글로벌 세계 대백과사전/기술·통신/재료기술/유기재료기술/색과 안료

물질의 색

物質－色

우리들의 생활 주변에서 공기·물·유리 등과 같은 색이 없는 것을 헤아려 보면 별로 많지 않음을 알게 될 것이다. 이와 같이 우리들의 주변은 색이 없는 것이 없다고 해도 과언이 아닐 만큼 천연 또는 인공적인 다양한 색채로 장식되어 있다.

본래 색은 자연적인 것이고, 자연현상에 관련된 것이었다. 우리가 보통 사용하고 있는 원색·천연색이라고 하는 말이 이것을 뒷받침해 주고 있다. 그러나 오늘날에는 여러 가지 염료나 안료를 써서 도장(塗裝)이나 인쇄에 의해 재료를 마음대로 착색함으로써 이러한 색의 세계를 인공적으로 조작하고 있는 것이다. 인간은 자연계로부터 채색이라고 하는 마법(魔法)을 배우고, 이것을 이용하여 그들의 생활을 풍요롭게 하고 있다. 그 마법의 근원은 도대체 무엇인가. 실은 이것도 색이 나타나는 이유를 분자의 레벨에서 고찰해 보면, 그 분자를 구성하고 있는 원자의 결합력을 조절함으로써 색이 생겨난다는 사실을 알 수가 있다.

자연에 존재하는 색소

自然－存在－色素

천연색소는 카로티노이드 색소·키논형 색소·인디고형 색소·피리미딘유도체·폴리피린계 색소·안토시아닌계 색소·플라본계 색소와 같은 몇 가지 유형으로 나눌 수 있다.

안토시아닌계 색소

anthocyanin 系色素

꽃의 색, 특히 청색이나 적색 또는 자색이나 과실의 색은 안토시아닌계의 색소인 것이 많다. 또 재미있는 사실은 이들 색소는 pH로써 그 색을 구분할 수 있다는 점이다. 예를 들면 산성에서는 적색, 중성에서는 자색, 알칼리성에서는 청색이다. 그러나 세포 내의 pH는 3.5∼5.5 범위이므로 알칼리성을 나타내는 것이 없으므로 시험관 내에서와 같은 변화는 볼 수 없다. 달구지국화 등의 청색의 본체(本體)는 안토시아닌분자와 금속원자를 주성분으로 하는 유기금속착체(有機金屬錯體)라고 한다.

플라본계 색소

flavone 系色素

식물에 널리 존재하는 황색의 색소로, 앵초 및 그 밖의 꽃이나 밀감류의 열매를 비롯하여 야채 등에도 함유되어 있다. 이 색소는 〔그림〕－1에서 보는 바와 같은 분자가 골격을 이루고 있고, 여기에 당(糖)이 결합한 글리콕시드의 형(形) 또는 탄닌산에스테르의 형태로 존재하고 있다.

카로티노이드 색소

carotinoid 色素

당근이나 토마토의 적색 색소로, 긴 불포화결합을 가진 분자이다. 이것은 향유(香油)의 성분인 테르펜류(類)나 비타민A 등과 아주 비슷한 구조를 하고 있다. 사실 카로티노이드의 일종인 카로틴은 동물의 생체 내에서 비타민A로 변화한다. 또 카로틴의 일종인 β-카로틴은 산화하면 제비꽃과 같은 냄새가 난다는 사실도 알려져 있다. 식물이 만들어 내는 비슷한 구조를 가진 물질들이 제각기 향기·색·비타민 성분 등과 같은 여러 가지 역할을 한다는 사실은 매우 흥미 있는 일이다.

이상에서 말한 몇 가지 천연색소는 모두가 불포화결합이 분자 내에 연결되어 있어, 뒤에 말하는 발색의 원자와 잘 부합된다는 사실을 알 수가 있다.

전자파

빛과 색

－色

색 혹은 빛이라고 하는 것은 라디오나 텔레비전의 전파 또는 X선·감마선 등과 본질적으로 동일한 전자파의일종이다. 이 일련의 전자파 중에서 어떤 특정한 파장을 가지는 것만이 눈의 망막에 느껴지며, 각각의 파장역(波長域)에 따라 적·황·청이라고 하는 색의 자극으로서 감수되는 것이다. 이와 같은 사실은 스펙트럼의 색에서 보는 바와 마찬가지며, 우리는 적색에서 자색에 이르기까지의 파장의 빛을 볼 수가 있다. 이것을 가시광선이라고 한다. 이보다 파장이 짧은 것을 자외선, 긴 것을 적외선이라고 하며, 이것은 눈으로 볼 수 없는 광선이다. 눈의 망막에서의 색감각(色感覺)은 매우 복잡하여, 가시광선의 7가지 색을 느끼는 데 반드시 7가지 색이 필요한 것은 아니다. 3원색이라고 하는 3가지의 색감이 여러 가지 비율로 조합되어 모든 색이 표현되며, 이 색광(色光)의 혼합법에는 가법혼색(加法混色)과 감법혼색(減法混色)의 두가지 방법이 있다.

물체가 어떤 특정한 색으로 보이는 것은, 7가지 색에 대응하는 파장을 모두 포함한 백색광에서 어느 특정의 파장을 가지는 빛이 흡수됨으로써 남은 파장의 빛이 색으로서 느껴지는 것이다. 그렇다면 특정한 파장의 빛이 흡수되는 이유는 무엇인가. 빛의 흡수와 색과의 관계를 빛이 가지는 에너지와 그것이 물질에 미치는 영향을 중심으로 알아보자.

전자파가 가지는 에너지와 물질

電子波－energy－物質전자파는 파장이 짧아질수록 큰 에너지를 가지고 있다. 우선 비교적 파장이 긴 적외선 영역에서는 그 에너지의 크기가 분자 전체의 운동에너지에 해당하는 것으로부터 분자의 일부인 원자 또는 원자단이 진동하는 에너지에 대응하는 것에 이르기까지 여러 가지가 있다. 따라서 물질에 적외선을 조사(照射)하면 분자는 그 운동이 빨라지거나 또는 원자와 원자를 연결하고 있는 결합에 흡수되어 버린다. 또 반대로 OH기(基)가 흡수하는 파장이나 O＝C 결합이 흡수하는 파장은 대개 어떤 분자에도 정해져 있으므로, 그 흡수 스펙트럼을 조사하면 분자 속에 어떠한 기(基)가 함유되어 있는가를 알 수가 있다. 다음에 8,000Å 이하의 자외선 영역이 가지는 에너지는 원자핵을 둘러싸는 전자의 에너지상태에 대응하고, 그 전자가 어떤 안정상태에서 여기상태(勵起狀態)로 옮겨진 때의 에너지차(差)에 해당한다. 그 때문에 이 영역의 전자파를 받으면 전자는 에너지를 흡수하여 여기상태로 된다. 또 반대로 안정상태로 정지될 때는 여분의 에너지를 전자파의 형태로 방출한다.

한편 단파장의 X선이나 알파선 등은 높은 에너지를 가지며, 특히 감마선 등은 원자핵 그 자체를 파괴할 정도의 높은 에너지를 가지고 있다.

유색물질과 무색물질의 차이

有色物質－無色物質－差異전자파가 가지는 에너지는 여러 장소에서 분자에 흡수된다. 이 중에서 가시광선의 부분을 흡수하는 물질은 유색으로 보이게 된다. 그런데 빛의 파장 중 어떤 부분이 흡수되는가는 분자 내의 전자의 상태에 의해 결정된다. 즉 강하게 구속되어 있는 전자를여기(勵起)하는 데는 자외선과 같은 파장이 짧은 빛의 에너지가 필요하다. 한편 분자 내에서 전자가 활동하기 쉽게 되어 있는 것은 가시광선 정도의 파장이 갖는 에너지에 의해서도 여기된다. 즉 탄화수소·탄수화물과 같은 유기물질의 대부분은 전자를 구속하는 힘이 강하므로, 전자는 4,000Å 이하인 자외선 영역의 빛에서야 비로소 여기된다. 에너지가 낮은 가시광선은 모두 투과(透過) 혹은 반사되어 버린다. 그 때문에 무색으로서 느껴지는 것이 많다.

한편 기타의 착색물질(着色物質)은 그 분자가 가시광선의 빛을 흡수하기 쉬운 전자 상태를 가지고 있다.

변색의 원인

變色－原因

흡수되는 빛의 파장이 전자의 상태로 변한다는 것은 잘 아는 사실이다. 이 원리를 교묘하게 응용한 것이 화학실험을 할 때 사용하는 산·알칼리 지시약(指示藥)이다. 지시약의 색이 변하는 것을 예로 하여, 물체가 착색되어 보이는 이유를 좀더 설명해 보기로 한다.

지시약으로서 사용되는 것에 남미산의 리트머스이끼에서 얻어지는 색소(리트머스액)와 페놀프탈레인 등 여러 가지가 있다. 페놀프탈레인분자는 〔그림〕－2에서 보는 바와 같은데, 이것은 무수(無水)프탈산과 페놀로 합성된다. 이것은 원래 그 자체는 무색이지만 약알칼리성으로 되면 선홍색(鮮紅色)으로 발색한다. 이 때 OH기의 하나는 알칼리와 반응하여 －ONa 등으로 되고, 하나는 ＝O로 변한다. 또 중앙의 탄소와 산소로 결합되어 있던 카르복시기는 －COONa와 염으로 되어 떨어져 나간다.

알칼리 용액 중에서의 페놀프탈레인분자의 전자상태 및 산성 또는 중성 용액에서의 전자상태를 비교해 보자. 산성이나 중성인 경우, 3개의 벤젠환은 각기 독립되어 있어서 전자가 회전하는 범위도 벤젠환 내에 국한되어 있다. 한편 알칼리성으로 한 경우에 전자는 중앙의 탄소와 벤젠환의 이중결합을 통해 분자 전체에 펼쳐지게 된다. 즉 전자는 헐겁게 결합된 상태로 된다. 그 때문에 전자는 여기되기 쉽게 되고, 흡수되는 파장이 중성·산성인 경우의 자외선 영역에서 벗어나 5,500Å 전후인 가시광선 부분으로 피크를 이루게 된다. 그 때문에 페놀프탈레인은 적색으로 보이게 되는 것이다.

발색과 원자의 관계

發色－原子－關係

일반적으로 분자에 길게 연결된 불포화결합이 있으면 전자가 자유로이 활동하는 공간이 커져서 흡수하는 파장이 긴 파장 쪽으로 미끌어져 나오게 된다.

(CH＝CH)n을 예로 들어 일련의 화합물에서 색이 어떻게 변화하는가를 살펴보기로 하자. n((CH＝CH)n에서 n을 말함)이 1∼2인 경우는 무색, 즉 자외부(紫外部)에 그 흡수역(吸收域)이 있는 분자이다. 그러나 n이 3, 4, 5와 같이 그 수가 증가함에 따라 황색 → 오렌지색으로 되고, 7∼11에서는 청색 → 청자색으로 되며, 50 이상에서는 녹흑색(綠黑色)으로 변하게 된다. 예로 든 일련의 화합물과 같이 탄소·수소로 된 화합물 중에서 불포화결합이 없는 파라핀이나 석유는 무색이고, 불포화결합만으로 된 흑연(graphite)은 진흑색인 것도 역시 같은 원리로서 이해할 수 있다.

또 유기물질은 탄소 수소 이외에 산소·질소·황과 같은 원소를 함유하고 있는 것도 있다. 같은 불포화결합이라도 탄소 이외의 원소가 관계하고 있는 경우에는 상태도 각기 다르다. 이와 같이 분자에 존재하는 불포화결합의 유무와 또 그 불포화결합의 종류에 따라서 분자는 색을 달리하게 된다. 이와 같이 발색(發色)에 관계하는 결합을 '발색단(發色團：chromophore)'이라고 하며, 제각기 특별한 명칭이 붙어져 있다. 이 밖에 －NR2, －NHR, －NH2, －OH, －OCH3 등의 원자단이 발색단과 결합되어 있으면 색이 잘 나타나게 되므로, 이러한 원자단을 '조색단(助色團：auxochrome)'이라고 한다.

안료

안료

顔料

색을 가진 물질은 수없이 많으며, 특히 색이 있는 무기물질은 예부터 착색자료로서 사용되어 왔다. 유기물·무기물을 구분하지 않고 착색물질 중에서 물이나 기름에 녹지 않는 것을 안료라 하고, 녹은 것을 염료라고 하여 구별한다. 안료는 물이나 기름에 녹여 도료·인쇄잉크·그림물감 등으로 사용되는 외에 플라스틱의 착색재료로서도 널리 쓰이고 있다.

유기안료의 종류는 매우 많으나 대표적인 것은 다음의 3종류이다. 즉 할로겐화 인단스렌(청색)·톨루이딘 토너(적색)·한자이 옐로우(황색) 등이며, 기타의 것은 대부분이 이들과 비슷한 구조를 가진 물질이다.

무기안료의 색

無機顔料－色

광물로 만든 무기(無機)안료가 여러 가지 색조를 갖고 있는 이유는 무엇일까. 물론 무기안료에는 유기 착색(有機着色) 물질에 있는 것 같은 발색단이나 조색단이란 것은 없다. 그러나 이들은 그 대신에 무거운 금속을 함유하고 있다. 금속의 원자(이온)는 유기물질의 골격을 이루고 있는 탄소에 비해 원자핵을 둘러싼 전자의 수가 압도적으로 많다. 예를 들면 3가인 철이온은 26개, 코발트이온은 27개의 전자를 가지고 있다. 전자가 원자핵의 주위를 둘러싸는 상태는, 이미 설명한 바와 같이 전자의 수가 많아지면 많아질수록 바깥쪽 궤도로 들어가게 된다. 또 각 궤도로 들어간 전자는 각각 특정한 에너지를 가지고 있고, 인접한 궤도간의 에너지 차이는 바깥쪽 궤도인 것일수록 작아진다. 즉 전자는 비교적 용이하게, 궤도간의 차이만큼의 에너지를 받거나 버리거나 하여 하나의 궤도에서 다른 궤도로 이동하게 된다.

이와 같은 이유로 철이나 코발트의 원자는 비교적 에너지가 낮은 가시광선을 흡수하게 되며, 이로서 발색(發色)이 되는 것으로 생각된다. 물론 이와 같은 상태를 금속과 화합한 다른 원소에 의해 크게 영향을 받는다. 하나의 예로서, 황산구리는 결정수(結晶水)를 함유한 상태에서는 선명한 청색이나, 충분히 건조시키면 백색으로 된다. 이것도 결정수의 유무가 구리이온의 전자상태에 작용하여, 흡수되는 빛의 파장을 바꾸기 때문이다. 가정에서 사용하는 건조제 실리카 겔도 사용하고 있는 동안에 청색에서 적색으로 변화한다. 이것도 실리카 겔에 가해져 있는 몰리브덴의 염(鹽)이 물의 유무에 의해 그 색이 변하는 것을 역(逆)으로 응용한 것이다.

무기안료의 색은 이와 같이 금속이온 그 자체의 색이기 때문에 매우 안정하다. 고대의 벽화 등이 변색되지도 않고 그대로 남아 있는 것도 무기안료를 사용했기 때문이다. 그 밖에 원료도 싸고 제법도 간단하기 때문에 가격이 싸다는 이점이 있다. 그러나 색의 종류나 색채의 선명도에서는 유기안료에 미치지 못한다.

레이크안료

lake 顔料

식물의 녹색이 클로로필이라고 하는 색소에 의한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 클로로필의 분자는 〔그림〕－4에서 보는 바와 같이 마그네슘(Mg)의 주위를 유기화합물이 둘러싼 것과 같은 구조를 하고 있으며, a, b의 2종류가 있다. 이 바깥쪽의 유기부분은 공역 이중결합(共役二重結合)으로 연결된 특수한 원자단으로, 이것을 포르피린환(porphyrin 環)이라고 부른다.

혈액의 붉은 색소인 헤모글로빈도 클로로필과 아주 비슷한 분자인데, 중앙에 철이온(Fe＋＋)이 배열된 포르피린환을 가지고 있다. 이들 화합물은 색을 가지고 있다는 사실 외에 생체 내에서 광합성이나 산소의 운반과 같은 중요한 기능을 하고 있다.

이 예에서 보는 바와 같이, 금속과 화합한 유기물도 일반적으로 무기안료의 경우와 같은 이유로 색이 생기기 쉽게 된다. 안료 중에서 이와 같은 금속과 유기화합물이 결합된 것을 레이크안료라고 한다. 이러한 종류의 대표적인 합성색소로서는 프탈로시아닌류(類)가 있는데, 흥미있는 사실은 그것이 포르피린환과 구조 면에서 아주 비슷하다는 점이다. 프탈로시아닌류의 색은 중앙에 배위(配位)하는 금속에 따라 현저히 달라지며, 납이 들어간 것은 황록색으로, 니켈·코발트·구리가 들어간 것은 심청색(深靑色)으로 된다. 매우 안정되고, 내후성(耐候性)이 좋다는 점 등 무기안료와 비교해 보면 매우 흥미가 있다.

이 밖에 쪽의 알리자린과 알루미늄의 매더 레이크 등 레이크 안료의 종류는 매우 많다.

합성염료

합성염료

合成染料

화학이 오늘과 같이 발달하기 전에는, 사람들은 착색을 위해 산화제이철(Fe2O3)을 사용하거나 패각충의 1종인 연지벌레와 같은 곤충이나 식물의 색소를 추출하여 염료로서 사용하였다. 천연의 색소에 의존하지 않고 색을 가진 유기물질(염료)을 합성하여 여러 가지 색을 낼 수 있게 된 것은 19세기 중엽부터였다.

이 시대는 이른바 근대산업이 싹튼 시대로서, 산·알칼리 공업이나 코크스를 사용한 제출 산업 등이 일어났으며, 또 영국에서는 석탄을 건류하여 도시가스의 공급이 시작되었다(1812년).

최초의 합성염료

最初－合成染料

이와 같은 배경하에서 독일의 호프만(A. W von Hofmann, 1818∼1892)은 제철용의 코크스를 건류하고 나머지 찌꺼기인 석탄타르의 연구를 진행시키고 있었다. 그리하여 호프만과 그의 조수인 퍼킨(W. H. Perkin, 1838∼1907)은 석탄타르의 성분인 톨루이딘으로부터 키니네를 합성하는 도중 우연히 선명하게 착색되는 색소를 발견했다(1856년). 이것은 비단을 아름다운 자색으로 착색시킬 수 있어서 모빈(mauvein)이라고 이름이 붙여졌다. 그 후 퍼킨은 이 염료를 개량하여 1857년에 모브라는 합성염료회사를 설립하게 되었다.

그 후 케쿨레(F. A. von S. Kekule, 1829∼1896)에 의한 벤젠을 중심으로 한 방향족 화합물의 구조나 합성법의 연구가 진행됨에 따라 1876년에는 비트(O. N. Witt, 1853∼1915)가 앞서 말한 발색단·조색단 등 발색에 관한 기본적인 설을 제창했다.

염료의 합성은 이와 같은 화학적인 기초연구와 합성기술의 발달, 산업형태의 변화 등에 힘입어 점차로 발달하여 왔다. 그 중에서 특히 중요한 것은 독일의 그레베(K. Graebe, 1841∼1927) 및 리베르만(K. Liebermann, 1842∼1914)이 발견한 알리자린과 바이어(J. F. A. von Beayer, 1835∼1917)가 발견한 인디고의 합성이다.

알리자린과 인디고

alizarin－indigo

알리자린은 서양 꼭두서니의 뿌리에서 추출되는 색소로서, 옛날부터 목면 등을 붉게 염색하는 데 사용되었다. 그 때문에 서양꼭두서니는 남프랑스를 중심으로 널리 재배되어 왔다. 그러나 그레베는 알리자린이 안트라센의 유도체라는 사실을 발견하여, 1868년 안트라센으로부터의 합성에 성공했다. 이 합성법은 독일과 영국에서 곧 공업화되어 천연에 의존하지 않는 알리자린염료가 대량으로 얻어지게 되었다. 그 때문에 1880년까지 서양꼭두서니의 재배는 모두 자취를 감추고 말았다(〔그림〕－5).

한편, 쪽에서 추출되는 인디고는 양모나 견사와 같은 동물성 섬유와 목면이나 삼과 같은 식물성섬유에서 잘 물들어, 기원전 2,000∼1,000년경부터 이미 이집트에서 사용되었다. 인디고는 아름다운 남색으로 물들며, 내후성이 좋은 염료인데, 원료인 쪽은 인도를 중심으로 대량으로 재배되었다. 그러나 이것도 1880년에 독일의 바이어에 의해서 합성되었다. 그 후 합성방식을 개량하여 간단히 합성할 수 있게 됨에 따라, 독일은 1900년 천연 쪽의 수입을 중지함과 동시에 반대로 합성품을 전세계로 공급하는 입장이 되었다. 그 때문에 쪽의 재배도 급속히 쇠퇴하고 말았다(〔그림〕－6).

이와 같은 두 염료의 합성(合成) 성공은 종래의 천연에 의존하는 방식에서 화학적으로 합성하는 방식으로의 극적인 전환이었다. 그 후부터 화학합성의 길이 급속히 넓어지게 되었다.

또한 19세기 중엽의 타르공업을 중심으로 한 합성염료에 관한 연구의 결과로 현재에는 수만 종류에 이르는 합성염료가 개발되었고, 뿐만 아니라 합성의약공업에로의 기초도 확립하게 되었다.

염료와 염색

염료의 용도

染料－用途

염료의 주요한 용도는 섬유에 대한 염색이나, 오늘날에는 피혁·모피·종이·식용유지(食用油脂)로부터 연료에 이르기까지 이용의 범위가 넓어졌다. 또한 여러 가지 잉크·사진감광색소·의학에도 널리 사용되고 있다. 이와 같은 광범한 용도에 대해 현재 약 40,000종, 2,500 품목에 이르는 합성염료가 만들어져 있어 각 용도에 따라 사용되고 있다.

염료의 분류와 사용법

染料－分類－使用法

섬유에 대한 염색에는 섬유의 종류에 따라 다음과 같은 사용법이 있다. 식물성섬유에는 직접염료·염기성염료·건염염료(建染染料)·황화염료(黃化染料)·불용성염료가 사용되며, 동물 섬유에 대해서는 염기성염료·산성염료·매염염료(媒染染料)·가용성건염염료(可溶性建染染料)가 사용된다. 또 합성섬유에 대해서는 주로 분산염료(分散染料)·불용성 아조염료가 사용되는 일이 많다.

이와 같은 염료가 각기 사용되는 것은 색소분자가 염료로서 섬유에 단단히 고정되기 위해서는 섬유가 필요로 하는 염료분자에 차이가 있기 때문이다.

염기성염료와 산성염료

鹽基性染料－酸性染料

예를 들면 양모나 비단은 폴리펩티드로 된 고분자이기 때문에 분자 내에 카르복시기나 아미노기를 많이 가지고 있다. 그 때문에 산성 또는 알칼리성의 기(基)를 가지고 있는 염료는 섬유의 산 알칼리기와 염 또는 수소결합을 만들어서 강하게 결합된다. 이와 같은 염료를 각각 산성염료·염기성염료라 부르고 있다.

직접염료

直接染料

목면이나 삼·레이온과 같은 식물성섬유는 중성의 분자로 구성되어 있기 때문에 양모나 비단용의 염료로는 착색이 잘 되지 않는다. 그러므로 셀룰로오스 분자가 가지고 있는 수산기(－OH)와 직접 강하게 결합되는 염료가 사용된다. 이것이 직접염료로, 콩고레드(congo red)를 비롯하여 벤젠계의 아조염료 등이 있다.

건염염료

建染染料

목면의 경우에 흔히 사용되는 염색 방법에 건염(建染)이라고 하는 방법이 있다. 이것은 염료 자체만으로는 물에도 녹지 않고 또 섬유에도 친화력이 없는 것을 일단 다른 화합물의 형태로 섬유에 흡착시켜 놓고 그 후 원래의 염료의 형태로 환원하여 발색시키는 것이다.

옛날부터 쪽염색에 사용되어 온 인디고가 그 대표적인 것으로, 먼저 인디고를 알칼리성 환원제로 환원하여 디히드로화합물(흰쪽)로 하고 알칼리성으로 만들어서 섬유에 놓아 두면, 섬유에 흡착되어 있던 디히드로화합물은 산화되어 원래의 인디고로 환원되어 남색으로 발색한다.

매염염료

媒染染料

중성의 목면에 염색하는 경우 여기에 적당한 처리를 하여 산성기(酸性基) 또는 염기성기를 섬유에 부착시켜 주면 산성 또는 염기성염료로 염색이 가능하게 된다. 이와 같이 천과 염료의 관계를 중개해 주는 물질을 '매염제'라고 하며, 이러한 염색법을 매염염색이라고 한다.

알리자린에 의한 염색은 이 방법이 사용되었던 것으로, 옛날에는 먼저 산패(酸敗)한 올리브유에 석회를 넣고 여기에 목면을 담갔다. 그리고 이어서 황산알루미늄으로 처리하여 콜로이드상의 금속 산화물이 섬유의 표면에 붙어 염료가 천에 부착하기 쉬운 상태로 했다. 이렇게 하여 매염이 끝난 천을, 알리자린염료를 곱게 분산시킨 액에다 담그면 알리자린 4분자는 금속 수산화물과 화합하여 터키 레드(turkey red：madder lake)라고 하는 화합물을 만들고 적색으로 물든다. 이 방법에 의해서 염색을 하려면 몇 개월이 걸리므로, 현재는 매염제로 다른 금속을 사용하여 쉽게 염색하고 있다.

천에 무늬 넣기

천에 염색을 하는 경우, 전체를 고르게 염색하는 경우 및 무늬를 넣는 경우가 있다. 천을 고르게 염색하는 데는 주로 포염기(布染機)를 사용하는데, 여기에는 염료와 조제(助劑)가 들어 있는 통이 갖추어져 있다. 무늬를 넣는 경우에는 날염(捺染)이라고 하는 방법이 채택된다.

날염

捺染

가정에서 수예품을 염색하는 데 납염(蠟染)이라고 하는 염색법이 흔히 사용되는데, 이것은 간단한 날염법의 일종으로, 천의 일부를 초로 덮고 염색하면 그 부분만이 염색되지 않고 남아 무늬 있는 천이 된다. 또 건염염료를 사용하는 경우에는 알칼리성 하이드로설파이드와 환원형 염료의 풀을 천의 무늬를 넣으려는 부분에 이겨 붙여 놓고, 다음에 산화욕(酸化浴) 중에서 산화시켜 발색시키면 간단히 무늬를 넣을 수가 있다.

아리다이법

aridy 法

동일한 무늬를 천에 날염하는 방법으로서는 이 방법이 흔히 이용된다. 이것은 물 혹은 기름에 녹지 않는 프탈로시아닌안료나 안트라키논류의 안료를 유탄액(乳濁液) 속에 잘 분산시킨 풀(paste)로 만들어서 이것으로 날염한다. 그런데 이 경우에는 유탁액에 열경화성수지(熱硬化性樹脂：예를 들면 요소수지·글리프탈수지의 변성품)를 함유한 용매를 사용한다. 이렇게 하면 날염 후 열처리를 함으로써 수지가 굳어져서 안료가 옷감에 강하게 붙는다. 보통의 염색에서는 염료가 섬유분자와 어떤 화합결합으로 연결되어 있는 데 비해, 이 경우에는 물에도 기름에도 녹지 않는 안료가 수지의 힘으로 섬유에 부착되어 있게 된다.

오늘날에는 이 방법을 개선하여 인쇄기와 같은 기계를 써서 동일한 무늬를 차례로 찍혀서 나오게 하고 있다(프린트 옷감). 일반적으로 이와 같이 안료를 분산시키는 것을 분산염료(分散染料)라 하는데, 이것은 합성섬유와 같이 염료와의 관능기(官能基)를 가지고 있지 않는 것이 많이 사용된다.

컬러필름

컬러필름의 구조

color film－構造

천연의 색채를 그대로 나타나게 하려는 꿈은 컬러필름으로 그 실현을 보아 오늘날 널리 사용되고 있다. 물체의 형상뿐만이 아니라 그 색깔까지도그대로 나타나게 하려면 특정한 파장의 빛(색)에만 감광하는 감광제가 있어야 한다.

실제의 컬러필름에서는 7가지 색을 표현하기 위해 청·적·황 등 3원색의 빛에 감광하는 감광제를 조합하고 있다. 대표적인 것으로는 필름 베이스 위에 이 3가지 색에 대한 감광제를 유제(乳劑)로 만들어서 바르는 다층유제법(多層乳劑法)이 채택되고 있다. 같은 7가지 색을 표현하는 데도 컬러텔레비전의 형광판과 같이 한 평면 위에 3원색을 모자이크상으로 배열하는 방법과는 약간 다르다.

베이스 위에 3개의 감광유제(感光乳劑)를 바르는 경우에는 녹과 적에 감광하는 유제는 청색으로도 감광하기 때문에 녹·적의 유제 앞에 황색 필터를 놓고 청색이 투과해 오지 않도록 하고 있다. 또 필름 베이스의 이면에는 투과한 빛의 반사를 막는 반사방지막(反射防止膜)이 붙어 있다. 이러한 구조에 의해 컬러필름은 3가지 색을 1장의 필름 위에 각기 다른 층으로 감광시키는 것이다.

색에 감광하는 감광제

色－感光－感光劑

특정한 색에만 감광하는 감광제도 역시 흑백사진에 사용되고 있는 것과 같이 할로겐화은(halogen 化銀)을 주체로 하고 있다. 이 할로겐화은 자체는 자외선으로부터 가시광선의 단파장 부분(청색까지의 빛)을 잘 느낀다. 그 때문에 흑백사진의 필름으로 사용하기 위해서도 녹색이나 청색의 염료에 염색되고, 적색이나 황색 파장의 빛에도 잘 감광되도록 할 필요가 있다. 오늘날의 흑백필름은 모두 이와 같이 할로겐화은이 흡수하는 파장역(波長域)을 적색부 쪽으로 이동시켜 가시광선 전역을 커버할 수 있게 만들어져 있다.

이와 같은 염료를 잘 사용하면 할로겐화은의 감광역(感光域)을 특정의 파장(색)에 한정시킬 수 있다. 이렇게 하여 색증감제(色增感劑)로서 사용되고 있는 것에 시아닌계의 색소가 있다.

적외선 필름도 마찬가지로 네오시아닌·이소시아닌과 같은 색소를 써서 적외선을 특히 잘 감광할 수 있도록 만든 것이다. 특히 네오시아닌 등은 800㎛까지의 감광역을 가지고 있다.

컬러필름의 발색

color film－發色

컬러필름으로 촬영한 다음, 일단 흑백의 현상을 하면 흑백 필름의 경우와 마찬가지로 빛이 닿았던 부분에 은입자(銀粒子)가 검게 석출된 음(陰)의 영상이 얻어진다. 다만 컬러필름의 경우에는 적·청·황의 3원색이 각각의 감광층 위에 따로따로 은입자를 남기게 된다. 이것을 컬러 사진으로 만들려면 3원색의 노출된 빛의 세기에 비례하여 감광층에 각각의 색을 만들어 주면 된다.

필름 위에서 색을 합성하는 데는 두가지 방법이 있으나 발색의 원리는 모두 같으며 현상주약(現像主藥)과 반응하여 색을 만드는 발색제(커플러라고 한다)가 사용되고 있다. 현상주약에는 N－N＇－디에틸－P－페닐렌디아민의 유도체가, 그리고 커플러로서는 여러 가지 나프톨유도체나 활성메틸렌을 가지고 화합물이 사용된다. 어느 경우이든 컬러사진에는 3원색에 해당하는 3종류의 발색제가 필요하다. 〔그림〕－8에 적색의 발색에 사용되는 대표적인 반응을 제시하였다.

내식반전(內式反轉)필름이라고 하는 것은 3종류의 커플러를 각 감광층에 미리 넣어 놓은 것이다. 이 경우에는 1회의 현상으로 맨 위의 청색감광층은 황색으로, 다음의 녹색감광층은 적색으로, 맨 아래의 적색감광층은 청색으로 발색한다. 그러나 이것은 피사체(被寫體) 색의 여색(餘色)이 된 것으로, 원래의 색을 얻기 위해 한번 더 인화지에 구워야 한다. 컬러네거티브 필름이라는 이름으로 시판되고 있는 것이 바로 이것이다.

외식반전(外式反轉)필름은 이것과 달라 필름 위에 피사체의 색을 재현할 수가 있다. 커플러는 감광층에는 함유되어 있지 않으며, 현상을 할 때에 가하게 된다. 먼저 촬영을 할 때에 감광된 은입자를 모두 씻어 낸 다음, 감광되지 않고 남은 부분을 씻고 나서 3원색의 단색광에 노출시킨다. 그 후에 커플러를 함유한 현상액에 담가서 발색시킨다. 다시 말하면 내식반전필름인 경우와는 발색부분이 반대로 된 필름이 얻어진다.

인쇄잉크와 인쇄

인쇄잉크

印刷 ink

물체에 채색을 주는 경우, 염료나 안료가 그 물체에 잘 묻고 또 고정이 잘 되도록 하지 않으면 안 된다. 이와 같은 것으로 대표적인 것이 도료이며, 그 중에서 종이를 채색의 대상으로 하는 것이 인쇄잉크이다.

도료의 기능은 색채를 부여하는 것 외에도 얇은 피막을 이루어 도장한 물체 표면을 덮어 이를 보호하는 역할을 한다. 그 때문에 도료베이스(展色劑)로서 여러 가지 고분자 물질이나 유지류가 사용되며, 여기에 착색제로서 여러 가지 안료가 혼합된다.

인쇄잉크도 마찬가지로 종이에 잘 먹도록 전색제(展色劑：vehicle)로서 유지와 같은 고분자물질이 사용되며, 안료가 이 물질에 미립자상태로 잘 분산되도록 롤러나 믹서로 잘 혼합시킨 것이다. 그러나 인쇄에는 여러 가지 방식이 있고, 인쇄방식에 따라 요구되는 인쇄잉크의 성질에도 다소의 차이가 있으므로 요구에 따라서 여러 가지 첨가제를 넣어 용해·온합하고 있다.

인쇄의 형식과 잉크

印刷－形式－ink

인쇄의 방법은 보통 인쇄잉크를 종이 등의 인쇄물에 옮기는 판의 형식에 따라 다음의 3종류로 나눈다.

철판

凸板

인쇄되는 판의 부분이 철부(凸部)로 되어 있고, 철부에 묻은 잉크가 롤러에 의해서 판에 밀착된 종이에 옮겨지는 것이다. 활자를 인쇄하는 활판이나 사진판·선화철판(線畵凸板) 등이 있으며, 사진 등의 농담(濃淡)은 크기가 다른 망점으로 표현된다. 잉크로는 바니시를 주체로 한 전색제(展色劑)로 안료를 반죽하여 적당한 끈기를 준 것이 사용된다. 전색제에는 바니시 외에 광유(鑛油) 등도 사용되며, 또 인쇄물에 광택을 주기 위해서 유용성(油溶性)의 페놀수지나 알키드수지를 가하는 경우가 있다.

평판

平版

판에는 요철(凹凸)이 없으며, 인쇄되는 부분에 만 잉크가 묻고 다른 부분은 잉크가 묻지 않도록 되어 있다. 대표적인 것에 오프셋(offset)이 있으며, 이것은 판에서 직접 종이에 인쇄하는 것이 아니고 고무롤러를 매체로 하고 있다. 잉크는 일단 판에서 고무롤러로 옮겨지고(off), 그것이 종이에 인쇄(set)된다. 철판(凸板)과 마찬가지로 종이에 먹어드는 잉크의 양은 가감이 되지 않으므로 사진 등의 농담은 망점의 크기로 표현된다.

사용하는 잉크는 철판의 것과 똑같은 것이나, 특히 평판에서는 용기를 거꾸로 해도 흘러나오지 않을 정도의 끈기가 있어야 하고, 또한 블랭킷이나 롤러 위에 잘 퍼져야 한다는 점이 요구된다.

요판

凹版

철판과는 반대로 판의 잉크가 묻는 부분이 오목하게 되어 있어, 그 부분에 담겨 있는 잉크를 종이에 옮기는 방식이다. 철판(凸板)이나 평판과 달리 잉크의 양은 요부(凹部)의 깊이로 가감되므로 사진이나 그림의 농담(濃淡)은 잉크의 양으로 표현되고 계조(階調)도 풍부하며 깊이 스며드는 인쇄가 가능하다. 그라비어(gravure) 인쇄가 그 대표적인 것이다.

요판용(凹版用)의 잉크는 철판이나 평판과 달리 유동성(流動性)이 강한 것이 사용된다. 이것은 필요한 잉크를 요부(凹部)에 남기고, 판 위의 여분의 잉크가 종이에 옮겨지기 때문이다. 이와 같은 잉크로서는 천연 또는 합성수지(페놀수지·요소수지·멜라민수지 등)를 알코올이나 톨루엔 등의 비점(沸點)이 낮은 용제에 녹인 것을 전색제(展色劑)로 하고, 여기에 안료를 혼합해서 만든다.

천연색인쇄

天然色印刷

인쇄에서 천연의 색을 내려고 할 경우 원고가 가지고 있는 여러 가지 색의 잉크를 모두 사용하는 것은 아니다. 보통은 원고의 색을 3원색으로 분해 촬영하고, 그물눈 스크린을 써서 각각 망점으로 제판한 3개의 판을 만든다. 이것을 차례차례로 겹쳐서 인쇄함으로써 원고의 색을 내는 것이다. 따라서 잉크는 3원색만 있으면 충분하고, 인쇄 화면을 확대해 보면 3가지 단색의 작은 망점이 적당히 배합되어 원고의 색조를 내는 것이다.

원리적(原理的)으로는 이와 같이 3원색만 있으면 천연의 색이 나오는 것이지만, 실제로는 세부(細部)의 흑(黑)을 표현하여 상태를 치밀하게 하기 위해 흑(黑)을 한 판 더 추가한 4색쇄(四色刷)가 보통이다. 또 잉크의 종류에 의해 색의 표현 범위가 한정되기 때문에, 더욱 정교한 색조를 중시하는 경우에는 중간의 색판을 추가한 다색쇄(多色刷)를 하는 경우도 있다.

빛을 내는 물질

형광체

螢光體

우리는 시계의 문자판에 흔히 야광도료가 칠해져 있어, 한밤중에도 청백색으로 빛나 시각을 알 수 있다. 이러한 것들은 보통의 물질이 어느 파장의 빛을 흡수하거나 반사하여 그에 대응한 색을 내는 것과는 달리 빛을 받아들임으로써 그 빛과는 파장이 다른 새로운 빛을 내는 물질이다. 그러나 이 경우, 고온의 물체가 빛을 낼 때와 같은 발열은 수반하지 않는다. 이와 같은 성질을 가진 물질을 형광물질 혹은 형광체라고 하고, 형광체가 내는 빛을 형광이라고 한다.

무기물(無機螢光體)에는 산화우라늄을 함유한 카나리유리·납유리를 비롯하여 시안화백금이나 알칼리토류 금속의 황화물 등 매우 많은 것이 알려져 있다. 유기물(有機螢光體)에도 많은 것이 있는데, 석유를 비롯한 플루오레세인·에오진·에스크린·키닌염류의 수용액 등은 옛날부터 알려진 것들이다. 이 밖에도 최근에는 많은 것이 합성되어 도료나 염료로도 사용되고 있다. 또 생물체 내에 존재하여 생물발광의 원인이 되는 물질도 형광물질이라고 할 수 있다. 유기형광체는 일반적으로 분자 내에 〔그림〕－9에서 보는 바와 같이 원자단을 함유한 거대한 분자가 형광을 내는 것이라고 한다. 이러한 원자단을 '형광단(螢光團)'이라고 한다.

형광체의 이용

螢光體－利用

형광물질에는 가시광선을 비롯하여 자외선과 그 밖에 전자파(電磁波)·방사선 등을 흡수하여 형광을 내는 것이 있다. 이들 중에서 가시광선 영역의 형광을 내는 것은 도료와 그 밖의 여러 분야에 이용된다.

X선 촬영장치

Xray 撮影裝置

X선·자외선 및 전자선(電子線) 등이 있는 경우, 형광물질이 가시광선을 내면 그것을 사용해서 시각상 보이지 않는 X선 등을 간접적으로 볼 수가 있다. X선 촬영장치 형광판은 그 일례로, 형광체로서 Zn·CdS Ag를 유리판에 바른 것이다.

브라운관

brown 管

텔레비전이나 레이더의 브라운관에 바른 형광체도 눈에 보이지 않는 전자광선을 가시광선으로 바꾸는 역할을 한다. 브라운관은 전류에 실린 신호에 따라서 전자빔(電子 beam)을 발사하는 전자총(電子銃)과, 전자선을 받아 형광을 내어 상(像)을 나타내는 형광막으로 되어 있다. 브라운관에는 일반적으로 형광체로서 ZnS－Ag, Zn·CdS－CuAg 또는 CaO·MgO·2SiO2－Ti, (ZnBe)2 SiO4－Mn 등이 조합된 것이 사용되고 있다.

브라운관에서 색을 내려면 전자선을 받아서 내는 여러 가지 형광의 색이 다른 형광체를 잘 조합해서 사용하면 된다. 컬러텔레비전용의 브라운관은 청·녹·적의 3원색을 내는 형광체를 미세한 점으로 하여 상호 교대로 나란하게 바른 형광막을 사용하고 있다. 여기에 3원색으로 분광(分光)된 상(像)을 전자선으로 바꾸어 조사(照射)하면 전자선의 강약에 따라 3원색의 형광이 여러 가지로 발색하여 마치 3원색의 상을 겹쳐서 인쇄하는 것처럼 7가지 색이 표현되는 것이다.

컬러텔레비전이나 브라운관의 형광체에는 각종 물질이 사용되고 있으며, 청색성분으로는 ZnS－Ag, Cao·MgO·2SiO2－Ti, 또 적색성분으로서는 (ZnCd)S－Ag, Zn3－(PO4)2－Mn, 녹색성분으로서는 (ZnCd)S－Ag, Zn2 SiO4－Mn 등이 주로 사용되고 있다.

형광판이나 형광막으로 사용되는 형광체는 모두 합성된 무기물질이며, 그 속에는 Ag·Ti·Mn과 같은 금속이 함유되어 있다. 이들 금속은 액티베이터(活性劑·賦活劑)라고 불리며, X선이나 전자선이 발생하는 중심으로 되어 있다.

형광등

螢光燈

조명기구로서 널리 사용되고 있는 형광등은 유리관의 내벽에 발려져 있고, 수㎜ Hg의 낮은 압력하에 아르곤과 소량이 수은증기가 봉입되어 있는 것이다. 관에 전압이 걸려 관의 내부에서 방전이 일어나면, 수은증기의 분자는 격렬하게 충돌하여 자외선을 방출한다. 이것이 관벽의 형광체에 흡수되어 새로이 밝은 가시광선이 방출되는 것이다.

형광등에 사용되는 형광체에는 텅스텐산칼슘(청)·텅스텐산마그네슘(청백)·규산아연(녹)·규산아연베릴륨(황)·염화인산카드뮴(오렌지색)·규산카드뮴(담홍색) 등 여러 가지 색조의 것이 있으나 실제로는 이들을 적당히 조합하여 사용하고 있다.

형광도료와 안료

螢光塗料－顔料

가시광선 영역의 형광을 내는 것을 안료로서 사용하면 보통의 안료를 사용한 경우에 비해 선명한 색의 도료가 된다. 그 이유는 도료 자체의 반사색(反射色) 외에 형광체가 방출하는 형광이 더해져 있기 때문이다. 예를 들면 많이 사용되고 있는 적색의 형광도료는 그 자체가 적색인 데다가 형광체가 자외부(紫外部)로부터 녹(綠)까지의 입사광을 흡수하여 그보다 파장이 긴 빛(赤色)을 형광으로서 방출하여 빛나는 것처럼 보이는 적색을 나타내는 것이다. 그 때문에 포스터·광고판·도로표지·구명보트 등 사람들의 눈길을 끌게 할 필요가 있는 것에 사용되고 있다. 이 밖에 폴리스티렌과 같은 투명한 플라스틱에 형광체를 안료로 섞으면, 수지 자체가 형광을 내게 되므로 스위치의 손잡이나 도어의 손잡이 등에 사용되고 있다.

또 형광체에 방사성동위원소를 섞은 도료는 전혀 외광(外光)이 없는 곳에서도 방사성동위원소의 방사선을 흡수하여 빛을 낸다. 그 때문에 이와 같이 스스로 빛을 발하는 성질이 있는 도료는 야광도료로서 시계·계기류(計器類) 등의 문자반(文字盤)에 사용되고 있다.

염료

染料

형광체는 염료로서도 사용할 수 있다. 예를 들면 블랑코포어류(類)라고 하는 형광성의 염료는 자외선을 흡수하여 푸른 형광을 발한다. 그 때문에 이 염료로 흰 천을 염색하면 시각적으로 흰색이 섞여 있는 것처럼 느껴진다. 그러므로 형광표백염료(螢光漂白染料)로서 세탁한 후 흰 천을 염색하는 데 사용하거나 미리 세제(洗劑) 속에 넣어 사용하기도 한다.