불순물
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1. 개요
불순물은 재료의 기능 저해 여부에 따라 원치 않거나 필요한 물질을 의미한다. 불순물 제거는 화학적 방법, 물리적 방법 등을 통해 이루어지며, 열역학적 성질에 따라 불순물을 완전히 제거하는 것은 불가능하다. 때로는 재료의 특성을 변경하기 위해 불순물을 의도적으로 첨가하기도 하며, 보석의 색상이나 반도체의 도핑 등이 그 예시이다. 또한 불순물은 상전이 과정에서 핵 생성에 중요한 역할을 한다.
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| 불순물 | |
|---|---|
| 불순물 | |
| 정의 | 물질 내에 존재하는 화학적 조성과 다른 물질 |
| 분류 | |
| 화학적 불순물 | 화학 반응이나 제조 과정에서 의도치 않게 생성된 물질 |
| 물리적 불순물 | 제조 과정에서 혼입된 이물질 (먼지, 머리카락 등) |
| 영향 | |
| 의약품 | 약효 감소, 부작용 유발 |
| 식품 | 맛, 색, 안전성 변화 |
| 화학 제품 | 제품 성능 저하 |
| 관리 | |
| 의약품 | 엄격한 품질 관리 기준 적용 |
| 식품 | 식품 안전 규제 준수 |
| 화학 제품 | 생산 과정에서 불순물 최소화 |
| 기타 | |
| 동의어 | 오염 물질, 혼합물 |
2. 불순물 제거 (Unwanted Impurities)
불순물은 재료의 기능을 떨어뜨릴 때 원치 않는 것으로 여겨진다. 금속 내의 재나 백지에 붙어있는 나뭇잎 조각 등이 그 예시이다. 불순물 제거는 일반적으로 화학적 방법으로 이루어진다. 예를 들어 철 제조 과정에서 용광로에 탄산칼슘을 첨가하여 철광석에서 이산화규소를 제거한다. 영역 정제는 반도체 정제에 있어 경제적으로 중요한 또 다른 정제 방법이다.[3]
물과 소금의 혼합물처럼, 어떤 종류의 불순물은 물리적인 방법으로 제거할 수 있다. 이 혼합물은 증류를 통해 분리할 수 있는데, 물은 증류액으로, 소금은 고체 잔류물로 남는다. 물을 가열하여 끓이고 소금을 남겨두면 된다. 물을 식히면 기체가 순수한 액체로 다시 변한다.[3] 액체와 기체에서 불순물은 일반적으로 물리적으로 제거된다. 금속 광석에서 모래 입자를 제거하는 것은 고체의 한 예이다.
어떤 방법을 사용하든, 불순물을 재료에서 완전히 분리하는 것은 일반적으로 불가능하다. 열역학 제2법칙에 따르면 불순물을 완전히 제거하여 그 농도를 0으로 줄이는 것은 무한한 양의 일과 에너지를 필요로 한다.[4] 따라서 기술자들이 할 수 있는 일은 재료의 순도를 가능한 한 100%에 가깝게, 또는 경제적으로 실행 가능한 수준까지 높이는 것이다.[4]
의약품과 치료제의 불순물은 특히 중요한 문제이며, 지난 수십 년 동안 안전하지 않은 성분과 잘못된 용량 형태부터 의도적으로 강화된 약물과 우발적인 오염까지 많은 스캔들이 있었다.[4]
2. 1. 불순물 제거 방법
불순물은 재료의 기능을 저해할 때 원치 않는 것으로 간주된다. 예를 들어 금속 내의 재와 파편, 백지에 붙어있는 나뭇잎 조각 등이 있다.불순물을 재료에서 완전히 분리하는 것은 일반적으로 불가능하다. 불순물을 완전히 제거할 수 없는 이유는 열역학 제2법칙에 의해 예측되는 열역학적 성질 때문이다. 불순물을 완전히 제거한다는 것은 그 농도를 0으로 줄이는 것을 의미하는데, 이는 무한한 양의 일과 에너지를 필요로 한다.[4] 기술자들이 할 수 있는 일은 재료의 순도를 가능한 한 100%에 가깝게 또는 경제적으로 실행 가능한 수준까지 높이는 것이다.[4]
의약품과 치료제의 불순물은 특히 중요한 문제이며, 지난 수십 년 동안 안전하지 않은 성분과 잘못된 용량 형태부터 의도적으로 강화된 약물과 우발적인 오염까지 많은 스캔들이 있었다.[4]
2. 1. 1. 화학적 방법
불순물 제거는 일반적으로 화학적 방법으로 이루어진다. 예를 들어 철 제조 과정에서 용광로에 탄산칼슘을 첨가하여 철광석에서 이산화규소를 제거한다. 또 다른 정제 방법인 영역 정제는 반도체 정제에 있어 경제적으로 중요한 방법이다.[3]하지만 어떤 종류의 불순물은 물리적인 방법으로 제거할 수 있다. 물과 소금의 혼합물은 증류를 통해 분리할 수 있으며, 물은 증류액으로, 소금은 고체 잔류물로 남는다. 물을 가열하여 끓이고 소금을 남겨두면 된다. 물을 식히면 기체가 순수한 액체로 다시 변한다.[3]
2. 1. 2. 물리적 방법
물과 소금의 혼합물은 증류를 통해 분리할 수 있으며, 물은 증류액으로, 소금은 고체 잔류물로 남는다. 물을 가열하여 끓이고 소금을 남겨두면 된다. 물을 식히면 기체가 순수한 액체로 다시 변한다.[3] 액체와 기체에서 불순물은 일반적으로 물리적으로 제거된다. 금속 광석에서 모래 입자를 제거하는 것이 고체의 한 예이다.어떤 방법을 사용하든, 불순물을 재료에서 완전히 분리하는 것은 일반적으로 불가능하다. 불순물을 완전히 제거할 수 없는 이유는 열역학적 성질 때문이며, 열역학 제2법칙에 의해 예측된다. 불순물을 완전히 제거한다는 것은 그 농도를 0으로 줄이는 것을 의미한다. 열역학 제2법칙에 의하면 이는 무한한 양의 일과 에너지를 필요로 한다.[4] 기술자들이 할 수 있는 일은 재료의 순도를 가능한 한 100%에 가깝게 또는 경제적으로 실행 가능한 수준까지 높이는 것이다.[4]
2. 2. 불순물 완전 제거의 한계
어떤 방법을 사용하든, 불순물을 재료에서 완전히 분리하는 것은 일반적으로 불가능하다. 불순물을 완전히 제거할 수 없는 이유는 열역학적 성질 때문이며, 열역학 제2법칙에 의해 예측된다. 불순물을 완전히 제거한다는 것은 그 농도를 0으로 줄이는 것을 의미한다. 열역학 제2법칙에 의해 예측되는 바와 같이 이는 무한한 양의 일과 에너지를 필요로 한다.[4] 기술자들이 할 수 있는 일은 재료의 순도를 가능한 한 100%에 가깝게 또는 경제적으로 실행 가능한 수준까지 높이는 것이다.[4]의약품과 치료제의 불순물은 특히 중요한 문제이며, 지난 수십 년 동안 안전하지 않은 성분과 잘못된 용량 형태부터 의도적으로 강화된 약물과 우발적인 오염까지 많은 스캔들이 있었다.[4]
2. 3. 의약품 불순물 문제
의약품 및 치료제의 불순물은 특히 중요한 문제이며, 지난 수십 년 동안 안전하지 않은 성분과 잘못된 용량 형태부터 의도적으로 강화된 약물, 우발적인 오염까지 많은 스캔들이 있었다.[4]3. 불순물의 활용 (Wanted Impurities)
재료의 특성을 바꾸기 위해 불순물을 넣는 경우가 있다. 이러한 불순물은 자연적으로 생기거나 만드는 과정에서 의도적으로 넣을 수 있다. 보석의 색깔이나 반도체의 전도도를 조절하는 것이 그 예시이다.[5][6]
철에 불순물을 넣어 강도를 높인 강철도 불순물을 활용한 예이다.
3. 1. 보석
보석에는 발색단 역할을 하여 돌에 색을 부여하는 미량의 불순물이 포함되어 있다. 예를 들어 베릴(베릴륨 알루미늄 규산염, Be3Al2(SiO3)6) 보석군을 들 수 있다. 순수한 베릴은 무색이지만 이는 드물게 발생하며, 미량 원소의 존재가 색상을 바꾼다. 에메랄드의 녹색은 크롬, 바나듐 또는 철과 같은 불순물 때문이다. 망간 불순물은 모가나이트라고 하는 분홍색 보석을 만들고, 철은 파란색 보석인 아쿠아마린을 만든다.[5]
예를 들어 보석의 경우, 주성분은 산화알루미늄(Al₂O₃, 코런덤)이지만, 불순물의 차이에 따라 사파이어(불순물: 철, 티타늄)나 루비(불순물: 크롬)가 된다.
3. 2. 반도체 도핑
때때로 재료의 특성을 변경하기 위해 불순물을 포함시키는 것이 필요할 수 있다. 이러한 불순물은 자연적으로 발생하여 재료에 변화 없이 남아 있거나 합성 과정에서 의도적으로 첨가될 수 있다. 이러한 유형의 불순물은 보석의 다양한 색상이나 반도체의 전도도를 조절하기 위한 도핑과 같이 일상생활에서 나타난다.[5][6]도핑은 반도체의 전기 전도도를 높이고 반도체의 기능을 향상시키기 위해 불순물을 의도적으로 첨가하는 공정이다. 원래 결정 구조에 첨가된 원소인 도펀트는 기본 화학식보다 다른 수의 전자를 포함하고 있다. p형 도핑된 반도체는 결정 내 다른 원소보다 원자가 전자가 적은 소량의 원소를 포함하며, n형 도핑은 그 반대로 도펀트가 더 많은 원자가 전자를 포함한다.[6]
실리콘과 같은 반도체에서는 불순물을 인공적으로 첨가하여 p형 반도체, n형 반도체를 만들 수 있다.
3. 3. 기타 활용 예
때때로 재료의 특성을 변경하기 위해 불순물을 포함시키는 것이 필요할 수 있다. 이러한 불순물은 자연적으로 발생하여 재료에 변화 없이 남아 있거나 합성 과정에서 의도적으로 첨가될 수 있다. 이러한 유형의 불순물은 보석의 다양한 색상이나 반도체의 전도도를 조절하기 위한 도핑과 같이 일상생활에서 나타난다.[5][6]불순물이 필요한 경우의 예로 보석을 들 수 있다. 이러한 보석에는 발색단 역할을 하여 돌에 색을 부여하는 미량의 불순물이 포함되어 있다. 예를 들어, 베릴(베릴륨 알루미늄 규산염, Be3Al2(SiO3)6) 보석군을 들 수 있다. 순수한 베릴은 무색으로 보이지만 이는 드물게 발생하며, 미량 원소의 존재가 색상을 바꾼다. 에메랄드의 녹색은 크롬, 바나듐 또는 철과 같은 불순물 때문이다. 망간 불순물은 모가나이트라고 하는 분홍색 보석을 만들고, 철은 파란색 보석인 아쿠아마린을 만든다.[5]
도핑은 반도체의 전기 전도도를 높이고 반도체의 기능을 향상시키기 위해 불순물을 의도적으로 첨가하는 공정이다. 원래 결정 구조에 첨가된 원소인 도펀트는 기본 화학식보다 다른 수의 전자를 포함하고 있다. p형 도핑된 반도체는 결정 내 다른 원소보다 원자가 전자가 적은 소량의 원소를 포함한다. n형 도핑은 그 반대이며, 도펀트는 더 많은 원자가 전자를 포함한다.[6]
실리콘과 같은 반도체에서는 불순물을 인공적으로 첨가하여 p형 반도체, n형 반도체를 만들 수 있다. 철이 더 높은 강도를 가진 강철이 되는 것도 불순물의 효과 때문이다. 또한 불순물은 물질의 색깔(또는 발광)에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 보석의 경우, 주성분은 같은 산화알루미늄(Al₂O₃, 코런덤)이지만, 불순물의 차이에 따라 사파이어(불순물: 철, 티타늄)나 루비(불순물: 크롬)가 된다.
4. 불순물과 핵 생성 (Impurities and Nucleation)
불순물은 다른 상전이의 핵 생성에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 이종 원소의 존재는 금속 합금의 기계적 및 자기적 특성에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 구리에 있는 철 원자는 전도 전자 스핀이 불순물 원자와 자기적 결합 상태를 형성하는 잘 알려진 콘도 효과를 일으킨다. 초전도체의 자성 불순물은 소용돌이 결함의 생성 부위 역할을 할 수 있다. 점 결함은 강자성체에서 역 도메인을 핵 생성하고 그 보자력에 큰 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 불순물은 새로운 상의 유한 크기의 도메인을 생성하는 에너지 비용이 점 결함에서 더 낮기 때문에 상전이의 개시점 역할을 할 수 있다. 새로운 상의 핵이 안정되려면 임계 크기에 도달해야 하며, 이 임계 크기는 불순물 위치에서 종종 더 낮다.[7]
4. 1. 과냉각
불순물이 포함된 액체를 녹는점까지 냉각하면, 액체는 상전이를 거치면서 불순물 주위에서 결정화되어 결정성 고체가 된다. 불순물이 없다면 액체는 순수하다고 하며, 고체가 되지 않고 녹는점 이하로 과냉각될 수 있다. 이는 액체가 응축될 곳이 없어 고체가 자연적인 결정성 고체를 형성할 수 없기 때문이다. 동적 정지 또는 유리 전이가 발생하면 결국 고체가 형성되지만, 구조에 장거리 질서가 없기 때문에 비정질 고체 즉 유리가 된다.[7]4. 2. 비정질 고체
불순물이 포함된 액체를 녹는점까지 냉각하면, 액체는 상전이를 거치면서 불순물 주위에서 결정화되어 결정성 고체가 된다. 불순물이 없다면 액체는 순수하다고 하며, 고체가 되지 않고 녹는점 이하로 과냉각될 수 있다. 이는 액체가 응축될 곳이 없기 때문에 고체가 자연적인 결정성 고체를 형성할 수 없기 때문이다. 동적 정지 또는 유리 전이가 발생하면 결국 고체가 형성되지만, 구조에 장거리 질서가 없기 때문에 비정질 고체 즉 유리가 된다.[7]4. 3. 상전이
불순물이 포함된 액체를 녹는점까지 냉각하면, 액체는 상전이를 거치면서 불순물 주위에서 결정화되어 결정성 고체가 된다. 불순물이 없다면 액체는 순수하다고 하며, 고체가 되지 않고 녹는점 이하로 과냉각될 수 있다. 이는 액체가 응축될 곳이 없기 때문에 고체가 자연적인 결정성 고체를 형성할 수 없기 때문이다. 동적 정지 또는 유리 전이가 발생하면 결국 고체가 형성되지만, 구조에 장거리 질서가 없기 때문에 비정질 고체 즉 유리가 된다.[7]불순물은 다른 상전이의 핵 생성에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 이종 원소의 존재는 금속 합금의 기계적 및 자기적 특성에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 구리에 있는 철 원자는 전도 전자 스핀이 불순물 원자와 자기적 결합 상태를 형성하는 잘 알려진 콘도 효과를 일으킨다. 초전도체의 자성 불순물은 소용돌이 결함의 생성 부위 역할을 할 수 있다. 점 결함은 강자성체에서 역 도메인을 핵 생성하고 그 보자력에 큰 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 불순물은 새로운 상의 유한 크기의 도메인을 생성하는 에너지 비용이 점 결함에서 더 낮기 때문에 상전이의 개시점 역할을 할 수 있다. 새로운 상의 핵이 안정되려면 임계 크기에 도달해야 한다. 이 임계 크기는 불순물 위치에서 종종 더 낮다.
참조
[1]
웹사이트
Definition of IMPURITY
https://www.merriam-[...]
2024-04-01
[2]
웹사이트
Definition of HOMOGENEOUS
https://www.merriam-[...]
2024-03-27
[3]
서적
Distillation Control, Optimization, and Tuning: Fundamentals and Strategies
https://www.taylorfr[...]
CRC Press
2011-05-27
[4]
학술지
Chemical Impurities: An Epistemological Riddle with Serious Side Effects
null
2020-02
[5]
웹사이트
Gem-Stones and Their Distinctive Characters
https://www.gutenber[...]
2024-04-15
[6]
서적
Doping in Conjugated Polymers
https://onlinelibrar[...]
Wiley
2013-08-23
[7]
학술지
A Structured Approach To Cope with Impurities during Industrial Crystallization Development
null
2020-08-21
[8]
웹사이트
Impurity definition
https://www.merriam-[...]
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