이온은 철 이온과 배위 결합하여 안정화시키므로 철의 산화 전위를 낮춰 부식을 촉진하고, 동시에 산화철의 용해도를 높여 보호 피막을 파괴하는 역할을 한다.
실험실에서는 페록실 지시약 용액을 사용하여 녹 발생 부위를 확인할 수 있다. 이 용액은 Fe2+ 이온(파란색)과 OH− 이온(분홍색)의 생성 위치를 시각적으로 나타낸다.
3. 3. 염화물 이온에 의한 반응
염화물 이온(Cl−)은 철의 부동태 피막에 '''국부 부식'''이라고 불리는 국소적인 부식 작용을 일으킨다.[4] 염수와 같이 염화물 이온이 존재하면 부식이 더 빨리 발생할 가능성이 높으며, 국부 부식으로 인해 녹이 심하게 진행되어 결국에는 금속 관통을 유발한다.
염화물 이온이 부식을 촉진하는 주요 요인은 다음과 같다.
4. 녹을 유발하는 요인
녹 발생에는 여러 요인이 있지만, 특히 염화물 이온(Cl−)의 존재가 중요한 역할을 한다. 대표적인 요인으로는 바닷물, 땀이나 혈액 같은 체액, 그리고 겨울철 도로에 뿌려지는 제설제 등이 있다.
바닷물 속 염화물 이온은 해안 지역에서 철 구조물의 부식을 가속화시키는 염해의 원인이 된다. 사람의 땀, 혈액, 소변 등 체액에도 염화물 이온이 포함되어 있어 맨손으로 철 제품을 만지면 녹이 슬 수 있다. 또한, 추운 지역에서 도로 결빙 방지를 위해 사용되는 제설제, 주로 염화칼슘(CaCl2)에 포함된 염화물 이온은 자동차 하부 등에 심각한 부식을 일으키는 주요 원인으로 작용한다. 각 요인에 대한 자세한 내용은 하위 문단에서 설명한다.
4. 1. 해수
바닷물은 염화물 이온(Cl−)을 포함하고 있다. 이 염화물 이온은 철의 부동태 피막에 '''국부 부식'''이라고 불리는 국소적인 부식 작용을 일으켜 녹이 심하게 진행되고 결국에는 관통하게 만든다.염화물 이온이 부식을 촉진하는 이유는 두 가지이다. 첫째, 염화물 이온이 존재하면 철 이온이 안정화되어 철의 산화환원 전위가 음극 방향으로 이동하면서 더 쉽게 산화된다. 둘째, 염화물 이온은 산화철의 물에 대한 용해도를 증가시켜 부동태 피막을 파괴하고, 이로 인해 부동태 피막의 방식(부식 방지) 작용이 무력화된다. 즉, 녹이 제거되면서 오히려 더 녹슬게 되는 것이다.
해염 입자는 바람에 의해 운반될 수 있으므로, 바다와 가까운 해안 지역에서는 내륙에 비해 철강의 부식 속도가 훨씬 빠르다. 이러한 현상을 염해라고 부른다. 이 때문에 해안 지역에서는 내후성 강이라도 도장하지 않으면 사용하기 어렵다.
4. 2. 체액
땀, 혈액, 소변과 같은 체액에는 염화물 이온(Cl−)이 포함되어 있어 철강에 녹을 발생시키는 원인이 된다. 따라서 철강 제품을 다룰 때는 맨손으로 만지는 것을 피하고, 만약 체액이 닿았다면 깨끗하게 닦아내는 것이 중요하다.4. 3. 제설제
추운 지역에서는 도로 결빙을 방지하기 위해 제설제를 도로에 살포한다. 제설제로는 주로 염화칼슘(CaCl2)이 사용되는데, 염화칼슘에 포함된 염화물 이온(Cl−) 때문에 자동차가 녹스는 경우가 많다.
염화물 이온(Cl−)은 철 표면의 보호막(부동태 피막)을 파괴하여 국부 부식이라고 불리는 특정 부위가 심하게 녹스는 현상을 일으킨다.[1] 이 부식이 심해지면 결국 철판에 구멍이 뚫리기도 한다. 염화물 이온이 부식을 일으키는 이유는 두 가지로 설명할 수 있다. 첫째, 염화물 이온이 존재하면 철 이온이 더 안정화되어 철이 더 쉽게 산화(전자를 잃음)된다. 둘째, 염화물 이온은 산화철(녹)이 물에 더 잘 녹게 만들어 보호막을 파괴하고, 이로 인해 녹 방지 효과가 사라져 오히려 녹이 더 잘 슬게 된다.
자동차는 대부분 철로 만들어지기 때문에, 적절한 방청 처리가 되어 있지 않으면 쉽게 녹슨다. 최근에는 방청 강판을 사용하거나 방청 도료를 칠하는 등 기술이 발전하여 녹 발생이 억제되고 있지만, 눈이 많이 오거나 매우 추운 지역(다설지·혹한지)에서는 여전히 문제가 된다. 제설제가 녹은 물이 자동차의 작은 틈새로 스며들기 때문이다. 특히, 차량 외부에서는 잘 보이지 않는 부분, 예를 들어 주머니처럼 생긴 모노코크 차체 내부 같은 곳에서부터 부식이 진행되는 경우가 많다.
또한, 대형 트럭의 섀시와 차체 사이의 틈이나 여러 장 겹쳐진 리프 스프링 사이처럼 구조적으로 어쩔 수 없이 생기는 미세한 틈으로 제설제가 섞인 물이 스며든다. 여기에 주행 중 발생하는 진동으로 인한 스트레스가 더해지면, 내부에서 진행되는 부식과 함께 상승 효과를 일으켜 철판 두께가 얇아지는 현상(박리)이 발생한다. 심한 경우 섀시에 균열이 생기거나 리프 스프링이 부러지는 등 자동차에 치명적인 손상을 줄 수 있다.
이 때문에 눈이 많이 오거나 추운 지역에서는 자동차 하부(섀시 및 언더바디)에 방청 도료를 칠하는 것이 일반적이다. 하지만 사용하는 도료의 성질, 시공자의 기술 수준, 도장 환경 등에 따라 도료 제조사가 의도하는 만큼의 방청 성능이 제대로 발휘되지 못하는 경우도 있다.
5. 예방
철이나 강철 제품은 매우 광범위하게 사용되며 중요하기 때문에, 녹을 예방하거나 늦추는 것은 경제적으로나 기술적으로 매우 중요한 활동이다. 녹은 공기와 물이 스며들 수 있는 성질이 있어, 일단 녹이 슬기 시작하면 그 아래의 금속 철이 계속해서 부식된다. 따라서 녹을 막으려면 철 표면을 외부 환경으로부터 차단하는 코팅이 필요하다.
녹은 기본적으로 산화-환원 반응으로, 철 표면이 전자를 잃고 이온화되면서 발생한다. 이는 전기화학적인 반응이므로 전위와 pH에 영향을 받는다.[26][27] 철 이온은 공기 중의 산소나 물과 반응하여 산화철(III)이나 수산화물(수산화철, 수산화산화철) 형태로 변해 철 표면에 쌓인다. 즉, 철을 산소와 물이 있는 환경에 두면 녹이 슬게 된다. 녹 자체는 수분과 오염물질을 머금기 쉽고, 표면을 울퉁불퉁하게 만들어 반응 면적을 넓히기 때문에, 한번 녹이 슬면 부식 속도는 더욱 빨라진다. 강이나 바다에 설치된 구조물은 공기와 물이 동시에 접하는 수면 부분이 특히 녹슬기 쉽다.
흔히 '적녹'이라 불리는 것은 수산화산화철(III) 등이 엉성하게 뭉쳐진 막으로, 아래 금속을 보호하지 못해 부식이 계속 진행된다. 반면, 표면에 치밀한 산화물 피막(부동태)이 형성되면 부식을 막는 보호층 역할을 한다. 내후성강이나 스테인리스강은 이러한 원리를 이용하여 녹을 방지하는 대표적인 합금이다. 내후성강은 시간이 지나면서 안정적인 녹 같은 보호층을 형성하여 별도의 도장 없이 사용되기도 한다. '흑녹'은 주로 사산화삼철로 이루어져 있는데, 특정 조건에서 인공적으로 만든 치밀한 흑녹층은 부식 방지에 활용되기도 한다.
녹을 막기 위해 다양한 방법들이 개발되어 사용되고 있다. 여기에는 특정 원소를 첨가하여 녹 자체에 강한 합금(스테인리스강, 내후성강 등)을 만들거나, 철 표면에 다른 금속(아연 등)을 입히는 도금, 전기화학적 원리를 이용한 음극 방식 보호, 그리고 페인트나 기름 등으로 표면을 덮는 코팅 등이 포함된다. 각 방법에 대한 자세한 내용은 이어지는 하위 섹션에서 다룬다.
5. 1. 녹 방지 합금
스테인리스강은 표면에 수동피막 역할을 하는 산화크로뮴(III) 층을 형성하여 녹을 방지한다.[8][9] 이와 유사한 수동피막 거동은 마그네슘, 티타늄, 아연, 산화아연, 알루미늄, 폴리아닐린 및 기타 전기활성 전도성 고분자에서도 발생한다.[10]
내후성강(Cor-Ten 등)은 일반 강철보다 훨씬 느린 속도로 녹이 스는 특수 합금이다. 이는 녹 자체가 금속 표면에 보호층으로 달라붙기 때문이다. 하지만 내후성강도 완전히 녹슬지 않는 것은 아니므로, 이를 사용하는 설계에서는 부식이 심해질 수 있는 환경 노출을 최소화하는 조치가 필요하다.[11] 내후성강은 표면에 형성되는 치밀한 산화물 피막(부동태)을 통해 부식을 막는 원리를 이용한 것으로, 일반 철강과 달리 별도의 도장 없이 사용되기도 한다. 스테인리스강 역시 기본적으로 같은 원리로 녹을 방지한다.
5. 2. 아연 도금
아연 도금은 보호하려는 철이나 강철 제품 표면에 아연 층을 입히는 공정을 말한다. 주로 용융 아연 도금이나 전기도금 방식이 사용된다. 아연은 가격이 저렴하고 강철에 잘 달라붙으며, 중요한 점은 아연 층이 손상되더라도 강철 표면을 음극 방식 보호 방식으로 보호한다는 것이다. 이는 아연이 강철보다 먼저 산화되면서 자신을 희생하여(이른바 희생 양극 역할) 강철의 부식을 막는 원리이다.하지만 이러한 방식 때문에 보호 역할을 하는 아연 층은 시간이 지남에 따라 소모되므로, 아연 도금의 보호 효과는 영구적이지 않고 일정 기간으로 제한된다. 바닷물과 같이 부식성이 더 강한 환경에서는 아연 대신 카드뮴 도금이 선호되기도 한다.
최근에는 코팅에 알루미늄을 첨가한 "아연-알루미늄" 코팅 방식도 사용된다. 이 방식은 전통적인 아연 도금처럼 아연이 희생 양극으로 소모되는 방식이 아니라, 긁힌 부분이 생겼을 때 알루미늄과 아연 산화물이 그 부분을 덮어 보호하는 원리에 의존하여 더 오랜 기간 보호 효과를 제공한다. 매우 부식되기 쉬운 환경이나 긴 수명이 요구되는 경우에는 아연 도금과 코팅을 함께 적용하여 부식 방지 효과를 더욱 높이기도 한다.
일반적인 외부 환경에서 일상적인 날씨 변화에 노출되는 강철 제품의 경우, 보통 85μm 두께의 용융 아연 도금을 한다. 일반적인 날씨 조건에서는 이 아연 층이 매년 약 1μm의 속도로 소모되므로, 대략 85년 정도의 보호 효과를 기대할 수 있다.[12]
5. 3. 음극 방식 보호
음극방식보호(Cathodic protection)는 매설되거나 물속에 있는 철강 구조물에 외부에서 전하(전자)를 공급하여 전기화학 반응을 억제함으로써 부식을 방지하는 기술이다. 올바르게 적용하면 부식을 완전히 멈출 수도 있다.가장 간단한 형태는 희생 양극 방식이다. 이는 보호하려는 철 또는 강철 구조물에 희생 양극을 부착하여, 구조물이 전지에서 음극 역할을 하도록 만드는 방식이다. 희생 양극은 보호 대상인 철이나 강철보다 더 음(-)의 전극전위를 가지는 금속, 예를 들어 아연, 알루미늄, 마그네슘 등으로 만들어야 한다. 이 희생 양극이 철 대신 부식되면서 구조물을 보호하지만, 시간이 지나면 양극 자체가 모두 부식되어 보호 효과가 사라지므로 주기적으로 교체해야 한다.
음극 방식 보호는 인가 전류를 사용하여 제공할 수도 있는데, 이를 외부 전원 방식(ICCP, Impressed Current Cathodic Protection)이라고 한다.[13]
5. 4. 코팅 및 도장
녹은 공기와 물에 투과성이 있어 한번 발생하면 그 아래의 철이 계속 부식된다. 따라서 녹 방지를 위해서는 철 표면을 외부 환경으로부터 차단하는 코팅이 필요하다.[15]대표적인 코팅 방법으로는 페인트, 니스, 바니시를 칠하거나 왁스 테이프를 사용하는 것이 있다.[14][15] 선박이나 현대 자동차처럼 밀폐된 상자 구조물 내부에는 왁스 기반의 슬러싱 오일(slushing oil)을 주입하기도 한다. 이 슬러싱 오일에는 보통 녹 방지제가 포함되어 있다.
콘크리트로 철근을 감싸는 것도 한 방법이다. 콘크리트는 알칼리성 pH[16] 환경을 만들어 철의 부식을 어느 정도 막아준다. 하지만 녹이 발생하여 부풀어 오르면 콘크리트 자체를 파손시킬 수 있어 근본적인 해결책은 아니다.[17]
보관이나 운송 시 임시적인 보호가 필요할 때는 철 표면에 얇은 기름, 그리스, 또는 코스몰린과 같은 특수 혼합물을 바르기도 한다.
금속 나사나 정밀 가공된 표면에는 특수한 내열 윤활제를 사용하기도 한다. 이 윤활제는 주로 구리, 아연, 알루미늄 분말 등이 혼합된 그리스 형태로 되어 있어 녹 방지에 효과적이다.[19]
5. 5. 기타 방법
블루잉은 소형 강철 제품(예: 화기)에 제한적인 내식성을 제공하는 기법이다. 효과를 보려면 발수성 오일을 블루잉 처리된 강철 표면에 도포해야 한다.부식 억제제(가스상 또는 휘발성 억제제 등)는 밀폐된 시스템 내부의 부식 방지에 사용될 수 있다. 다만, 공기 순환으로 억제제가 분산되고 신선한 산소와 수분이 유입되는 환경에서는 효과적이지 않다.
대기 중 습도 조절을 통해서도 녹을 방지할 수 있다.[20] 예를 들어 해상 운송 장비의 습기 제거를 위해 실리카겔과 같은 제습제를 사용하는 것이 있다.
6. 처리
이미 발생한 녹은 미관상 좋지 않을 뿐만 아니라, 그대로 방치하면 부식이 더욱 빠르게 진행될 수 있다. 따라서 발생한 녹은 적절한 방법으로 처리하여 추가적인 손상을 막는 것이 중요하다. 녹을 처리하는 방법은 크게 녹 자체를 물리적 또는 화학적으로 없애는 제거 방법과, 녹 성분을 화학적으로 안정적인 다른 물질로 바꾸어 보호막 역할을 하도록 하는 변환 방법으로 나눌 수 있다.
녹을 제거하는 일반적인 방법으로는 표면을 긁어내거나, 전기분해를 이용하는 방법, 또는 구연산, 식초, 염산과 같은 산성 용액이나 킬레이트제를 포함한 화학 약품을 사용하는 방법 등이 있다.
한편, 녹을 안정적인 상태로 변환하여 처리하기도 한다. 예를 들어, 철 표면에 인공적으로 치밀한 흑녹(주로 사산화삼철) 층을 형성시키면, 이 층이 부동태 피막처럼 보호막 역할을 하여 추가적인 부식을 억제할 수 있다. 시중에서 판매되는 일부 녹 변환제는 탄닌산이나 인산과 같은 성분을 이용하여 불안정한 적녹을 안정적인 화합물 층으로 변환시키는 원리를 이용한다.
6. 1. 전기 분해
작은 철이나 강철 물체의 녹은 전기분해를 이용하여 제거할 수 있다. 가정에서도 비교적 간단한 재료를 사용하여 시도해 볼 수 있다.[21]먼저 플라스틱 양동이에 수돗물과 탄산나트륨(세탁 소다)을 녹여 전해질 용액을 준비한다. 철근과 같은 철 조각을 용액 안에 수직으로 세워 양극(+)으로 사용한다. 또 다른 철근을 양동이 위에 수평으로 걸쳐 놓고, 녹을 제거하려는 물체(음극, -)를 철사 등을 이용해 이 수평 철근에 매달아 전해질 용액에 담근다.
배터리 충전기와 같은 직류 전원을 준비하여 (+) 단자는 양극으로 사용하는 철근에 연결하고, (-) 단자는 녹을 제거할 물체(음극)에 연결한다. 전류가 흐르면 음극에서는 수소 기체가 발생하고 양극에서는 산소 기체가 발생한다. 이 두 기체가 섞인 혼합 기체는 불이 붙거나 폭발할 수 있으므로 환기가 잘 되는 곳에서 작업하고 화기에 주의해야 한다.[22]
또한, 이 과정에서 수소 취화 현상이 발생하여 금속이 약해질 수 있으므로 주의가 필요하다. 너무 높은 전압을 사용하면 인체에 유해한 오존이 소량 발생할 수도 있으므로, 가급적 낮은 전압의 직류 전원(예: 구형 휴대폰 충전기 등)을 사용하는 것이 안전하다.[23]
6. 2. 화학적 처리
녹은 녹 변환제라고 알려진 상업용 제품으로 처리할 수 있는데, 이 제품에는 녹과 결합하는 탄닌산 또는 인산이 포함되어 있다. 또는 구연산과 식초 또는 더 강한 염산과 같은 유기산으로 제거하거나, 일부 상업용 제품이나 심지어 당밀 용액에서와 같이 킬레이트제로 제거할 수 있다.[24]소형 철 또는 강철 물체에서 녹을 제거하는 전기분해는 가정 공방에서도 비교적 간단한 재료를 사용하여 수행할 수 있다.[21] 플라스틱 양동이에 세탁소다를 수돗물에 녹인 전해액을 채우고, 양극 역할을 할 철근을 용액에 수직으로 매달아 놓는다. 다른 철근을 양동이 상단에 걸쳐 물체를 매달 지지대로 사용하며, 철사를 이용해 녹을 제거할 물체를 수평 철근에 매달아 용액 속에 담근다. 배터리 충전기를 전원으로 사용하여, (+) 단자는 양극 역할을 하는 철근에 연결하고, (-) 단자는 음극이 되는 처리 대상 물체에 연결한다.[21] 이 과정에서 음극과 양극에서는 각각 수소와 산소 기체가 발생하는데, 이 혼합 기체는 인화성 및 폭발성이 있으므로 주의해야 한다.[22] 또한 수소 취화를 피하기 위해서도 주의가 필요하다. 과전압은 유독한 오존을 소량 발생시킬 수 있으므로, 저전압 휴대폰 충전기와 같은 직류 전원을 사용하는 것이 더 안전하다.[23] 수소의 지구 온난화에 대한 영향도 최근 주목받고 있다.[23]
7. 경제적 영향
녹은 철 기반 도구 및 구조물의 성능 저하와 관련이 있다. 녹은 원래 철의 질량보다 부피가 훨씬 크기 때문에, 녹이 쌓이면 인접한 부품이 강제로 분리되어 고장이 발생할 수도 있다. 이러한 현상은 때때로 "녹 채움(rust packing)"으로 알려져 있다. 이는 1983년 미아누스 강 교량 붕괴의 원인이었는데, 이때 베어링 내부가 녹슬어 도로 슬래브의 한쪽 모서리가 지지대에서 밀려났다.
녹은 1967년 웨스트버지니아주에서 발생한 실버 브리지 참사의 중요한 요인이었다. 당시 강철 현수교가 1분도 채 안 되어 무너져 다리 위에 있던 46명의 운전자와 승객이 사망했다. 펜실베이니아주의 킨주아 교량은 2003년 토네이도로 인해 무너졌는데, 그 이유는 구조물을 지면에 고정하는 중앙 기초 볼트가 녹슬어 다리가 중력에 의해서만 고정되었기 때문이다.
철근 콘크리트 또한 녹 손상에 취약하다. 콘크리트로 덮인 강철과 철의 부식이 확대되어 발생하는 내부 압력으로 인해 콘크리트가 박리되어 심각한 구조적 문제를 일으킬 수 있다. 이는 철근 콘크리트 교량과 건물의 가장 흔한 파손 원인 중 하나이다.
녹으로 인한 구조적 파손 사례
8. 문화적 상징
녹은 방치로 인한 느린 부식을 나타내는 일반적인 비유로 사용된다. 이는 강하고 단단한 철과 강철을 시간이 지남에 따라 부서지기 쉬운 부드러운 가루로 변화시키는 특성 때문이다. 대표적인 예로, 한때 제철소, 자동차 산업 등 제조업이 번성했던 미국 중서부와 미국 북동부의 광범위한 지역은 산업 구조 변화와 함께 심각한 경기 침체를 겪었는데, 이 지역을 "러스트 벨트(Rust Belt)"라고 부른다.
음악, 문학, 예술 분야에서도 녹은 퇴색한 영광, 방치, 부패, 폐허 등의 이미지를 상징적으로 나타내는 데 사용된다.
또한 녹은 다양한 비유적 표현으로 사용되어 부정적인 의미를 내포하기도 한다.
- '''녹도'''(錆刀): 날이 녹슨 칼을 의미하며[28][29], 나아가 쓸모없는 도검이나 사람을 낮잡아 이르는 말로도 쓰인다.[28][29]
- '''몸에서 난 녹'''(身から出た錆): 일본어 속담으로, 자신의 잘못으로 인해 스스로 고통받는 것, 즉 자업자득과 같은 의미이다. 칼의 녹이 칼날 자체에서 생겨나 칼을 부식시키는 모습에서 유래했다.
- '''칼의 녹'''(刀の錆): 칼에 묻은 피가 녹의 원인이 된다는 점에서 칼로 사람을 해치거나 칼에 죽는 것을 비유적으로 이르기도 한다. 또한, 가치 없는 것을 베어 칼을 더럽힌다는 의미의 '칼 더럽힘(刀汚し)'과 같은 뜻으로도 사용된다.
- '''본성의 녹'''(地金の錆): 타고난 나쁜 버릇을 의미한다.
영어 단어 'rust' 역시 비슷한 비유적 의미를 가진다. 'red'와 동원어이며, 인도유럽조어의 '붉은'을 뜻하는 어근에서 유래한 것으로 여겨진다. 앞서 언급된 '러스트 벨트(Rust Belt)'는 이러한 비유적 의미가 적용된 대표적인 고유명사이며, 여기서 파생되어 '쇠퇴한 공업 지대'를 뜻하는 일반명사 'rust-belt' 또는 'rustbelt'로도 사용된다.
9. 기타
영어 단어 'rust'(일본어 음역 예: 라스트)의 어원은 'red(붉은색)'와 동원어이며, 인도유럽조어의 어근 'h₁rewdʰ-'(붉은)에서 유래한 것으로 여겨진다. 처음에는 철의 붉은 녹을 가리켰으나, 현대 영어에서는 철 이외의 금속 녹을 가리킬 때도 사용된다.
녹과 관련된 다양한 색 이름과 용어가 존재한다.
- 녹색(錆色): 일본 전통의 색 이름 중 하나이다. 일본산업규격(JIS)에서는 "어두운 회색빛의 황적색"으로 정의하며, 일반적으로 철녹과 같은 적갈색을 의미한다.
- rust: 영어권의 색 이름으로, 영어 단어 'rust'(녹)에서 유래했다. 일본어의 '녹색(錆色)'과 거의 같은 색으로 여겨진다.
- rusty: 'rust'에서 파생된 단어로, 영어권에서 다양한 애칭으로 사용되고 있다.
- 녹청록(緑青色): 일본 전통 색 이름이다. JIS에서는 "회색빛의 청록색"으로 정의하며, 일반적으로 탁하고 옅은 청록색을 말한다. 여기서 '녹(錆)'은 원래 색조를 회색빛으로 탁하게 만든 색을 형용하는 데 쓰였다. 에도 시대에 유행했던 청록색의 변형으로 볼 수 있다.
- 녹납(錆納戸): 일본 전통 색 이름이다. 약간 탁한 옅은 감색이며, 약간 녹색을 띤다. 여기서도 '녹(錆)'은 색을 탁하게 하는 형용으로 사용되었다. 에도 시대에 유행했던 납색의 변형으로 생각할 수 있다. 겸양어 '오(御)'를 붙인 '녹오납(錆御納戸)'이라는 이름도 있다.
- 남청녹(藍錆): '남청녹색(藍錆色)'이라고도 한다. 일본 전통 색 이름이자 염색 기법 중 하나이다. 남색이 약간 붉은색을 띤 색 또는 그 색으로 염색한 직물을 가리킨다. 사쓰마에서 생산된 상포가슬(上布絣)에 이 색이 사용되었다.
- 녹칠(錆漆): 물로 반죽한 연마제 가루(砥粉)에 생칠(生漆)을 섞어 만든 것이다. 칠 바탕을 만들거나, 그림 무늬의 윤곽을 그리거나 살을 돋우는 데 사용한다. 줄여서 '녹(錆)'이라고도 한다.
- 녹화(錆絵): 녹칠로 그림이나 무늬를 그리는 것, 또는 그렇게 그려진 그림이나 무늬를 의미한다. 붉은색, 청색 등의 안료를 첨가하기도 한다.
- 녹도(錆刀): 1. 날이 녹슨 칼. 쓸모없는 도검을 뜻하기도 한다. '녹멸치(錆鰯)', '붉은멸치(赤鰯)'라고도 불린다. 2. 쓸모없는 사람을 욕하는 말로도 쓰인다.
- 녹균목: 균계 담자균문에 속하는 목의 하나로, 여기에 속하는 식물 병원균들을 통틀어 '녹균(錆菌)'이라고 부른다. 이 균들은 식물에 녹과 비슷한 외관의 병변을 일으킨다. 영어 이름은 'Rust' (en)이다.
- 붉은가슴꼬리치레: 학명: Liosceles thoracicusla. 영명은 Rusty-belted tapaculo로, "녹슨 색 띠를 두른 타파쿨로"라는 의미이다. '타파쿨로'는 이 새가 속한 꼬리치레과를 가리킨다.
- 녹색점박이 고양이: 학명: Prionailurus rubiginosusla. 고양잇과 벵갈고양이속에 속하는 식육목 동물이다. 한국어 이름과 영명 Rusty-spotted Cat 모두 녹에서 유래했다.
- 녹색 고양이(錆猫): 검은색과 갈색 털이 얼룩덜룩하게 섞인 무늬를 가진 고양이를 말한다. 삼색고양이처럼 수컷은 매우 드물다. 영어로는 'tortoiseshell cat' 또는 줄여서 'tortoiseshell'이라고 하는데, 이는 '거북 등딱지(鼈甲)'를 의미하는 'tortoiseshell'과 '고양이(cat)'의 합성어이다. 영어권에서는 삼색 고양이(calico cat)와 달리 흰색 부분이 거의 없다는 점에 주목하여, 흰색이 반드시 들어가는 삼색 고양이는 'tortoiseshell and white cat'으로 구별한다.
- 녹쏘가리(錆鮎): 가을 산란기의 은어를 가리킨다. 등에 철녹과 같은 옅은 반점이 생기기 때문에 이런 이름이 붙었다. '떨어지는 은어(落ち鮎)'라고도 불린다. '녹쏘가리'는 가을의 계절어이다.
- 녹대(錆竹): 말라서 표피에 녹과 같은 반점이 생긴 대나무를 말한다. 왕대나 조릿대에서 흔히 볼 수 있다. 또한, 황산으로 구워서 녹대와 비슷한 색을 낸 대나무도 가리킨다. 풍치가 있어 서원창, 다실의 아래 창(下地窓), 장대테두리(竿縁), 젖은 툇마루(濡縁) 등에 사용된다.
'녹(錆, 銹, 鏽)'이라는 단어는 "자신에게 닥친 나쁜 결과"라는 비유적인 의미로도 사용된다. 이는 화학적 현상인 녹을 사물에 빗대어 표현한 것으로, 다음과 같은 파생어를 낳았다.
- 몸에서 난 녹(身から出た錆): 자신의 잘못으로 인해 스스로 고통받는 것을 의미하는 속담이다. 자신의 행위에 대한 대가로 재앙을 입는다는 뜻으로, '자업자득(自業自得)'과 같은 의미이다. 칼의 녹이 칼날 자체에서 발생하여 칼날을 부식시키는 현상에서 유래했다.
- 칼의 녹(刀の錆): 1. 칼에 생기는 녹. 또는 묻은 피가 녹의 원인이 된다는 점에서, 칼로 사람을 죽이거나 칼에 죽는 것을 비유적으로 이르기도 한다. 2. '칼 더럽힘(刀汚し)'을 의미하기도 한다.
- 칼 더럽힘(刀汚し): 1. 칼을 찰 자격이 없는 사람이 칼을 차서 오히려 칼을 욕되게 하는 것. 2. 벨 가치도 없는 것을 베어 칼을 더럽히는 것.
- 본성의 녹(地金の錆): 타고난 나쁜 버릇을 의미한다.
영어 단어 'rust'에도 비슷한 비유적 의미가 있다.
- 러스트 벨트(Rust Belt): "녹슨 지대"라는 뜻으로, 미국의 특정 지역, 특히 쇠퇴한 공업 지대를 가리키는 고유명사이다.
- rust-belt, rustbelt: 위의 고유명사에서 파생된 보통명사로, 쇠퇴한 공업 지대를 일반적으로 가리킨다.
또한, 일본어 '사비(錆)'는 '녹칠(錆漆)'의 약어이기도 하다.
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