Carbon Allotropy   탄소 동소체

1. 탄소 동소체 (Carbon Allotropy) 이란?

  ㅇ 동소체 (Allotropy)
     - 비록 화학적 조성은 같지만, 1 이상의 다른 성질(결정구조 등)를 갖음
        . 즉, 같은 원소들로 이루어졌지만, 실현되는 구조가 달라, 다른 성질을 갖는 물질 

  ㅇ 탄소 동소체 (Carbon Allotropy)
     - 탄소로 만 구성된 물질이 다른 성질을 나타냄
     - 종류 
        . 비결정성 : 실온 상의 탄소 고체, 카본블랙(미세한 탄소 분말,그을음), 목탄 등
        . 결정성 : 흑연, 다이아몬드, 풀러렌(버키볼) 등

     * 탄소 원소가 온도 및 압력이 높아가며, 흑연, 다이아몬드, 버키볼(C60) 등으로 변함
        . 높은 압력,온도에서는, 탄소 원자들이 좀 더 가깝게 다가갈 수 있기 때문임

     * [참고]  탄소 기반 물질의 차원별 구분
        . 0차원 : 풀러렌
        . 1차원 : 탄소나노튜브
        . 2차원 : 그래핀
        . 3차원 : 흑연


2. 흑연 (Graphite)      (배위수 CN=3)

  ㅇ 탄소 원자들이 넓게 층 구조로, 차곡차곡 쌓아 배열됨 (육각형 층상 구조, sheet of hexagon)
     - 주변 3개 탄소들과 결합하여, 정육각형이 규칙있게 늘어선, 2차원적 평면 (층상) 구조 
     - 그래핀을 차곡차곡 쌓아 만들어진 구조
     - 결합에 참여하지 않는 나머지 1개 전자가 자유로이 돌아다녀 전기가 통함
     - 판(층) 사이에는 결합력이 약해 쉽게 미끄러지기 쉬움
        . 즉, 서로 미끄러지기 쉽고, 연하고, 잘 부스러짐
  ㅇ 일반 환경(상온 등)에서 안정된 상태
     - 내열성,내식성이 높음
  ㅇ 특성
     - 매끄럽고, 무르고, 불투명하고, 흑색 (빛의 반사 없이 검게 보임)
     - 전기 전도 및 열 전도성이 좋음 (비금속 중 유일하게 전도성 있음)
  ㅇ 용도 : 연필이나 윤활제로 쓰임


3. 다이아몬드 (Diamond) (배위수 CN=4)

  ㅇ 정사면체 구조 (tetrahedron)                                      ☞ 다이아몬드 결정구조 참조
     - 주변 4개 탄소들과 결합한 정사면체가 규칙있게 들어선 3차원적 그물 구조 
  ㅇ 매우 높은 압력,온도에서 나타남 (대략 3000 ℃, 100,000 atm)
     - 지구 생성시 존재하던 탄소가, 깊이 250 ㎞ 정도의 높은 압력,온도 하에서, 만들어짐
  ㅇ 특성
     - 투명하고, 단단한 고체
     - 밀도 높음  (흑연 밀도 : 2.25 g/㎤, 다이아몬드 밀도 : 3.51 g/㎤)
  ㅇ 용도 : 산업용 합성 다이아몬드는 절단,연마,광택용 등으로 사용


4. 풀러렌 (Fullerene), 버키볼 (Buckyball)

  ㅇ 탄소 60개로 구성되며, 축구공 형태의 뭉쳐진 모습을 이룸
     - (C60 이외에도 C70,C80,C240,C540 등도 발견됨)


5. 그래핀 (Graphene)

  ㅇ 탄소 원자들이 육각형의 각 꼭짓점에 존재하며(sp2 결합),
     넓게 퍼진 육각형 벌집 모양의 2차원 평면 결정 구조를 이룸
  ㅇ 원자 1개 두께로 이루어진 막(층상)을 이루어, 안정적인 구조로 존재
  ㅇ 두께는 0.2 nm 정도이지만 물리적 화학적 안정성이 높음
  ㅇ 전기 전도 능력이 구리보다 약 100배 이상
  ㅇ 강철 보다 200배 정도 단단함
  ㅇ 그래핀을 공처럼 만들면 풀러렌(fullerene)이라는 소재가 되고, 
     돌돌 말면 탄소 나노튜브(carbon nanotube)가 됨

  ㅇ 응용 例)
     - 플렉서블 터치 스크린, 웨어러블 기기, 센서, 고효율 헤드폰 및 스피커, 고용량 고효율 배터리,
       저전력 고속 반도체 소자, 근거리 무선 안테나 등