흑연

정의

흑연(黑鉛, 영어: graphite) 또는 석묵(石墨)은 탄소(C)의 동소체 중 하나이다. 천연에서 산출되기도 하고, 인공적으로 합성되기도 한다. 흑연의 영어 이름인 "graphite"는 "(글 따위를) 쓰다"라는 뜻의 그리스어 "graphein"(γράφειν)에서 유래되었다. 독일 광물학자 아브라함 고틀로프 베르너(Abraham Gottlob Werner)가 1789년에 이 이름을 제안하였다.

결정 구조 및 물리적 성질

흑연은 탄소 원자가 육각형 고리 모양으로 연결되어 넓은 판상(층상) 구조를 이루고, 이 층들이 수많이 쌓인 결정 구조를 가진다. 각 층을 그래핀(graphene)이라고 하며, 일반적으로 수백 층 이상이 겹쳐져 있다. 각 층 내의 탄소 원자 간 결합은 공유 결합(결합 길이 약 1.42Å)으로 매우 강하지만, 층과 층 사이는 약한 반데르발스 힘(층간 거리 약 3.35Å)으로 결합되어 있어 쉽게 미끄러진다.

• 색상: 철흑색 내지 강회색(Ferrous-black to steel-gray). 극히 얇은 박편에서는 투명하게 보이며 청색광을 통과시킨다.
• 굳기(모스 경도): 1~2로 매우 부드럽다.
• 비중: 1.9~2.3
• 광택: 금속 광택(metallic luster)
• 조흔색: 검은색(black)
• 결정계: 육방정계(hexagonal) 또는 능면체정계(rhombohedral). 자연 상태에서는 주로 α-흑연(육방정계, ABA 적층)이 우세하며, β-흑연(능면체정계, ABC 적층)은 5~15% 정도 포함된다.
• 전기 전도성: 층 내에서는 전자가 자유롭게 이동할 수 있어 전기 전도체로 작용하나, 층에 수직인 방향의 전기 전도도는 약 1,000분의 1 수준으로 이방성이 매우 크다.
• 열전도성: phonon(포논) 전파가 층 내에서는 빠르지만 층 간에는 느려, 열적 성질도 높은 이방성을 보인다.

화학적 성질

흑연은 화학적으로 상당히 안정한 물질이다. 공기 중 발화점은 약 500~600°C이며, 산소 중에서 가열하면 600~700°C에서 이산화 탄소(CO₂)가 된다. 강산과 산화제에 의해 산화흑연(graphite oxide) 또는 황산수소흑연(graphite bisulfate) 등의 층간 삽입 화합물(intercalation compound)을 형성할 수 있다. 흑연은 리튬 이온(Li⁺)을 층간에 삽입(intercalation)할 수 있어 리튬 이온 전지의 음극재로 널리 사용된다.

열역학적 특성

흑연은 표준 온도와 압력(상온, 1기압)에서 탄소의 가장 안정적인 동소체이다. 다이아몬드는 준안정 상태로, 상온에서 흑연으로의 전환 속도는 무시할 수 있을 정도로 느리다. 약 4,500K 이상의 고온에서는 다이아몬드가 빠르게 흑연으로 전환된다. 흑연이 다이아몬드로 전환되기 위해서는 극고온·고압(예: 2,000K에서 약 35GPa)이 필요하다.

천연 산출

흑연은 탄소질 퇴적암이 변성 작용을 받아 형성된다. 주로 편마암, 편암 등 변성암에서 산출되며, 화성암이나 운석에서도 발견된다. 주요 산출국은 중국, 인도, 브라질, 터키, 북한, 멕시코, 캐나다, 마다가스카르 등이다. 중국이 세계 생산량의 약 65%를 차지한다(2016년 기준 전 세계 120만 톤).

천연 흑연은 광석의 결정성과 입자 크기에 따라 다음과 같이 분류된다:

• 비정질(미세결정질) 흑연: 열변성된 석탄층에서 주로 산출된다.
• 결정질 인상(flake) 흑연: 탄소질 변성암에서 채굴된다.
• 괴상(lump/chip) 흑연: 고변성 지역의 광맥(vein)에서 산출된다.

인조 흑연

인조 흑연은 탄화수소 물질을 2,100°C 이상(일반적으로 2,500~3,000°C)에서 열처리하여 제조된다. 가장 대표적인 공정은 미국의 에드워드 굿리치 애치슨(Edward Goodrich Acheson)이 1896년 특허를 받은 애치슨 공정(Acheson process)이다. 애치슨은 탄화 규소(SiC) 실험 중 약 4,150°C에서 규소가 증발하고 남은 탄소가 흑연 형태로 남는 것을 발견하였다. 상업적 생산은 1897년부터 시작되었다.

인조 흑연은 순도가 99.9% 이상으로 매우 높지만, 천연 흑연에 비해 밀도와 전기 전도도가 낮고 다공성이 높은 편이다. 고도로 배향된 열분해 흑연(HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite)은 최고 품질의 인조 흑연으로 주사 탐침 현미경(SPM) 교정용 길이 표준 등 과학 연구에 사용된다.

용도

1. 내화 재료(Refractories): 흑연 도가니, 알루미나-흑연 성형품, 탄소-마그네사이트 벽돌 등 제강용 고온 내화 재료(전체 소비량의 약 50%).
2. 리튬 이온 배터리: 음극재(anode material)로 사용(전체 소비량의 약 18%). 전기자동차(EV) 배터리에 필수적이며, 닛산 리프 한 대에는 약 40kg의 흑연이 사용된다.
3. 주조(Foundry): 주형 이형제, 탄소 첨가제(약 10%).
4. 윤활제(Lubricants): 층상 구조의 윤활 특성을 이용한 고온·극저온용 고체 윤활제(약 5%).
5. 연필(Pencils): 흑연과 점토를 혼합하여 심을 만든다. 1795년 니콜라 자크 콩테(Nicolas-Jacques Conté)가 현대적 연필 심을 발명하였다.
6. 원자로: 중성자 감속재(neutron moderator) 및 반사재. 핵연료 등급 흑연은 붕소 등 중성자 흡수 불순물이 극소량 함유되어야 한다.
7. 제강(Steelmaking): 용강의 탄소 함량 조절용 카본 라이저(carbon raiser).
8. 브레이크 라이닝: 무석면 유기(NAO) 브레이크 패드의 마찰 재료.
9. 팽창 흑연(Expanded graphite): 내화 차단재(firestop), 고온용 개스킷, 연료 전지용 분리판(bipolar plate).
10. 기타: 전기차 모터 브러시, 카본 마이크로폰 압력 센서, 유리 가공 공구, 스텔스 전투기 레이더 흡수 재료, 대형 강입자 충돌기(LHC) 빔 덤프 등.

역사

• 신석기 시대(기원전 4천년기): 동남유럽 마리차(Marița) 문화에서 도자기 페인트로 흑연을 사용.
• 1565년 이전(일부 기록은 1500년경): 영국 컴브리아주 버로우데일(Borrowdale)에서 대규모 흑연 광상 발견. 양 표시용, 대포탄 주형용 내화 재료로 사용되어 영국 해군력 강화에 기여.
• 1778년: 카를 빌헬름 셸레(Carl Wilhelm Scheele)가 흑연, 몰리브덴석, 방연석이 서로 다른 광물임을 증명.
• 1789년: 베르너가 "graphite" 명명.
• 1795년: 콩테가 점토 혼합 연필 심 발명.
• 1896년: 애치슨이 인조 흑연 제조 특허 등록.

안전 및 환경

흑연 분진에 장기간 노출되면 진폐증(pneumoconiosis)을 유발할 수 있다. 미국 OSHA의 허용 노출 한계(PEL)는 8시간 작업 기준 1.5 mg/m³, NIOSH의 권장 노출 한계(REL)는 2.5 mg/m³(호흡성 분진)이다. 흑연은 고농도 분진 상태에서 정전기 축적으로 인한 폭발 위험이 있다. 흑연 채굴은 심각한 환경 부정적 영향을 초래할 수 있다.

재활용

인조 흑연 전극의 제조 과정 및 사용 후 잔여물은 분쇄·분급하여 주로 제강용 탄소 첨가제로 재활용된다. 흑연 함유 내화물은 흑연 함량이 낮아 재활용률이 낮은 편이나, 일부는 슬래그 컨디셔너나 노 보수재로 사용된다. 제강 공정의 부산물인 키시(kish)에서 고품질 인상 흑연을 회수하는 기술도 개발되어 있다.