비정질 탄소
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1. 개요
비정질 탄소는 광물학에서 석탄, 탄화물 유래 탄소 등 불순한 형태의 탄소를 지칭하며, 현대 과학에서는 화학 기상 증착법과 같은 기술을 통해 제작된다. 비정질 탄소 박막의 특성은 증착 과정의 매개변수에 따라 달라지며, sp2와 sp3 탄소-탄소 결합 비율에 따라 다이아몬드와 유사한 특성을 보이는 다이아몬드상 탄소(DLC)로 분류되기도 한다. Q-탄소는 강자성을 띠고 다이아몬드보다 단단하며 고온 초전도성을 나타낼 수 있다고 주장되는 비정질 탄소의 한 종류이며, 수소화 탄소는 발암성을 가질 수 있다.
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| 비정질 탄소 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 설명 | 결정 구조가 없는 탄소 |
| 구조 및 특성 | |
| 구조 | 단거리 질서 (short-range order) 장거리 질서 결핍 (lack of long-range order) |
| 결합 | sp2 결합 (graphite-like) sp3 결합 (diamond-like) |
| 밀도 | 1.6 ~ 3.0 g/cm3 |
| 경도 | 낮은 경도에서 다이아몬드 수준의 높은 경도까지 다양함 |
| 전기 전도도 | 전도체에서 절연체까지 다양함 |
| 광학 특성 | 적외선 영역에서 투명할 수 있음 |
| 종류 | |
| 수소화된 비정질 탄소 (a-C:H) | 수소 함량이 높은 탄소 |
| 테트라헤드랄 비정질 탄소 (ta-C) | 다이아몬드와 유사한 결합 |
| 다이아몬드형 탄소 (DLC) | 경도와 내마모성이 높음 |
| 저밀도 비정질 탄소 | 낮은 밀도와 높은 다공성 |
| 고밀도 비정질 탄소 | 높은 밀도와 강도 |
| 제조 방법 | |
| 박막 증착 | 스퍼터링 화학 기상 증착 (CVD) 펄스 레이저 증착 (PLD) 이온빔 증착 |
| 벌크 생산 | 열분해 기계적 밀링 레이저 절제 |
| 응용 분야 | |
| 코팅 | 내마모성 내부식성 생체 적합성 코팅 |
| 전자 장치 | 박막 트랜지스터 (TFT) 태양 전지 메모리 장치 |
| 광학 부품 | 광학 필터 창 렌즈 |
| 에너지 저장 | 배터리 전극 슈퍼커패시터 |
| 생체 재료 | 임플란트 코팅 약물 전달 시스템 |
| 추가 정보 | |
| 특성 변화 요인 | 증착 방법 증착 조건 원소 도핑 |
| 연구 방향 | 새로운 기능성 재료 개발 성능 향상 대량 생산 기술 개발 |
2. 광물학에서의 비정질 탄소
광물학에서 비정질 탄소는 석탄, 탄화물 유래 탄소 및 흑연이나 다이아몬드가 아닌 다른 불순한 형태의 탄소를 지칭하는 용어이다. 그러나 결정학적 관점에서 이러한 물질들은 진정한 비정질 물질이 아니라 비정질 탄소 매트릭스 내에 흑연 또는 다이아몬드의 다결정 물질이다.[2] 상업용 탄소는 일반적으로 상당량의 다른 원소를 포함하고 있으며, 이러한 원소들은 결정질 불순물을 형성할 수도 있다.
20세기 후반 화학 기상 증착법(CVD), 스퍼터링, 음극 아크 증착법과 같은 현대적인 박막 증착 및 성장 기술이 발전하면서 진정한 비정질 탄소 물질을 제작할 수 있게 되었다. 진정한 비정질 탄소는 국부적인 π 전자를 가지며, 그 결합은 다른 탄소의 동소체와 일치하지 않는 길이와 거리로 형성된다. 또한 다량의 댕글링 본드(dangling bond)를 포함하고 있어 원자간 간격의 편차와 결합각의 현저한 변화를 야기한다.[2]
3. 현대 과학에서의 비정질 탄소
모든 실용적인 형태의 수소화 탄소(예: 연기, 굴뚝 그을음, 역청, 무연탄과 같은 채굴된 석탄)는 다량의 다환 방향족 탄화수소 타르를 포함하고 있으므로 거의 확실하게 발암성이 있다.
3. 1. 비정질 탄소의 특성
20세기 후반 화학 기상 증착법, 스퍼터링, 음극 아크 증착법과 같은 현대적인 박막 증착 및 성장 기술이 발전하면서, 진정한 비정질 탄소 물질을 제작할 수 있게 되었다.[2]
진정한 비정질 탄소는 국부적인 π 전자(흑연의 방향족 π 결합과는 대조적으로)를 가지고 있으며, 그 결합은 다른 어떤 탄소의 동소체와도 일치하지 않는 길이와 거리로 형성된다. 또한 다량의 댕글링 본드(dangling bond)를 포함하고 있으며, 이는 회절을 이용하여 측정했을 때 원자간 간격의 5% 이상의 편차와 결합각의 현저한 변화를 야기한다.[2]
비정질 탄소 박막의 특성은 증착 과정에서 사용된 변수에 따라 달라진다. 비정질 탄소를 특성화하는 주된 방법은 물질에 존재하는 sp2 대 sp3 혼성 결합의 비율을 통해 이루어진다. 흑연은 순수하게 sp2 혼성 결합으로 구성되어 있는 반면, 다이아몬드는 순수하게 sp3 혼성 결합으로 구성되어 있다. sp3 혼성 결합이 많은 물질은 sp3 혼성 결합에 의해 형성되는 사면체 모양 때문에 사면체 비정질 탄소 또는 다이아몬드와 같은 탄소(diamond-like carbon, DLC)라고 불린다.
sp2-sp3 비율에 의한 비정질 탄소 물질의 특성 분석이 흑연과 다이아몬드 사이의 1차원적 특성 범위를 나타내는 것처럼 보일 수 있지만, 이것은 분명히 사실이 아니다. 현재 비정질 탄소 물질이 제공하는 특성의 범위를 특성화하고 확장하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
3. 1. 1. sp2 대 sp3 비율 측정
실험적으로 sp2 대 sp3 비율은 다양한 분광 피크(EELS, XPS, 라만 분광법 포함)의 상대 강도를 흑연이나 다이아몬드에 대해 예상되는 것과 비교하여 결정할 수 있다.[2] 이론적 연구에서는 sp2 대 sp3 비율을 종종 세 개의 결합된 이웃 원자를 가진 탄소 원자의 수 대 네 개의 결합된 이웃 원자를 가진 탄소 원자의 수를 세어 얻는다.[2]
3. 2. 다이아몬드상 탄소 (Diamond-like Carbon, DLC)
화학 기상 증착법, 스퍼터링, 음극 아크 증착법과 같은 현대적인 박막 증착 및 성장 기술이 발전하면서 sp3 혼성 결합이 많은 비정질 탄소 물질을 만들 수 있게 되었다. sp3 혼성 결합이 많은 물질은 sp3 혼성 결합으로 형성되는 사면체 모양 때문에 다이아몬드와 물리적 특성이 유사하여 다이아몬드상 탄소(diamond-like carbon, DLC)라고 불린다.[2]
sp2 대 sp3 비율은 EELS, XPS, 라만 분광법 등 다양한 분광 피크의 상대 강도를 흑연이나 다이아몬드와 비교하여 실험적으로 결정할 수 있다. 이론적으로는 sp2 대 sp3 비율을 세 개의 결합된 이웃 원자를 가진 탄소 원자와 네 개의 결합된 이웃 원자를 가진 탄소 원자의 수를 세어 얻는다.[2]
4. Q-탄소
Q-탄소(quenched carbon)는 강자성을 띠고, 전기 전도성이 있으며, 다이아몬드보다 단단하고, 고온 초전도성을 나타낼 수 있다고 주장되는 비정질 탄소의 한 종류이다.[3] 2015년 노스캐롤라이나 주립대학교(North Carolina State University)의 자그디시 나라얀(Jagdish Narayan) 교수 연구팀이 발견했다고 발표하였다.[5]
Q-탄소는 다이아몬드에서 발견되는 균일한 sp3 결합이 아니라 3방향(sp2) 및 4방향(sp3) 결합의 혼합체인 무작위 비정질 구조를 나타낸다.[7] 나노초 레이저 펄스를 사용하여 탄소를 용융한 다음, 급랭하여 Q-탄소를 형성한다. Q-탄소는 나노니들(nanoneedle)에서 대면적 다이아몬드 박막에 이르기까지 여러 형태를 취할 수 있다. Q-탄소의 특성과 관련된 주장은 아직 독립적인 검증이 더 필요한 상황이다.
5. 비정질 탄소의 유해성
모든 실용적인 형태의 수소화 탄소(예: 연기, 굴뚝 그을음, 역청 및 무연탄과 같은 채굴된 석탄)는 다량의 다환 방향족 탄화수소 타르를 포함하고 있으므로 거의 확실하게 발암성이 있다.
참조
[1]
저널
Amorphous carbon
[2]
GoldBook
diamond-like carbon films
[3]
저널
Q-carbon harder than diamond
2018
[4]
뉴스
New Substance Is Harder Than Diamond, Scientists Say
https://www.nytimes.[...]
2019-09-22
[5]
저널
Novel phase of carbon, ferromagnetism, and conversion into diamond
2015-12-07
[6]
웹사이트
Researchers find new phase of carbon, make diamond at room temperature
https://phys.org/new[...]
2019-09-22
[7]
웹사이트
Q-carbon is harder than diamond, incredibly simple to make ExtremeTech
https://www.extremet[...]
2019-09-22
[8]
저널
Novel synthesis and properties of pure and NV-doped nanodiamonds and other nanostructures
2016-11-02
[9]
저널
Research Update: Direct conversion of h-BN into pure c-BN at ambient temperatures and pressures in air
2016-02
[10]
저널
Progress in Q-carbon and related materials with extraordinary properties
2018-04-06
[11]
저널
Undercooling driven growth of Q-carbon, diamond, and graphite
2018-06
[12]
저널
Simulating the effect of boron doping in superconducting carbon
2018-02-01
[13]
저널
Magnetism in amorphous carbon
2018-07-13
[14]
서적
2006-06-28
[15]
서적
IUPAC Compendium of Chemical Terminology
International Union of Pure and Applied Chemistry
2006-06-28
[16]
저널
Amorphous carbon
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