탄화 붕소

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 발견
- 2.2. 조성 논란
3. 결정 구조
4. 성질
5. 제조
6. 응용
참조

1. 개요

탄화 붕소는 B₄C의 화학식을 갖는 붕소와 탄소의 화합물로, 극도로 높은 경도와 중성자 흡수 능력을 가진 물질이다. 19세기 부산물로 처음 발견되었으며, 2015년 기준으로 다이아몬드와 입방 질화 붕소 다음으로 단단한 물질로 알려져 "검은 다이아몬드"라는 별칭을 얻었다. 탄화 붕소는 방탄복, 연마재, 절삭 공구, 원자력 발전소의 중성자 흡수체 등 다양한 분야에 활용된다.

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탄화 붕소 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
탄화 붕소
명칭
IUPAC 명칭	탄화 붕소
다른 이름	테트라보르
성질
화학식	B₄C
분자량	55.255 g/mol
외관	검은색 또는 회색 분말, 무취
밀도	2.50 g/cm³, 고체
용해도	불용성
녹는점	2350 °C
끓는점	3500 °C 이상
pKa	6–7 (20 °C)
구조
분자 모양	해당 없음
배위	해당 없음
결정 구조	능면체
쌍극자 모멘트	해당 없음
위험성
외부 MSDS	외부 MSDS
주요 위험	해당 없음
관련 화합물
다른 음이온	해당 없음
다른 양이온	해당 없음
다른 화합물	질화 붕소

2. 역사

탄화 붕소는 19세기에 금속 붕소 화합물 관련 반응의 부산물로 발견되었지만, 화학식은 알려지지 않았다. 1930년대에 이르러서야 화학 조성이 B₄C로 추정되었다.^[4] 그러나 이 물질이 정확한 4:1 화학량론을 갖는지에 대한 논란이 있었는데, 실제로는 이 공식에서 항상 약간의 탄소 부족 현상을 보였다. X선 결정학에 따르면 탄화 붕소의 구조는 C-B-C 사슬과 B₁₂ 이십면체가 혼합된 매우 복잡한 구조이다. 이러한 특징 때문에 B₄C라는 실험식에 대한 반론이 제기되었다.^[5] B₁₂ 구조 단위 때문에 "이상적인" 탄화 붕소의 화학식은 B₄C 대신 B₁₂C₃로 쓰이기도 하며, 탄화 붕소의 탄소 부족 현상은 B₁₂C₃ 및 B₁₂CBC 단위의 조합으로 설명된다.

2. 1. 발견

탄화 붕소는 19세기에 금속 붕소 화합물 반응의 부산물로 발견되었지만, 화학식은 알려지지 않았다. 1930년대에 이르러서야 화학 조성이 B₄C로 추정되었다.^[4] 그러나 이 물질이 정확히 4:1 화학량론을 갖는지에 대한 논란이 있었는데, 실제로는 이 공식에서 항상 약간의 탄소 부족 현상을 보이기 때문이다. X선 결정학에 따르면 탄화 붕소의 구조는 C-B-C 사슬과 B₁₂ 이십면체가 혼합된 매우 복잡한 구조이다.

이러한 특징은 B₄C라는 실험식에 대한 반론이었다.^[5] B₁₂ 구조 단위 때문에 "이상적인" 탄화 붕소의 화학식은 B₄C 대신 B₁₂C₃로 쓰이기도 하며, 탄화 붕소의 탄소 부족 현상은 B₁₂C₃ 및 B₁₂CBC 단위의 조합으로 설명된다.

2. 2. 조성 논란

탄화 붕소는 19세기에 금속 붕소 화합물 관련 반응의 부산물로 발견되었지만, 화학식은 알려지지 않았다. 1930년대에 이르러서야 화학 조성이 B₄C로 추정되었다.^[4]

이 물질이 정확한 4:1 화학량론을 갖는지에 대한 논란이 남아 있었는데, 실제로는 이 공식과 관련하여 항상 약간 탄소 부족 현상을 보이며, X선 결정학은 이 물질의 구조가 C-B-C 사슬과 B₁₂ 이십면체가 혼합된 매우 복잡한 구조임을 보여준다.

이러한 특징들은 매우 단순하고 정확한 B₄C 실험식에 반대되는 주장이었다.^[5]

B₁₂ 구조적 단위 때문에 "이상적인" 탄화 붕소의 화학식은 종종 B₄C가 아닌 B₁₂C₃로 쓰이며, 탄화 붕소의 탄소 부족 현상은 B₁₂C₃ 및 B₁₂CBC 단위의 조합으로 설명된다.

3. 결정 구조

탄화 붕소는 이코사헤드론 기반 붕화물의 전형적인 복잡한 결정 구조를 가지고 있다. B₁₂ 이코사헤드라는 마름모면 격자 단위(공간군: ''Rm'' (No. 166), 격자 상수: ''a'' = 0.56 nm, ''c'' = 1.212 nm)를 형성하며, 단위 세포의 중심에는 C-B-C 사슬이 위치한다. 두 탄소 원자는 인접한 세 개의 이코사헤드라를 연결한다. 이 구조는 층상 구조로, B₁₂ 이코사헤드라와 연결 탄소는 ''c'' 평면에 평행하게 펼쳐지고 ''c'' 축을 따라 쌓이는 네트워크 평면을 형성한다. 격자는 B₁₂ 이코사헤드론과 B₆ 팔면체의 두 가지 기본적인 구조 단위를 가진다. B₆ 팔면체의 크기가 작기 때문에 서로 연결될 수 없고, 대신 인접한 층의 B₁₂ 이코사헤드론과 결합하며, 이는 ''c'' 평면의 결합 강도를 감소시킨다.^[6]

B₁₂ 구조 단위 때문에 "이상적인" 탄화 붕소의 화학식은 종종 B₄C가 아닌 B₁₂C₃로 표기되며, 탄화 붕소의 탄소 결핍은 B₁₂C₃ 및 B₁₂C₂ 단위의 조합으로 설명된다.^[5]^[15] 일부 연구에서는 붕소 이코사헤드론에 하나 이상의 탄소 원자가 포함될 가능성을 나타내며, 화학량론의 탄소 과잉 쪽에서는 (B₁₁C)CBC = B₄C와 같은 화학식이, 붕소 과잉 쪽에서는 B₁₂(CBB) = B₁₄C와 같은 화학식이 나타난다. 따라서 "탄화 붕소"는 단일 화합물이 아니라 다양한 조성을 가진 화합물군이다. 흔히 발견되는 원소 비율에 근접하는 일반적인 중간 화합물은 B₁₂(CBC) = B_6.5C이다.^[7] 양자역학적 계산에 따르면, 결정 내 서로 다른 위치에서 붕소와 탄소 원자 간의 구성적 무질서가 재료의 여러 특성, 특히 B₄C 조성의 결정 대칭^[8]과 B₁₃C₂ 조성의 비금속 전기적 특성을 결정한다.^[9]

4. 성질

탄화 붕소는 극도로 높은 경도(모스 경도 9.5 ~ 9.75)를 가지며, 중성자 흡수 단면적이 크고(즉, 중성자에 대한 우수한 차폐 특성), 전리 방사선 및 대부분의 화학 물질에 대한 안정성을 갖는 견고한 물질로 알려져 있다.^[10] 비커스 경도(38 GPa), 탄성 계수(460 GPa)^[11] 및 파괴 인성(3.5 MPa·m^1/2)은 다이아몬드의 해당 값(1150 GPa 및 5.3 MPa·m^1/2)에 근접한다.^[12] 2015년 현재 탄화 붕소는 다이아몬드, 입방 질화 붕소 다음으로 세 번째로 단단한 물질로 알려져 있으며, "검은 다이아몬드"라는 별명을 얻었다.^[13]^[14] 또한 탄화 붕소는 반도체이며, 전자적 특성은 호핑형 수송이 지배적이다.^[7]

4. 1. 물리적 성질

탄화 붕소는 극도로 높은 경도(모스 경도 9.5 ~ 9.75)를 가지며, 중성자 흡수 단면적이 크고(즉, 중성자에 대한 우수한 차폐 특성), 전리 방사선 및 대부분의 화학 물질에 대한 안정성을 갖는 견고한 물질로 알려져 있다.^[10] 비커스 경도(38 GPa), 탄성 계수(460 GPa)^[11] 및 파괴 인성(3.5 MPa·m^1/2)은 다이아몬드의 해당 값(1150 GPa 및 5.3 MPa·m^1/2)에 근접한다.^[12] 2015년 현재 탄화 붕소는 다이아몬드, 입방 질화 붕소 다음으로 세 번째로 단단한 물질로 알려져 있으며, "검은 다이아몬드"라는 별명을 얻었다.^[13]^[14]

4. 2. 화학적 성질

탄화 붕소는 매우 단단하고 견고하며, 높은 중성자 흡수 단면적(즉, 중성자 차폐에 좋은 특성)을 가지고 있다. 또한 전리 방사선 및 대부분의 화학 반응에 대한 안정성을 가진 것으로 알려져 있다.^[26] 비커스 경도 (38 GPa) 및 파괴 인성 (3.5 MPa·m^1/2)은 다이아몬드 (각각 115 GPa 및 5.3 MPa·m^1/2)에 가깝다.^[29]

4. 3. 반도체 특성

탄화 붕소는 반도체이며, 전자적 특성은 호핑형 수송이 지배적이다.^[7] 에너지 띠 간격은 조성과 질서 정도에 따라 달라지는데, 2.09 eV로 추정된다. 또한 광발광 스펙트럼을 복잡하게 만드는 다중 중간 띠 간격 상태가 존재한다.^[7] 탄화 붕소는 전형적으로 p형이다.

5. 제조

탄화 붕소는 1899년 앙리 무아상에 의해 처음 합성되었으며,^[15] 붕산 삼산화물을 탄소 또는 탄소가 있는 상태에서 마그네슘을 사용하여 전기 아크로에서 환원시켜 제조한다. 탄소의 경우 반응은 B₄C의 녹는점 이상에서 발생하며 다량의 일산화 탄소가 방출된다:^[16]

:2 B₂O₃ + 7 C → B₄C + 6 CO

마그네슘을 사용하는 경우, 반응은 흑연 도가니에서 수행할 수 있으며, 마그네슘 부산물은 산으로 처리하여 제거한다.^[17]

원자력 연구소(Atomic Energy Research Establishment), 영국에서 중성자 실험에 사용되는 탄화 붕소로 덮인 플라스틱

6. 응용

탄화 붕소는 뛰어난 경도로 인해 다음과 같은 다양한 분야에 사용된다.

자물쇠
개인 및 차량용 방탄 장갑판
그릿 블라스팅 노즐
고압 워터 제트 커터 노즐
스크래치 및 내마모성 코팅
절삭 공구 및 다이
연마재
금속 기지 복합재
차량의 브레이크 라이닝

탄화 붕소는 핵반응기의 중성자 흡수체 및 고체 연료 램제트용 고 에너지 연료로도 사용된다.

6. 1. 방위 산업

탄화 붕소는 경도가 뛰어나 자물쇠, 개인 및 차량용 방탄 장갑판, 그릿 블라스팅 노즐, 고압 워터 제트 커터 노즐, 스크래치 및 내마모성 코팅, 절삭 공구 및 다이, 연마재, 금속 기지 복합재, 차량의 브레이크 라이닝 등에 사용된다.

6. 2. 산업

탄화 붕소는 경도가 매우 높아 다음과 같은 여러 산업 분야에서 널리 사용된다.

자물쇠
개인 및 차량용 방탄 장갑판:
그릿 블라스팅 노즐
고압 워터 제트 커터 노즐
스크래치 및 내마모성 코팅
절삭 공구 및 다이
연마재
금속 기지 복합재
차량의 브레이크 라이닝
핵반응기의 중성자 흡수체
고체 연료 램제트용 고 에너지 연료

6. 3. 원자력 산업

탄화 붕소는 방사성 핵종을 형성하지 않고 중성자 포획을 할 수 있어 원자력 발전소에서 발생하는 중성자 방사선 및 대인 중성자탄으로부터 발생하는 중성자 방사선을 흡수하는 물질로 사용된다.^[18] 탄화 붕소는 원자로 차폐 등의 핵 관련 분야에 응용된다.^[19]

6. 4. 기타

탄화 붕소는 매우 단단하여 다음과 같은 곳에 사용된다.

자물쇠
개인 및 차량용 방탄 장갑판
그릿 블라스팅 노즐
고압 워터 제트 커터 노즐
스크래치 및 내마모성 코팅
절삭 공구 및 다이
연마재
금속 기지 복합재
차량의 브레이크 라이닝

탄화 붕소는 다음과 같은 용도로도 쓰인다.

핵반응기의 중성자 흡수체
고체 연료 램제트용 고 에너지 연료

탄화 붕소 필라멘트는 강도, 탄성 계수 및 낮은 밀도가 뛰어나 수지 및 금속 복합재의 보강 요소로 사용될 가능성이 높다.^[20] 탄화 붕소 필라멘트는 중성자를 흡수하여 방사선의 영향을 받지 않는다.^[21] 이는 카드뮴과 같은 다른 재료로 만들어진 필라멘트보다 덜 해롭다.^[22]

참조

_[1] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics CRC Press 2016
_[2] 서적 The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe https://books.google[...] Black Dog & Leventhal Publishers 2014-05-06
_[3] 뉴스 Rutgers working on body armor http://www.app.com/a[...] 2012-08-12
_[4] 간행물 Boron Carbide http://v3.espacenet.[...] European Patent CA339873 (A) 1934-03-06
_[5] 논문 Structure and bonding in boron carbide: The invincibility of imperfections http://www.rsc.org/P[...]
_[6] 논문 Crystal structure of new rare-earth boron-rich solids: REB28.5C4
_[7] 논문 Boron Carbide: Structure, Properties, and Stability under Stress http://nanotubes.rut[...] 2015-07-23
_[8] 논문 First-principles study of configurational disorder in B₄C using a superatom-special quasirandom structure method
_[9] 논문 Configurational order-disorder induced metal-nonmetal transition in B₁₃C₂ studied with first-principles superatom-special quasirandom structure method
_[10] 문서 Weimer, p. 330
_[11] 논문 Development of B4C-HfB2 composites by reaction hot pressing
_[12] 논문 Ultimate Metastable Solubility of Boron in Diamond: Synthesis of Superhard Diamondlike BC5 http://bib-pubdb1.de[...]
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_[17] 서적 Handbook of Inorganic Chemicals McGraw-Hill 2002
_[18] 서적 Fabrication and Evaluation of Urania-Alumina Fuel Elements and Boron Carbide Burnable Poison Elements https://books.google[...] American Society for Testing Materials 1959
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_[21] 웹사이트 Boron Carbide Filament: Properties & Applications https://www.precisec[...] 2024-05-28
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_[27] 논문 Crystal structure of new rare-earth boron-rich solids: REB28.5C4
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_[29] 논문 Ultimate Metastable Solubility of Boron in Diamond: Synthesis of Superhard Diamondlike BC5
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_[32] 서적 Handbook of Inorganic Chemicals McGraw-Hill

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