흑연과 그래핀: 차이점은 무엇인가요?

흑연과 그래핀은 같은 탄소이지만 이보다 더 다를 수는 없습니다. 그래핀은 다양한 분야에서 사용될 수 있는 특별한 특성을 가지고 있습니다. 이 글에서는 이들의 구조와 용도 및 비용에 대해 알아보겠습니다. 자세히 알아보겠습니다.

흑연 대 그래핀

그라파이트란?

탄소로 만든 흑연(탄소 동소체) 시트는 육각형 격자입니다. 그래핀은 서로 겹겹이 미끄러지는 성질에서 윤활감이 느껴집니다. 흑연은 이제 연필부터 윤활유, 심지어 배터리에 이르기까지 일상용품에서 발견됩니다. 흑연은 여전히 전도체입니다(층을 이루고 있기 때문에 그래핀만큼 전도성은 떨어지지만). 저렴하고 비교적 풍부하기 때문에 많은 산업 분야에서 활용될 수 있는 유력한 후보입니다.

그래핀이란?

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 단일 층입니다. 또한 두께가 단일 원자이기 때문에 소재 자체가 매우 얇으면서도 매우 강할 수 있습니다. 가볍고 투명에 가까워 '기적의 물질'로 불리기도 하지만, 전기 전도도가 지금까지 우리가 접한 어떤 물질보다 강하기 때문에 '기적의 물질'이라고도 불립니다. 강철보다 200배 더 강하고 원자 한 개 두께에 불과합니다. 전자제품에서 의료 기기에 이르기까지 그 응용 분야는 무궁무진하지만, 자연에 비교적 풍부하게 존재하는 소재인 만큼 제작 비용이 많이 들고 어렵습니다.

구조

레이어 대 단일 레이어

흑연: 여러 층의 탄소 시트가 서로 겹쳐진 구조로 이루어져 있습니다. 이 층들은 서로 약하게 결합하기 때문에 서로 쉽게 미끄러질 수 있습니다. 이것이 바로 우리가 흑연을 손에 쥐었을 때 미끄럽다고 느끼는 이유이며 윤활유와 같은 역할을 하기도 합니다.

그래핀: 탄소 원자가 벌집처럼 얽힌 단일 층으로, 강도와 유연성이 뛰어난 한 원자 두께의 물질입니다.

본딩의 차이점

흑연: 흑연은 원시적인 반 데르 발스 힘에 의해 층이 서로 결합되어 있기 때문에 쉽게 갈라지거나 쪼개집니다.

그래핀: 이 탄소 원자들은 단일 층 내에서 매우 단단하게 결합되어 있어 그래핀에 강력한 강도와 유연성을 불어넣습니다.

흑연과 그래핀의 특성

전기 전도도

흑연: 흑연도 층 사이에서 자유롭게 이동하는 전자 덕분에 전기를 전달하지만, 여기에 추가 그래핀 시트가 없는 흑연은 전도성이 떨어집니다. 층이 충분히 멀리 떨어져 있을 때 저항이 발생합니다.

그래핀: 가장 잘 알려진 전기 전도체 중 하나 전자가 거의 저항 없이 통과할 수 있기 때문에 그래핀은 고속 전자 장치에 적합합니다.

기계적 강도

흑연: 부드럽고 부서지기 쉽습니다. 흑연은 쉽게 부러지기 때문에 연필심에 사용됩니다. 약한 결합으로만 층이 결합되어 있기 때문에 쉽게 부서지기 쉽습니다.

그래핀: 강철의 20배에 달하는 매우 견고한 소재입니다. 그래핀의 구조는 탄소 원자의 두께가 하나에 불과하지만 강력한 결정 격자와 각 C-C 결합이 길이의 두 배에 해당하는 강도를 가지고 있기 때문입니다.

4.3열 전도성

흑연: 열 전도성이 우수하여 패시브 냉각 등에 널리 사용됩니다.

그래핀: 뛰어난 열 전도성. 열 에너지에 가장 적합한 전도체 중 하나이므로 전기 부품을 냉각하는 데 좋은 선택입니다.

애플리케이션

흑연

연필: 연필은 흑연을 '심'으로 사용하기 때문에 번지거나 번지지 않고 표면에 쉽게 표시했다가 필요할 때 지울 수 있습니다. 흑연은 여러 장의 시트가 겹겹이 쌓여 있어 아주 적은 압력으로도 글씨를 쓸 수 있고 종이에 자국을 남길 수 있습니다.

윤활유: 미끄럽기 때문에 기계 간의 마찰을 방지하기 위해 윤활유에 포함됩니다. 흑연 층은 매끄럽기 때문에 서로 쉽게 미끄러져 견고한 장벽을 형성하여 움직임으로 인한 부품 마모를 줄여줍니다.

배터리: 흑연은 리튬 이온 배터리 음극에서 안정성과 효율적인 에너지 저장이라는 두 가지 주요 기능을 수행할 수 있는 본질적인 원소인 것으로 밝혀졌습니다. 이 층상 구조는 충전/방전 주기 동안 리튬 이온이 쉽게 유입되고 빠져나갈 수 있게 해줍니다.

제강: 철강 제조 시 높은 수준의 열을 견뎌야 하기 때문에 일반적으로 내화 재료로 사용됩니다. 이를 위해 절연 라이닝 파운드리 및 코팅 용광로에서는 고품질 강철 제조를 위한 절대적인 요건인 일정한 온도를 유지해야 합니다.

그래핀

전자공학: 그래핀은 우수한 전기 전도체이기 때문에 버클리 연구소와 UC 샌디에이고의 두 가지 새로운 실험에서 제안된 한 가지 가능성은 컴퓨터 칩에 실리콘 대신 그래핀을 사용해 더 시원하게 작동하면서도 (이상적으로는) 계산당 에너지 소비가 적은 더 빠른 장치를 만들 수 있다는 것입니다. 전자 이동성이 높기 때문에 미래 컴퓨팅 기술에 필요한 빠른 전환 속도에 이상적으로 적합합니다.

의료 기기: 생체 적합성과 민감한 그래피는 바이오센서, 약물 전달 시스템, 조직 공학 등에 이상적입니다. 무독성과 생물학적 시스템과의 호환성 덕분에 의료 진단이나 치료 치료에 사용하기에 매력적입니다.

에너지 저장: 슈퍼커패시터와 첨단 배터리는 향후 그래핀을 사용해 더 높은 에너지 저장량으로 더 빠른 충전 시간을 가능하게 할 수 있습니다. 표면적이 넓고 전도성이 높기 때문에 에너지 저장 장치의 성능을 개선하여 오래 사용할 수 있습니다.

복합 재료: 그래핀은 금속 및 플라스틱과 같은 다른 재료와 결합하여 더 가벼우면서도 더 강하거나 전기 전도성이 있는 재료로 만들 수 있습니다. 이러한 그래핀 강화 복합재료의 잠재적 응용 분야는 무게를 줄이고 연비를 높이며 전반적인 절제 성능을 개선하는 것입니다.

흑연 대 그래핀: 비용

흑연: 낮음

풍부함: 흑연은 전 세계에서 채굴되는 일반적인 천연 형태로 저렴하게 구할 수 있으며, 쉽게 구할 수 있고 비용 효율적인 광물입니다.

생산 비용: 흑연은 생산 및 가공 비용이 저렴하기 때문에 많은 산업 분야에서 사용하기에 적합합니다.

그래핀: 높음

생산의 어려움: 그래핀을 생산하는 것은 흑연을 생산하는 것보다 훨씬 더 어렵습니다. 단층 h-BN은 이제 습식 방법을 사용하여 제조할 수 있지만, 화학 기상 증착(CVD) 및 박리 기술과 같은 기존 제조 방식으로는 제조가 어렵습니다. 여전히 비용이 많이 들고 대규모 제조를 위해 쉽게 확장할 수 없습니다.

가격 동향: 그래핀 가격의 하락 추세에도 불구하고 이 소재의 가격은 흑연보다 훨씬 높습니다. 현재 그래핀을 보다 비용 효율적으로 생산할 수 있는 방법을 개발하여 그래핀이 상업적으로 실용화될 수 있도록 하는 연구가 진행 중입니다.

결론

흑연과 그래핀은 서로 유사한 몇 가지 고유한 특성을 공유하므로 중요한 재료 그룹이 됩니다. 따라서 그래핀을 탄소 진화의 마지막 단계로 간주할 수 있습니다. 흑연은 수십 년 동안 산업계에 기여해 왔지만, 그래핀은 다양한 분야의 많은 분야를 혁신할 수 있는 진정한 게임 체인저라고 생각하는 사람들이 많습니다. 현재의 연구를 통해 그래핀을 더 저렴하고 간단하게 생산할 수 있다면, 이 신소재가 왕이 되는 세상이 그리 멀지 않을지도 모릅니다. 흑연의 실용성을 존중하든, 그래핀의 잠재력에 매료되든, 지금 당장 결정하세요. 기술과 산업을 발전시키기 위해서는 둘 다 함께 노력해야 할 것입니다.