흑연

탄소 원자가 육각형 평면 구조를 이루고 층층이 배열된 흑연은 자연 상태에서 얻을 수 있고, 표준 조건에서 가장 안정적인 형태이며, 높은 압력과 온도에서는 다이아몬드로의 변환이 가능하다.¹⁾ 전도성이 커서, 전극, 배터리 및 태양 전지 패널과 같은 전자 제품에 쓰인다.

목차

변성 과정 동안 퇴적 탄소 화합물이 환원된 흑연은 변성암에서 주로 발견되지만, 화성암과 운석에도 존재한다. 흑연과 관련된 미네랄로는 석영, 방해석, 운모, 전기석 등이 있다. 중국, 멕시코, 캐나다, 브라질, 마다가스카르 등은 흑연의 주요 생산국이다.

그림 1. 흑연 시편()

화학결합의 유형에 따라 여러 탄소 동소체가 알려져 있다. 가장 일반적인 두 가지 동소체는 다이아몬드와 흑연이다. 다이아몬드에서 탄소-탄소 결합은 sp³이고, 탄소 원자는 4개의 가장 가까운 이웃 탄소에 각각 결합하여 정사면체를 형성한다. 흑연은 sp² 혼성 오비탈의 결합을 형성하고, 탄소 원자들은 각각 120^o의 각도를 이루며 평면을 형성한다. 각각의 층에서 탄소 원자는 0.142nm의 간격을 두고 벌집 격자로 배열되고, 층 사이의 거리는 0.33 nm이다. 평면 내의 탄소 원자는 4개의 잠재적 결합 부위 중 3개만 공유 결합하고, 제4의 전자는 평면에서 자유롭게 이동할 수 있어 전기 전도성이 생긴다. 그러나 평면에 직각 방향으로는 전도하지 않는다. 층들 사이의 결합은 약한 반 데르 발스(van der Waals) 결합을 하고 있어, 흑연 층끼리는 쉽게 분리되거나 서로 미끄러진다.

그림 2. 흑연의 층 쌓임 측면도()

흑연과 다이아몬드 사이의 전이에 해당하는 평형 압력과 온도는 이론과 실험으로 잘 확립되어 있다. 온도와 압력은 0K, 1.7GPa 그리고 5000K, 12 GPa 사이에서 선형으로 변하나,²⁾ 상들이 서로 공존할 수 있는 넓은 영역을 갖는다. 정상 온도와 압력, 즉 20°C(293K) 및 1기압(0.10MPa)에서 탄소의 안정한 상은 흑연이지만, 그 조건에서 다이아몬드는 준 안정이라 흑연으로의 전환율은 무시할 만하다. 그러나 약 4500K 이상의 온도에서 다이아몬드는 빠르게 흑연으로 변환된다. 흑연을 다이아몬드로 빠르게 전환하려면 평형 선보다 훨씬 높은 조건-2000K에서 35GPa의 압력-이 필요하다.

그림 3. 이론적으로 예측된 탄소의 상 도표()

포논(phonon)은 단단히 결합한 평면을 따라 빠르게 전파하지만, 한 평면에서 다른 평면으로 이동하는 속도가 느리기 때문에, 흑연의 음향(acoustic) 및 열 특성은 큰 이방성을 갖는다. 높은 열 안정성과 전기 및 열 전도성으로 인해, 흑연은 고온 재료 처리 응용 분야에서 전극 및 내화제로 널리 사용된다. 그러나 산소가 있는 대기에서 흑연은 쉽게 산화되어 700°C 이상의 온도에서 이산화 탄소로 바뀐다.³⁾ 흑연 및 흑연 분말은 자체 윤활 및 건식 윤활 특성으로 산업 응용 분야에서 가치가 있다.

천연 흑연은 주로 내화물, 배터리, 제강, 팽창 흑연, 브레이크 라이닝, 주조 외장 및 윤활제로 쓰인다.

1893년 스트리트(C. Street)는 인공 흑연 제조 공정을 발견했다. 1890년대 중반 애치슨(E. G. Acheson)은 카보런덤(Carborundum)이라고도 부르는 탄화 규소(SiC) 합성하였고, 그 후 우연히 합성 흑연을 생산하는 또 다른 방법을 발명했다. 그는 카보런덤에 대한 고온의 영향을 연구하였으며 이때 실리콘이 약 4,150°C에서 기화하고 탄소가 흑연질 탄소(graphitic carbon) 형태로 남아있는 것을 발견했다. 이 흑연은 윤활유로 유용하게 쓰인다.

그래핀(graphene)은 2차원 벌집 격자로 배열된 단일 원자 층으로 구성된 탄소 동소체이다. 그래핀은 2004년 맨체스터 대학의 가임(A. Geim)과 노보셀로프(K. Novoselov)에 의해 분리되었다.⁴⁾ 그들은 스카치 테이프(Scotch tape) 기법을 사용하여 흑연에서 그래핀 층을 분리하였다.

그래핀 층의 각 원자는 가장 가까운 세 개의 이웃에 σ-결합으로 연결되어 있으며. 층 전체에 걸쳐 확장된 전도 띠에 하나의 전자를 제공한다. 이것은 탄소 나노 튜브, 다환 방향족 탄화수소, 풀러렌 및 유리질 탄소에서 볼 수 있는 것과 동일한 유형의 결합이다.

그래핀은 평면을 따라 매우 효율적으로 열과 전기를 전도한다. 이러한 구조는 모든 가시 파장의 빛을 강하게 흡수하므로 흑연은 검은색을 띤다. 그러나 단일 그래핀 층은 극도로 얇기 때문에 거의 투명하다. 한편, 이 소재는 동일한 두께의 강철보다 약 100배 더 강하다.

그림 4. 그래핀은 탄소 원자로 만들어진 원자 규모의 육각형 격자이다.()

1.
2. Wang, C. X.; Yang, G. W. (2012). 'Thermodynamic and kinetic approaches of diamond and related nanomaterials formed by laser ablation in liquid'. In Yang, Guowei (ed.). Laser ablation in liquids : principles and applications in the preparation of nanomaterials. Pan Stanford Pub. pp. 164–165.
3. Hanaor, D.; Michelazzi, M.; Leonelli, C.; Sorrell, C.C. (2011). 'The effects of firing conditions on the properties of electrophoretically deposited titanium dioxide films on graphite substrates'arXiv1303.2757doi10.1016/j.jeurceramsoc.2011.07.007
4. Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. (22 October 2004). 'Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films'. Science. 306 (5696): 666–669.