흑연
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흑연(黑鉛, graphite) 또는 석묵(石墨)은 탄소의 동소체 중 하나이다. 천연에서 산출되기도 하고 인공적으로 제조되기도 한다. 영어 이름 'graphite'는 '쓰다'라는 뜻의 그리스어 'graphein'에서 유래하였다. 다이아몬드와 화학 조성은 같으나 결정 구조가 달라 동질이상 관계에 있다. 흑색에서 철회색을 띠며 금속광택을 내고, 모스 경도 1~1.5로 매우 연하다. 전기 및 열 전도성이 우수하고 내열성, 내식성이 강하여 다양한 산업 분야에서 활용된다.
정의와 명칭
흑연은 탄소 원자로 이루어진 광물로, 다이아몬드와 동질이상 관계에 있다. 그리스어 'graphein'(쓰다)에서 이름이 유래되었으며, 이는 연필심의 주재료로 쓰인 데서 비롯되었다. 한국어에서는 '흑연'과 '석묵'이 혼용된다.
성질
흑연은 탄소 원자가 육각형 고리로 연결된 층상 구조를 가진다. 층간 결합은 약한 반데르발스 힘이므로 층이 쉽게 미끄러져 부드럽고 윤활성이 좋다. 전기 전도성은 층 방향으로 높고 층에 수직인 방향으로 낮아 이방성을 보인다. 열전도율도 높으며, 공기 중 발화점은 500~600°C이다. 진한 황산과 질산의 혼합물로 처리하면 산화흑연이 생성된다.
천연 흑연의 종류
천연 흑연은 결정 크기와 형태에 따라 분류된다.
| 종류 | 특징 |
|---|---|
| 인상흑연 (플레이크 흑연) | 육안으로 식별 가능한 판상 결정, 전기 전도성 우수, 윤활제·배터리용 |
| 토상흑연 (비정질 흑연) | 미세 결정, 고정 탄소 60~85%, 내열성 우수, 주로 내화물용 |
| 결정질 맥흑연 (정맥 흑연) | 순도 최대 99%, 높은 전기 전도성, 고급 전극·원자로용 |
인상흑연은 변성퇴적암에서, 토상흑연은 석탄층의 변성 작용으로 생성된다. 결정질 맥흑연은 중국과 캐나다 등에서 산출된다.
인조 흑연
인조 흑연은 에드워드 굿리치 애치슨이 탄화 규소 실험 중 처음 합성하였다. 주로 제유 과정에서 생산되는 코크스를 탄소 공급원으로 하여 제조된다. 인조 흑연은 성질의 편차가 심하여 공업용으로는 천연 흑연보다 덜 사용되지만, 특수 용도에 맞춰 생산되기도 한다.
용도
흑연은 다양한 산업에서 활용된다.
- 연필심: 흑연과 점토를 혼합하여 만든다.
- 윤활제: 층상 구조로 인해 고체 윤활제로 사용된다.
- 전극: 전기로, 배터리, 연료 전지의 전극 재료.
- 내화물: 고온 용광로의 라이닝, 도가니 등.
- 원자로: 감속재 및 반사체로 사용.
- 열교환기: 부식성 환경에서의 열교환기 소재.
리튬 이온 배터리의 음극재로 흑연 수요가 크게 증가하고 있다.
대한민국의 흑연 광상
대한민국은 세계적으로 중요한 흑연 생산국 중 하나였다. 경제적 가치가 있는 흑연 광상은 주로 변성퇴적암 중의 인상흑연과 석탄층이 변성된 토상흑연이다. 대표적인 산지로 경기도 청평·가평·시흥, 충청남도 공주, 경상남도 곡성, 경상북도 문경 등이 있다. 1905년경 경상북도 상주와 함경남도 영흥에서 토상흑연이 처음 채광되었고, 1907년경 평안북도 용암포에서 인상흑연이 채광되기 시작하였다.