탄소 동소체 종류 :: 흑연, 그래핀, 다이아몬드, CNT 등

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탄소 동소체 종류 및 특징

동소체란 한 종류의 원소로만 이루어졌으나 원자의 배열과 구조가 달라서 그 성질이 여러 가지인 물질들을 말한다. 동위원소와는 다른 의미이다. 참고로 동위원소는 같은 수의 양성자 수를 갖지만 중성자 수가 달라 질량이 다른 원소를 말한다. 탄소를 예를 들면 C-12, C-13, C-14는 모두 양성자 수가 6개로 탄소라 불리지만 중성자 수가 각각 6, 7, 8개를 가지고 있어 질량수가 각각 12, 13, 14로 차이가 있다. 여기서 C-12, C-13, C-14는 동위원소이다.

 

탄소 동소체에는 흑연(그라파이트), 그래핀, 다이아몬드, 탄소나노튜브(CNT), 풀러렌(버키 볼) 무정형탄소 등이 있다.

 

 

1. 흑연(Graphite)

 

석묵이라고도 불리는 흑연은 분자구조가 판 형식으로 되어 있어 잘 부스러지는 암석이다. 천연에서 산출되기도 하고 인공적으로 제조되기도 한다. 일상에서 흔히 볼 수 있는 연필심을 제조하는 주요 재료가 된다. 과거에는 납 펜과 비슷하게 쓸 수 있다 하여 흑연(Black lead)이라 불렸으나 최근에는 그라파이트라고 쓰는 경우가 많다.

 

그라파이트는 각 탄소가 3개의 다른 탄소 원자와 공유결합된 육각형 배열로 이루어지며, 이때 남은 전자 하나는 자유전자가 되어 흑연이 우수한 전도성을 갖게 한다. 육각형 배열로 형성된 평면이 적층 되어 층상구조를 가지며, 층 사이의 거리는 340pm이다.

 

그라파이트(흑연)

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2. 그래핀(Graphene)

 

현재 각광받고 있는 신소재 중 하나로 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양으로 서로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루고 있으며, 현재까지 가장 얇은 두께의 화합물로 알려져 있다. 처음에는 흑연에서 단층을 분리해냄으로써 그 정체가 알려졌고, 흑연을 뜻하는 Graphite와 탄소화합물을 뜻하는 접미사 ene가 결합되어 Graphene이 되었다.

 

그래핀은 열과 전기의 뛰어난 전도체이며, 강철보다 약 200배 더 강한 특성을 지니고 있어 거의 모든 산업에서 사용될 수 있는 무한한 잠재력을 지닌 소재이다. 하지만 고품질 재료를 생산하는 것이 매우 어렵고, 대면적의 그래핀을 합성하면 전기전도도와 기계적 강도를 떨어뜨리는 문제를 지니고 있다. 우수한 특성에도 불구하고 상업적 규모로 생산하기가 어렵고, 비용이 많이 드는 단점으로 인해 상업용으로 활용하기에는 시간이 좀 더 필요할 것으로 보입니다.

 

그래핀(image : SITN)

 

 

3. 다이아몬드(Diamond)

 

다이아몬드는 탄소 원소로만 이루어진 원소 광물로 금강석, 찬석이라고도 불린다. 다이아몬드는 천연소재 중에서 가장 높은 경도와 열전도율을 가지고 있어 절단이나 연마 도구와 같은 산업분야에 사용됩니다. 또한 원자 배열이 매우 견고하여 오염시킬 수 있는 불순물이 거의 없으며, 매우 높은 굴절률을 가지고 있다.

 

다이아몬드는 순수한 탄소로 이루어진 물질이기 때문에 산소가 풍부한 조건에서는 760~875℃의 비교적 낮은 온도에서 완전히 연소되어 이산화탄소가 된다. 또한 산소가 없더라도 1 기압에서 고온에 놔두면 더 안정한 흑연으로 상전이 한다. 그러나 다이아몬드의 순수한 용융점 자체는 매우 높아 산소가 없는 지구 내부의 고온 고압 조건에서도 다이아몬드가 존재할 수 있다.

 

다이아몬드는 반물질이나 희소 원소 같은 물리학 실험에서 원자 단위로 사용되는 물질을 제외하고 일반 대중에게 상업적으로 거래되는 물질 중에서 단위 중량당 가격이 가장 비싼 물건이다. 광채와 높은 경도 등의 특성으로 보석으로 매우 인기가 높다. 심지어 인조 다이아몬드조차 보석으로 사용할 목적으로 제대로 만든 것은 매우 비싼 가격에 거래되고 있다.

 

Diamond

 

 

4. 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube)

 

탄소나노튜브는 탄소 원자들이 일정한 패턴으로 배열되어 있는 나노 규모의 구조물입니다. 탄소나노튜브는 일반적으로 1nm 이하의 지름을 가지며, 길이는 몇 백 나노미터에서 몇 백 마이크로미터까지 다양하게 나타납니다.

탄소나노튜브는 그래핀 시트를 구부려서 만든 것으로, 그래핀과 비슷한 물성을 가지면서도 더 다양한 구조를 가질 수 있습니다. 탄소나노튜브는 강한 결합력과 높은 전도성, 열 전도성을 가지며, 매우 가벼우면서도 높은 인장강도를 가지기 때문에 다양한 분야에서 활용됩니다.

탄소나노튜브는 전자, 광학, 전기, 기계, 생물학 등 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있습니다. 예를 들어, 전자 공학 분야에서는 나노전자 소자나 필드발광소자 등에 사용될 수 있으며, 재료 공학 분야에서는 고강도 재료로 사용될 수 있습니다. 또한, 바이오나노 분야에서는 나노 센서나 약물 전달 시스템 등의 응용이 가능합니다.

 

탄소나노튜브의 종류로는 탄소 벽의 수에 따라 Single-walled, Double-walled, Multi-walled로 나누며, 탄소 층의 배열 방법에 따라 Torus, Nanobud, Cup stacked, Extreme 등으로 나뉜다. 종류에 따라 강도나 기타 특성에 차이가 나타나는데 특히 전기적 특성이 크게 차이가 난다.

 

탄소나노튜브 (image : physicsworld)

 

 

5. 풀러렌(Fullerene, 버키 볼)

 

탄소 원자가 단일 결합과 이중 결합으로 연결된 분자로 폐쇄형 또는 부분 폐쇄형이 형성된다. 풀러렌 분자는 속이 빈 구, 타원체, 튜브 등 다양한 모양과 크기를 가질 수 있다. 일반적으로 축구공 모양인 구형의 C60이 가장 널리 알려졌지만 그 외에도 다양한 모양을 가질 수 있으며 이는 분자에 존재하는 탄소 원자의 수에 따라 달라진다.

 

풀러렌은 높은 전기 전도도와 열 전도도, 안정성을 가지고 있어서 다양한 분야에서 활용됩니다. 특히, 광학적, 전자적, 생물학적 등 다양한 물성을 가지고 있기 때문에 센서, 초전도체, 태양광 전지, 의학용 약물 전달체 등의 응용분야에 연구되고 있습니다.

또한, 풀러렌을 이용하여 나노 복합체나 나노 복합재료 등의 제조도 가능합니다. 풀러렌은 물질의 특성을 개선하고 새로운 물질의 형성을 가능하게 하는 기능성 재료로서 매우 중요한 역할을 합니다.

 

풀러렌 (image : CHEMISTRY GLOSSARY)

 

 

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