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흑연과 다이아몬드의 공통점은? 주목받는 탄소이야기
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흑연과 다이아몬드의 공통점은? 주목받는 탄소이야기
2014. 8. 13. 09:46
겉으로 봐도 큰 차이가 나는 흑연과 다이아몬드. 검은색에 투박한 흑연과 투명하게 빛나고 있는 다이아몬드는 누가 봐도 다릅니다. 또한, 흑연의 속성은 쉽게 부서지지만 다이아몬드는 단단해서 공업과정에서도 많이 쓰이고 누구나 다이아몬드는 부서지지 않는다는 생각을 하고 있죠. 도저히 공통점이라고는 찾을 수 없는 둘이지만, 사실 둘은 가족관계. 그것도 매우 가까운 쌍둥이 형제랍니다. 믿을 수 없겠지만, 이 둘의 공통점이 있다고 하는데 과연 무엇일까요?
흑연과 다이아몬드는 사실 모두 탄소(C) 한 가지 원소로만 구성되어 있어요. 한가지 원소로 구성되지만 이렇게 다른 성질을 보이는 물체를 동소체라고 합니다. 흑연과 다이아몬드는 서로 다른 결정구조를 지니고 있기에 이러한 차이가 나타나요.
▲ 탄소의 다양한 동소체 (출처: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon)
탄소는 이처럼 다양한 동소체를 가지는데요. 다이아몬드는 탄소 원자가 서로 결합하여 결정 구조를 이루는 a 구조입니다. 그러므로 단단해서 잘 부서지지 않으며 아름다운 결정 형태로 나타나는 것이죠. 반면 흑연은 탄소 원자가 모여 층을 이루며, 이러한 층이 모여서 형성된 층상구조입니다.
직접 결합하는 것이 아니라 분자 사이에 인력에 의지하기에, 층 사이의 결합이 약할 수밖에 없는 구조죠. 그래서 같은 원소지만 이러한 구조 차이로 흑연과 다이아몬드는 큰 차이를 보이는 것이랍니다.
▲ 탄소나노튜드 합성 이미지 (출처 : 한화케미칼 홈페이지 http://hcc.hanwha.co.kr)
탄소 한 원자는 다른 4원자와 결합할 수 있기에 다양한 구조와 화합물이 존재하고 화학적으로 매우 중요한 원소인데요. 오늘 이야기해드릴 주제가 바로 최근 크게 주목 받고 있는 탄소의 두 가지 동소체인, 탄소나노튜브(CNT, Carbon nano tube)와 그래핀(Graphen)입니다.
▲ 탄소나노튜브 구조 (출처 : 한화케미칼 홈페이지 http://hcc.hanwha.co.kr)
탄소나노튜브(CNT)는 이처럼 원통형 구조를 이루며, 안이 비어 있는 나노 크기의 튜브에요. 나노란 10억분의 1m로 머리카락 두께의 1/50,000에 해당하는 크기인데요. 이렇게 작고 한가지 원소로 이루어진 매우 얇은 관이지만, 탄소나노튜브에는 무시할 수 없는 많은 특징이 있어요
철보다 강도가 10,000배 뛰어나며, 전선으로 주로 사용되는 구리보다 1,000배 높은 전기전도도를 지니고 있습니다. 또한, 열전도율도 1,000배 이상 높습니다. 이러한 독특한 성질을 지니는 물체는 여태까지 없던 신소재라 다양한 분야의 활용이 기대되는데요. 가령 운동장비를 만든다면 기존의 장비보다 가볍고 단단하면서 탄성이 좋은 성질을 살려 제작할 수 있으며, 우주항공∙반도체∙디스플레이 등 다양한 분야에서의 활용이 기대됩니다. 한화케미칼에서는 지난 2013년 한화나노텍과의 합병을 통해 탄소나노튜브의 대량생산 기술을 확보하고 상업화와 다양한 응용분야의 연구에 박차를 가하고 있어요.
▲ 그래핀 구조 (출처 : 한화케미칼 홈페이지 http://hcc.hanwha.co.kr)
그래핀(Graphene)은 흑연과 비슷한 구조를 지니지만, 단 한 개의 층으로 구성되어 있다는 점이 흑연과의 큰 차이점입니다. 얇은 한 개의 층의 구조지만 다이아몬드보다 2배 단단하다는 점이 그래핀의 놀라운 점인데요. 다이아몬드는 탄소와 탄소 사이에 하나의 결합으로 이루어져 있지만, 그래핀은 이중결합이 섞여 있어 더욱 단단한 구조를 나타냅니다. 얇은 한 층의 구조에서 추측할 수 있듯이 그래핀은 투명성을 띄며 휘어지는 성질이 있어, 그래핀으로 디스플레이를 만든다면 튼튼하면서도 잘 휘어지는 디스플레이를 만들 수 있습니다.
따라서 그래핀이 나노 사이즈로 돌돌 말린 구조가 탄소나노튜브이며, 면이 말리는 각도와 형태에 따라 다양한 특성이 나타납니다.
▲ 탄소나노튜브 이미지 (출처 : 한화케미칼 홈페이지 http://hcc.hanwha.co.kr)
탄소나노튜브(CNT)는 면의 개수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브 (SWCNT, Single-Walled CNT), 이중 벽 탄소나노튜브(DWCNT , Double-Walled CNT), 다중 벽 탄소나노튜브 (MWCNT, Multi-Walled CNT)로 나누어지며, 한화케미칼은 국내에서 대표적인 단일 벽 탄소나노튜브(SWCNT)과 다중 벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 생산하는 기업이에요.
한화케미칼은 2007년부터 나노기술 연구를 시작했으며, 2008년 한화나노텍을 통해 탄소나노튜브의 대량생산기술을 확보하고, 2009년 단일 벽 탄소나노튜브(SWCNT) 대량 생산기술과 정제기술을 개발하고, 2011년에는 미국 그래핀 전문 제조 업체인 XG사이언스 회사의 지분을 인수하여 그래핀의 기술을 확보하고, 2013년에 공장을 준공하여 2014년부터 탄소나노튜브의 대량생산을 시작하고 시장 진출에 나섰습니다. 그리고 현재까지 한화케미칼에서는 지속적인 연구를 통해 다양한 상품을 연구하고 개발하며 시장 개척에 나서고 있어요.
꿈의 신소재로 각광받는 두 가지 나노소재 그래핀과 탄소나노튜브. 한화케미칼에서는 현재 두 가지 기술 모두 확보하고 연구 중이기에 두 소재 각각의 특성을 살린 다양한 응용상품의 개발이 기대되요. 또한 비슷하면서도 서로 다른 구조와 성질을 지니는 두 가지 나노소재의 상호보완이 기존 재료의 한계를 뛰어넘고, 공상과학영화 속에서나 볼 수 있던 구조물과 장비가 현실이 되는 날도 멀지 않을꺼라 기대해 봅니다.
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