흑연

흑연은 탄소 원자 6개가 고리 모양으로 연결된 평면이 층층이 쌓인 구조를 가진다. 탄소 간 결합 길이는 $1.42\text{Å}$이며, 층 사이의 간격은 약 $3.348\text{Å}$이다. 층 내부의 탄소 원자들은 강한 공유 결합으로 연결되어 있으나, 층과 층 사이는 약한 반데르발스 힘으로 결합되어 있어 쉽게 미끄러지는 특성이 있다. 이로 인해 모스 경도가 1~1.5 정도로 매우 부드럽고 매끄러운 촉감을 가진다.

전기 전도성은 층 방향으로는 매우 높으나 층에 수직인 방향으로는 낮아 강한 이방성을 보인다. 열전도율 또한 우수하며, 온도가 상승함에 따라 강도가 증가하는 독특한 성질을 지닌다.

화학적으로 매우 안정적인 물질이다. 공기 중에서의 발화점은 약 500600°C이며, 산소 중에서 가열하면 600700°C에서 이산화 탄소($CO_2$)가 된다. 산, 알칼리 및 유기 용매에 대한 부식 저항성이 강하다. 분말 상태의 흑연을 진한 황산과 진한 질산의 혼합물로 처리하면 녹갈색의 산화흑연을 얻을 수 있으며, 질산으로 산화시키면 멜리트산이 생성된다.

천연에서 산출되는 흑연은 결정의 형태와 크기에 따라 크게 세 가지로 분류된다.

인상흑연은 주로 변성암에서 발견되며, 토상흑연은 석탄층이 변성 작용을 받아 생성되는 경우가 많다.

인조 흑연

인조 흑연은 미국의 에드워드 굿리치 애치슨이 탄화 규소 실험 중 처음으로 합성하였다. 주로 석유 정제 과정에서 나오는 코크스를 탄소 공급원으로 하여 고온에서 열처리하여 제조한다. 천연 흑연에 비해 성질의 편차가 있을 수 있으나 특수 공업용으로 제조되어 사용된다.

흑연 층간 물질 (GIC)

흑연의 층 사이에 다른 원자나 분자를 끼워 넣은 화합물이다. 칼륨(K)과 같은 알칼리 금속을 끼워 넣으면 자유 전자가 증가하여 전기 전도도가 높아지며, 특정 조건에서 초전도 현상을 보이기도 한다. 반면 플루오르화물이나 산화물이 공유 결합을 형성하며 끼어들면 전기 전도도는 감소한다.

흑연은 그 특성에 따라 다양한 분야에서 필수 소재로 사용된다.

• 에너지: 리튬 이온 배터리의 음극재, 연료 전지의 바이폴라 플레이트.
• 필기구: 점토와 혼합하여 연필심 제조.
• 산업용 소모품: 고온 용광로의 도가니, 내화 벽돌, 전극봉.
• 기계: 고체 윤활제, 베어링, 밀봉 링.
• 원자력: 원자로 내의 중성자 감속재 및 반사체.
• 열관리: 열교환기 소재 및 방열 시트.

대한민국은 과거 주요 흑연 생산국 중 하나였다. 경제적 가치가 있는 광상은 주로 변성퇴적암 내의 인상흑연과 석탄층이 변성된 토상흑연으로 나뉜다. 주요 산지로는 경기도 가평·청평, 충청남도 공주, 경상북도 문경 등이 알려져 있다. 역사적으로는 1905년 경북 상주 등에서 토상흑연이, 1907년 평북 용암포에서 인상흑연이 처음 채광되기 시작하였다.