Chapter11탄소

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Chapter.11 탄소재료
01. 탄소재료 개론
1. 서론

탄소 : 지구상에 존재하는 가장 풍부한 원소 중 하나
- 유기물의 주요성분
- 생활 속 다양한 용도로 이용
- 결정구조, 조성, 배열형태에
따라 분류
- 흑연계통 탄소재료
: 판상구조
: van der Waals 힘 혹은
π- π 결합
1. 서론
2. 탄소재료의 구조


원자번호 6번, 4족 원소
공유결합
3
- sp 혼성궤도,
2
sp 혼성궤도,
sp혼성궤도를 형성
02. 탄소재료
1. 흑연(Graphite)
(1) 개 요
- 같은 원소로 구성되면서도 구조와 성질이 크게 다른 여러 동소체로
존재 : 무정형탄소, 흑연, 다이아몬드
- 1789년 Werner에 의해 graphite라고 명명함 : graphein
(2) 분 류
1. 흑연(Graphite)
① 흑연의 특성
ㆍ구조
1. 흑연(Graphite)
ㆍ성질
1. 흑연(Graphite)
② 제조 방법
천연흑연
유기물,석탄의
접촉변성작용, 광역변성작용
↓
온도와 압력의 증가
↓
층 형성
↓
400℃이상에서 결정화
인조흑연
1. 흑연(Graphite)
③ 응용 분야
ㆍ천연 흑연
주형재료
주형 및 도가니 제작
탄소강원료
주철의 탄소함량 증가율
내화재료
비철금속 공업용, 노즐제작
탄소봉제조
전극, 공업용 탄소봉제조
원자로용
중성자의 감속재
윤활재 및 포장재
금속표면코팅, 특수포장, 브레이크
기타
폭약재료, 고무공업용원료,
연마분, 기타
1. 흑연(Graphite)
ㆍ인조 흑연
- 흑연층간화합물을 이용한 리튬이온 2차전지
- 전기제강용 흑연전극
- 알루미늄 전해제강용 전극
- 흑연전해판
- 불침투성 흑연 열교환기
2. 다이아몬드
⑴ 다이아몬드의 종류
ㆍ천연다이아몬드
ㆍ합성다이아몬드
-다결정의 기상합성 다이아몬드 (chemical vapor deposition diamond)
-소결 다이아몬드(high-pressure high-temperature diamond)
2. 다이아몬드
(2) 다이아몬드의 성질
2. 다이아몬드
(3) 다이아몬드의 제조법
① 열역학적으로 안정한 제조법 – HPHT & Natural Diamond
ㆍ고온고압법(High Pressure High Temperature)
-용매금속의 존재가 필요
2. 다이아몬드
② 준안정한 제조법-CVD(Chemical vapor deposition)
-1952년에 시행, 1980년대 산업화
-운동론(kinetics)적으로 진행
-5%이내 탄소원자를 이용
-2,000K이상 가열 시 수소원자분해
(arc-jet, hot filament, microwave plasma, DC arc, oxy-acetylene flame)
3. 카본블랙
⑴분류
제법에 따른 분류
contact black, furnace black, thermal black, lampblack
원료에 따른 분류
Gas black, oil furnace black, naphthalene black,
anthracene black, acetylene black, 송연, 유연black,
animal black, vegetable black
⑵ 카본블랙의 성질
ㆍ입자크기가 작을수록 짙은 흑색, 강한 응집력, 착색력 감소, 적색조
ㆍ단위결합체가 클수록 옅은 흑색, 분산이 용이,우수한 전기전도성
ㆍ표면화학적 특성 – pH
- 고휘발분(중성, 약알칼리성) : 양호한 분산성, 적색조
- 저휘발분(산성) : 우수한 저장안정성
3. 카본블랙
3. 카본블랙
⑶ 제조법
① 열분해방법
-천연가스를 원료로 이용
-2개의 로(furnace) 필요(기능교체)
-제조 순서
천연가스 주입
↓
내열성재료로부터 나온 열이
천연가스를 분해
↓
에어로졸 재료 흐름이 물 스프레이
로 냉각, bag house에 걸러짐
↓
불순물제거, 펠렛화, 포장
3. 카본블랙
② Channel 방법
- 금속반응로에서 천연가스의 불완전연소반응을 통해,
반응로 외벽에 나게 되는 검댕을 모아 생산
- 작은 입자크기, 고급흑색안료로 사용
- 환경문제
③ Furnace 방법
ㆍOil-furnace process : 방향족 액화탄화수소를 가열,주입해 naturall
gas-fired furnace의 연소부분에서 탄화수소를 분해시켜 생성
: 수율은 35-65%
3. 카본블랙
ㆍLampblack process
: 산소존재 하에 열분해되는 프로세스
주공급원은 coaltar 에 기초한 방향족 오일
3. 카본블랙
ㆍChannel black process
: 주공급원은 천연가스
비경제적(5%수율)
3. 카본블랙
ㆍThermal black process
: 산소가 없는 상태에서의 열분해
닫힌계(closed system)에서 작동
순환공정
입자크기가 크고, 실 모양의 구조를 갖음
ㆍAcetylene black process
: 산소 없이 생산
발열반응에 의해 분리
⑷ 응용 분야
고무 보강, 플라스틱에 적용, 안료 및 도료
4. 활성탄
⑴개요
ㆍ표면에 다양한 크기의 미세기공들을 만들어 단위무게당 표면적을
매우 높게 만든 기능성 탄소재료
ㆍ응용 : 탈색 및 탈취제, 촉매의 담체, 용제의 회수, 폐수 및 배기가스
의 정화
ㆍ종류 : 미립자형 활성탄, 과립형 화성탄, 성형 활성탄, 구슬형 활성탄,
섬유형 활성탄 등
① 분말 활성탄
- 원료 : 톱밥과 석탄
- 400-700℃에서 타르 및 휘발분 제거와 탄화, 900-1200℃
유동활 성로에서 산화성 가스로 활성화
- 용도에 따라 수분, pH,입도, 탈색력 조절하여 제조
4. 활성탄
② 입상활성탄
- 원료 : 야자껍질, 갈탄, 무연탄, 역청탄 등
- 400-700℃에서 타르 및 휘발분을 제거하여 탄화, 900-1200℃의
회전로에서 산화성 가스로 활성화
- 사용 : 공기정화, 상수 및 폐수처리, 초순수처리
4. 활성탄
⑵ 제조법
① 전통적 제조법
탄화공정 : 전이단계의 탄소를 이용
↓
표면활성화공정 : 물리적 기상방법, 화학적 액상반응방법
② 새로운 제조방법
ㆍSol- Gel Method
4. 활성탄
ㆍ편팡합성법
(template method)
ㆍ고분자 블랜드법
4. 활성탄
⑶ 응용 분야
① 정제(Purification)
ㆍ기체정제 : H2S제거, 탈 Sox, 탈 NOx, 가스분리, 휘발유 증기회수,
담배필터, 핵사용, 수소 혹은 자연가스 저장 등
ㆍ액체정제 : 식품과 음료수 공장에서 생산품의 색과 냄새의 원인이
되는 물질 제거시 이용
② 선택적 포집 또는 회수(Selective Collection & Recovery)
ㆍ용매회수 : 다성분계로부터 가치 있는 성분만 활성탄에 의해 선택
적으로 분리 흡착, 탈착시킴으로써 가치 있는 성분을
농축, 회수하는 조작
ㆍ활성탄에 의한 흡착을 이용
③ 분별(Fractionation)
ㆍ혼합물을 분별흡착하여 각 성분의 이용가치를 높이는 조작
4. 활성탄
5. 탄소섬유(Carbon fibers)
⑴역사
- 1880년 천연셀룰로오스(Thomas A.Edison)
- 1970년대 레저분야 상품화
- 1970년대 후반 항공기분야 활용증대
- 최근 : 토목 건축분야, 대체에너지·클린에너지 분야, 선박, 차량,
해양개발·심해저 유전채굴 분야, 기기의 고성능화, 의료복지기기 등
5. 탄소섬유(Carbon fibers)
⑵정의
- 폴리아크릴로니트릴수지, 석탄·석유 피치 등을 섬유화한 후,
특수한 열처리 공정을 거쳐 만든 미세한 흑연결정구조를 가진
섬유상의 탄소물질
⑶분류
탄소화 온도에 의한 분류
원료에 의한 분류
관용적 분류
방염섬유
탄소섬유
흑연섬유
레이온계 탄소섬유
PAN계 탄소섬유
등방성ㆍ이방성 pitch계
탄소섬유
기상성장 탄소섬유
범용 탄소섬유
고성능 탄소섬유
5. 탄소섬유(Carbon fibers)
⑷형태
연속섬유
단섬유
직물류
필라멘트사
스몰 토우 및 라지 토우
촙파이버
분쇄섬유
직물
편조물
펠트
매트, 페이퍼
⑸특성
①구조
5. 탄소섬유(Carbon fibers)
② 탄소섬유의 화학조성
ㆍ주성분 : 탄소
ㆍ조성 : 전구체물질의 종류와 소성조건에 따라 변화
PAN계
*탄소함유율
탄소섬유 – 93-98%
흑연섬유(GrF) – 99%
*질소함유율
: 소성도가 높아질수록 낮음
(흑연섬유 – 0.5% 이하)
피치계
*탄소함유율
90%이상
레이온계
*탄소함유율
99%이상
5. 탄소섬유(Carbon fibers)
③ 탄소섬유의 수분
- 0.05% 이하
④ 산화성
- 소성온도가 높을수록 산화가 어려움
- 흑연섬유의 내산화성이 양호함
- 촉매 : Na, K, Ca, Mg 등의 금속
⑤ 기계적 성질
- 높은 인장강도 인장탄성률
⑥ 열적 성질
- 열팽창계수 측정값 : -0.5~-2.0x10-6K -1
- 비열 : 0.7~0.9 kJ/kgK
- 선팽창계수 : -1~+5x10-6K
- 에폭시수지 : 45~65x10-6/K
5. 탄소섬유(Carbon fibers)
⑦ 전기적, 전자기적 성질
- 체적저항률
: 탄소섬유 -15~30x10 -4Ω·cm
-4
흑연섬유 – 5~-8x10 Ω·cm
- 이용 : 전도성, 발열체, 전자파차단효과, X선검사용기기
⑧ 생물친화성
- 물의 정화관련용도로 개발
⑨ 흡착성
- 이용 : 전극재료 화학물질의 분리
5. 탄소섬유(Carbon fibers)
5. 탄소섬유(Carbon fibers)
⑹ 제조방법
⑺ 응용 분야
- 자동차, 항공우주기술, 선박,시설 분야 등
6. 풀러렌(Fullerene)
⑴종류
⑵ 제조법
① 자연산풀러렌(C60,C70) : 자연적으로 생기는 미네랄에서 발견
② 인공풀러렌 : 흑연전극을 이용한 아크방전법
③ 기타 : 나프탈렌 증기를 아르곤 내에서 1,000 ℃로 가열 후 추출
벤젠·산소불꽃 속에서 검댕을 아르곤 내에서 1,500 ℃태움
6. 풀러렌(Fullerene)
⑶성질
- 높은 저항력과 전기적 성질
- 정제된 풀러렌은 색을 띔
- 유일한 탄소동소체
- 화학적으로 매우 안정하나 6,6-이중결합에서 angle strain을 줄일
수 있는 친전자성 첨가반응이 일어남
- 수소화반응, 첨가반응, 기능화반응, 산화환원반응
6. 풀러렌(Fullerene)
7. 그래핀
⑴종류
- 물리적으로 박리된 그래핀 : 흑연에 스카치테이프를 붙였다 떼어내
는 것을 반복하여 얻음
- 화학적으로 환원된 그래핀 : 흑연산화물을 층간분리하여 이를 박리
하고, 다시 그래핀으로 환원
7. 그래핀
⑵성질
- 전도성, 반금속(semi-metal)물질, 양극성 전도특성(anbipolar
conduction)
- 기계적 탄성률 : 약 1TPa
- 열전도도 : 5,000W/m·K
- 실온의 전자이동도 : 약 250,000cm2/V·s
⑶ 제조법
① 스카치테이프법
② 화학적 합성법
7. 그래핀
③ CVD 성장법
7. 그래핀
④ 에피택시 합성법
- 탄소가 결정에 포함되어 있는 재료를 약 1,500 ℃에서 열처리
시키는 방법
- 장점 : 절연성 기판에 그래핀이 직접 성장
- 단점 : 공정비용이 높고 제작이 어려움
8. 탄소나노튜브
⑴종류
- 정의 : 그래핀을 원통으로 말은 튜브형태를 한 수 나노미터 단위직경
의 나노물질
말린 층 수에 따른 분류
그래핀판이 말린 각도에 따른 분류
단일벽 : 흑연판 한 층을 말아놓은 구조
직경이 0.5~3nm
이중벽 : 두 층이 동심축을 이룬 형태
직경이 1.4~4nm
다중벽 : 벽수가 3~15겹의 층을 이룸
직경이 5~100nm
지그재그형
암체어형
키랄형
8. 탄소나노튜브
⑵ 탄소나노튜브의 성질
- 탄성률 : 최대 1.8TPa 34
- 낮은 전기저항
- 열전도도 : 6,000W/m·K
- 강한 내열성
⑶ 제조법
① 아크방전법(Arc-discharge)
Ar이나 He 기체 하에 2개의 흑연전극 사이 아크를 발생시켜
탄소나노 투브를 검댕(soot)형태로 합성
↓
전극들 사이에 전류를 흘려줌
↓
약 3,000 ℃의 고온 플라스마 발생, 탄소원자 증발
↓
냉각되면서 저온을 유지하는 음극이나 장치벽 등에 증착
8. 탄소나노튜브
② 레이저증착법(Laser Vaporization)
- 단일벽 탄소나노튜브를 생산하기 위한 주된 방법
1,200 ℃ 이상의 고온가열로 내의 Ar 기체 하에서
흑연을 레이저로 방사, 기화
↓
탄소원자들이 온도차에 의해
미리 냉각된 구리 음극에서 압축되어 성장
8. 탄소나노튜브
③ 플라스마 화학기상증착법
(Plasma-enhanced Chemical Vapor
Deposition)
- 양전극에 인가되는 고주파 전원에
의해서 챔버나 반응로 내에 글로우
방전을 발생시키는 방법
8. 탄소나노튜브
④ 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)
촉매금속이나 합금을 증착시킨 기판을
식각처리한 후 석영보트에 장착
↓
750~1,050 ℃에서 가스를 사용해 촉매금속막을 추가적으로 식각
↓
나노크기의 미세한 촉매금속 입자형성
⑤ 기상합성법(Vapor Phase Growth)
-기판을 사용하지 않고 반응로 안에 에틸렌, 일산화탄소 등의 탄화수소물
질과 전이금속 촉매를 함유한 유기화 금속화합물인 Fe(CO)5나 페로센을
반응로에 동시에 흘려 합성하는 방법
03. 탄소재료의 응용
1. 에너지 분야에서의 응용
⑴ 전지용 탄소재료
① 일차전지에의 응용
- 전지의 내부저항을 줄임,
큰 전류를 생산,
전해액 보호 유지,
생성되는 이온이나 전하의
이동을 원활하게 함
- 망간전지
: 탄소봉의 집전체로 사용
- 리튬전지
: 불화카본 리튬전지
(흑연을 원료로 불소가스 중에서
500~600 ℃ 로 약24시간 열처리)
② 이차전지에의 응용
- 리튬이온 이차전지에 사용
1. 에너지 분야에서의 응용
⑵ 연료전지용 탄소재료
- 무공해 전력공급장치 :차세대 청정에너지 발전시스템
- 연료전지 본체에 탄소재료 사용
: 촉매지지체, 촉매담체, 바이폴라 플레이트, 분리판 등
1. 에너지 분야에서의 응용
⑶ 초고용량 커패시터용 탄소재료
- 페놀수지, 핏치 등을 탄화하여 활성화한 비표면적 1000~3000m2/g
의 활성탄이나 활성탄소섬유가 사용
- 각각의 미세기공 내벽에 전기 이중층 형성
: 단위면적당 축전용량 증가
2. 우주·항공 분야에서의 응용
- 복합재의 강화재로 이용
: 탄소섬유강화 탄소복합재료, 금속복합재료, 세라믹복합재료,
탄소복합재료
: 화학공업, 스포츠용품, 자동차산업, 생체공학, 우주왕복선에 이용

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