유도체 및 결정화 공정의 도입을 통한 고기능성 황색 안료의 친환경적 제조 및 특성

Abstract

세계적으로 환경문제를 일으키는 크롬, 납 계열의 중금속을 함유하는 무기안료의 사용을 금지하는 추세이므로 이를 대체할 높은 내구성과 내열성을 가지는 유기안료의 개발 및 적용이 요구되고 있다. 무기 안료를 대체 가능한 환경 친화적인 황색 유기안료로는 diarylide계, isoindoline계, benzimidazolone계 화합물 등이 있다[1]. 이러한 고기능성 안료들은 높은 내열성, 내용제성, 내후성 및 선명한 색상에 기인하여 황색 안료용으로 플라스틱, 금속 장식, 잉크, 도료 분야 등에 널리 사용되고, 최근에는 light-emitting diodes(LED)와 liquid crystal display(LCD)의 칼라필터용 녹색 화소 소재로 사용되고 있다[2]. 고기능성 안료는 적용분야가 매우 다양하므로 요구되는 물성도 다양해진다. 예를 들면, 페인트 분야에서는 높은 은폐력, 내열성 및 표면광택이 요구되고, 잉크 분야에서는 낮은 점도와 선명한 색상이 요구되고, 플라스틱 분야에서는 높은 은폐력과 착색력이 요구된다. 따라서, 많은 연구자들은 합성 공정, 결정화 공정, 분쇄 공정 등의 조건 변화를 통하여 안료의 결정상, 입자 형태, 입도 분포 등을 조절하여 다양한 물성을 제공할 수 있다고 보고된다[3]. Diarylide계 황색 안료 83 (P.Y. 83)은 디아조 성분인 3,3'-dichlorobenzidine와 커플러 성분인 acetoacet-2,5-dimethoxy-4-chloro anilide으로부터 제조되며, 결정 구조는 [101] 배향성을 가진 경사진 판상 형태이다. 한편, 합성 시 디아조 성분에 다양한 화합물로 치환 구조 변환시키면 우수한 내열성, 내후성 및 높은 투명성을 나타내는 녹색 또는 적색을 띄는 황색 안료로 합성이 가능하다고 보고된다[1]. Isoindoline계 화합물인 Pigment Yellow 139 (P.Y. 139)는 붉은 계통의 황색 안료로서 isoindoline 고리에 두 개의 methine bridge(-CH=)를 가지고 있으며, 디아조와 커플러를 합성하여 이들의 커플링 반응을 실시하는 이단계로 합성되는 아조계 안료와 달리 1,3-diiminosioindoline과 barbituric acid이 1:2 몰비로 한 단계 합성이 가능한 간편한 공정 효율성을 가지고 있다[2,3]. 합성 공정에서 출발 물질인 barbituric acid의 유도체를 도입하면, 황색, 오렌지색, 갈색 등으로의 다양한 색상 구현이 가능하며 260℃ 이상의 높은 내열성을 특징으로 무기안료 chrome yellow의 대체 안료로 각광받고 있다[4]. 또한, 높은 착색력에 기인하여 잉크, 페인트 분야 등에도 다양하게 적용이 가능하다. Benzimidazolone계 황색 안료 Pigment Yellow 180 (P. Y. 180)은 두 개의 azo (-N=N-)기를 가진 diazo 안료로 azo 성분과 coupler가 결합하여 커플링 반응에 의해 합성되며 5-aminocarbonylbenzimidazolone group을 기본 골격 구조 특성을 가지는 안료로 잉크, 도료, 플라스틱, 토너, 칼라필터 등의 다양한 분야에서 널리 사용되며, 녹색 색상을 띄는 황색 안료로 내후성 및 내열성이 우수한 고기능성 안료로 이점을 가지며 무기안료의 대체 유기안료로 많이 사용되고 있다[1,5]. 한편, 상업화되어 대량 생산되고 있는 안료의 제조 공정에서는 우수한 분산성과 높은 분산 안정성을 가지는 안료를 제조하기 위하여 양이온 활성제 또는 아민 계열 활성제를 과량 사용함으로써 합성된 안료의 수세 처리 과정에서 고농도의 폐수가 발생하므로 심각한 환경적 문제가 되고 있다[5-8]. 또한, 안료 제조 시 2 ∼ 9 시간의 장시간 합성 공정과 넓은 분포의 입자크기 생성으로 liquid crystal display (LCD) 칼라필터, (light-emitting diodes) LED 등의 고기능성 분야에 적용으로는 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 계면활성제를 첨가하지 않고 안료 분산성이 매우 우수한 고기능성 황색 안료를 합성하고자 하였다. 합성의 핵심 요인인 합성 온도, pH, 커플러에 결합하는 분산 전구체, 분산 유도체, 결정화 온도 및 시간 등의 조건들을 체계적으로 조절하여 시료들을 합성하였다. 이들의 입자크기 및 입도 분포, 회절 강도 비, 분산성 및 분산 안정성, 광학적 특성, 색상 및 색 내열성 등을 측정하여 최적의 조건과 시료의 특성을 고찰 하였고 고기능성 안료의 상업화 가능성을 확인하였다.