인조와 천연 그라파이트(Graphite)

 

1. 그라파이트(Graphite)

자연 상태에서 광물로 존재하는 탄소(Carbon)의 결정질 형태입니다.

흑연이라고도 불리며, 탄소 원자들이 육각형 구조로 층상 배열을 이루고 있는 것이 특징입니다.

 

 

2. 천연그라파이트 구조와 결합 원리

1) 결정 구조: 육방정계 (Hexagonal System)

    천연 그라파이트는 가장 안정적인 형태인 육각형 벌집 모양의 층들이 겹겹이 쌓여 있는 구조입니다.

  - 단위 격자: 탄소 원자 6개가 정육각형 고리를 형성합니다.

  - 적층 방식: 보통 ABAB 방식으로 쌓입니다. 첫 번째 층(A)과 세 번째 층은 위치가 같고,

    두 번째 층(B)은 약간 어긋나게 배치되어 육각형의 중심 위에 위층의 원자가 오도록 배열됩니다.

    (드물게 천연 상태에서 ABCABC 구조의 삼방정계가 섞여 있기도 합니다.)

 

2) 화학적 결합 원리

그라파이트의 독특한 성질은 탄소 원자의 sp^2 혼성 결합에서 나옵니다.

층 내부 (강한 공유 결합):각 탄소 원자는 인접한 3개의 탄소 원자와 강한 공유 결합을 형성합니다.

이 결합은 다이아몬드만큼이나 단단하여 평면 방향으로는 매우 높은 강도와 열전도성을 가집니다.

결합 길이는 약 1.42Å(0.142nm)입니다.

층 사이 (약한 반데르발스 힘) -층과 층 사이에는 직접적인 화학 결합이 아닌,

아주 약한 인력인 반데르발스 힘(van der Waals force)이 작용합니다.

층간 간격은 약 3.35Å(0.335nm)로, 층 내부 원자 간격보다 2배 이상 넓습니다.

이 약한 결합 때문에 층들이 쉽게 미끄러지며, 이것이 흑연이 부드럽고 윤활성이 좋은 이유입니다.

 

3) 전기 전도성

자유 전자탄소는 원자가 전자가 4개인데, 그라파이트 구조에서는 3개만 공유 결합에 참여합니다.

남은 1개의 전자는 결합에 참여하지 않고 층 평면을 따라 자유롭게 이동할 수 있는

 

3. 천연그라파이트와 인조그라파이트 비교와 특징

구분	천연 그라파이트	인조 그라파이트
존재	자연 광물	석유계 원료 합성
비용	상대적으로 저렴	고가
결정성	불균일	매우 균일
배터리 적용	최근 급증	고성능용

 

4. 천연그라파이트와 인조그라파이트 비교와 특징

구분	천연 그라파이트
플레이크 그라파이트(Flake Graphite)	판상(비늘 모양) 모양의 결정
	배터리, 방열 소재 등에 사용
아모퍼스(Amorphous) 그라파이트	미세 결정 구조
	내화물, 연필심 등에 사용
베인(Graphite Vein, Lump Graphite)	결정성이 매우 우수
	첨단 전기·전자 소재에 활용