흑연
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1. 개요
흑연은 주로 편마암, 편암 등과 함께 산출되는 탄소의 동소체이다. 흑연은 흑색 또는 철회색을 띠며 금속 광택을 가지며, 전기 전도성이 뛰어나다. 자연 상태에서는 변성암, 화성암, 운석 등에서 발견되며, 인공적으로는 코크스를 고온으로 가열하여 생산한다. 흑연은 연필심, 윤활제, 내화물, 전극, 감속재 등 다양한 용도로 사용되며, 최근에는 리튬 이온 전지의 음극재로 수요가 증가하고 있다.
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| 흑연 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 이름 | 흑연 |
| 로마자 표기 | Graphite |
| 분류 | 원소 광물 |
| 화학식 | C |
| IMA 기호 | Gr |
| 스트룬츠 분류 | 1.CB.05a |
| 결정계 | 육방정계 또는 능면체정계 |
| 공간군 | P6₃mc (휨) P6₃/mmc (평면) |
| 단위 세포 | a = 2.461, c = 6.708 Å; Z = 4 |
| 색상 | 철흑색에서 강철 회색; 투과광에서 짙은 파란색 |
| 결정형 | 판상, 육면의 엽상 덩어리, 입상 내지 압축된 덩어리 |
| 쌍정 | 존재 |
| 쪼개짐 | 저면 - {0001}에서 완전함 |
| 파단 | 박편상, 그 외에는 쪼개짐면이 아닐 때 거침 |
| 굳기 | 1–2 |
| 광택 | 금속성, 흙빛 |
| 광학적 성질 | 축성 (-) |
| 다색성 | 강함 |
| 조흔색 | 검은색 |
| 비중 | 1.9–2.3 |
| 밀도 | 2.09–2.23 g/cm³ |
| 용해도 | 녹은 니켈, 따뜻한 클로로황산에 용해됨 |
| 투명도 | 불투명, 극히 얇은 박편에서만 투명 |
| 기타 | 강한 이방성, 전도성, 미끈거리는 촉감, 쉽게 표시됨 |
| 참고 문헌 | Mindat.org Webmineral.com Handbook of Mineralogy |
| 일본어 이름 | 石墨 |
| 경도 | 1-2 |
| 비중 | 2.2 |
| 광택 | 금속 광택 |
| 조흔색 | 흑색 |
| 쪼개짐 | 한 방향으로 완전함 |
| 단구 | 불평탄상 |
| 소비 | |
| 전 세계 흑연 소비 점유율 (용도별) | 흑연 전 세계 소비 점유율 |
| 추가 정보 | |
| 어원 | 그리스어 'graphein'(쓰다)에서 유래 |
| 참고 | 액체 방법: 순수한 그래핀 생산. Phys.org (2010년 5월 30일) |
2. 천연에서의 존재
흑연은 무기물과 유기물이 소량 포함되어 있고 산화적 환경에 노출되지 않은 채 접촉 변성 작용 또는 광역 변성 작용을 받아 생성된 사암, 셰일, 석탄, 석회암 등의 암석과 함께 천연에서 산출될 수 있다. 환원성 환경에서 생성된 사문암, 석회암과 함께 발견되기도 하며, 주로 편마암, 편암 등과 함께 발견된다.[88] 스리랑카, 마다가스카르, 조선민주주의인민공화국, 멕시코 소노라주, 캐나다 온타리오주, 서시베리아, 미국 뉴욕주에 상당량이 매장되어 있다.[87]
흑연은 굳기가 약 1.5로 매우 부드럽다.[88] 비중은 2.23이지만, 구멍이나 불순물에 의해 더 낮아질 수 있다. 색은 흑색에서 철회색을 띠며 금속광택을 가진다. 녹는점, 끓는점 등은 명확하지 않다. 전기 전도체로 작용하며, 전기저항은 방향에 따라 큰 차이를 보인다. 천연 흑연의 결정 형태는 육각 판 모양이며, 인공 흑연의 결정은 비늘상이나 덩어리상이다.[88] 흑연은 내열성, 내열충격성, 내식성이 강하고 전기 및 열 전도성이 좋다.[88]
인조 흑연은 제유 과정에서 생산되는 코크스를 탄소 공급원으로 하여 만들어지는 경우가 많다.[88]
천연 흑연은 광석의 형태, 결정성, 입도에 따라 비정질(미결정질) 또는 결정질(편상 또는 덩어리/조각)로 분류된다.[7] 모든 천연 흑연 매장지는 탄소질 퇴적암의 변성작용으로 형성되며, 광석의 종류는 지질학적 환경에 따라 결정된다.[7] 열적으로 변성된 석탄은 비정질 흑연의 전형적인 공급원이다. 결정질 편상 흑연은 탄소질 변성암에서 채굴되며, 덩어리 또는 조각 흑연은 고품위 변성 지역에 있는 광맥에서 채굴된다.[7]
흑연은 탄소 여섯 개로 이루어진 고리가 연결되어 층을 이룬 모양이다. c값(층간 간격의 2배)은 6.696Å이고, 탄소간 결합 길이는 1.42Å이다. 흑연의 단위격자는 탄소 원자 4개를 포함하며, 격자상수는 2.456Å이다.[89]
흑연은 연필심, 윤활제, 내화물, 전극, 브레이크 라이닝, 주물용 코팅재 등 다양한 용도로 사용된다.[89][90] 리튬 이온 배터리의 음극재로 사용되며, 전기 자동차 배터리 수요 증가로 흑연 수요가 증가하고 있다.[52][53] 제철 과정에서 탄소 함량을 높이는 데 사용되며, 고온 강철 압출용 다이의 윤활에도 사용된다.[80] 파인우드 더비 경주용 자동차의 윤활제로도 사용된다.[62]
변성 작용 중 퇴적암의 탄소 화합물이 환원됨으로써 변성암에서 생성되며, 화성암과 운석에서도 발견된다.[5] 흑연과 함께 발견되는 광물로는 석영, 방해석, 운모류, 전기석 등이 있다. 채굴된 흑연의 주요 수출국은 생산량 순으로 중국, 멕시코, 캐나다, 브라질, 마다가스카르이다.[12]
운석에서는 흑연이 트로일라이트와 규산염 광물과 함께 발견된다.[5] 운석 철 속의 작은 흑연 결정은 클리프토나이트라고 한다.[55]
3. 성질
흑연의 구조는 탄소 여섯 개로 이루어진 고리가 연결되어 층을 이룬 모양이다. c값(층간 간격의 2배)은 6.696Å이고, 탄소간 결합 길이는 1.42Å이다. 흑연의 단위격자는 탄소 원자 4개를 포함하며, 격자상수는 2.456Å이다.[89]
화학적으로 흑연은 상당히 안정한 물질이다. 공기 중에서 발화점은 500~600°C 이상이다. 산소 중에서 가열하면 600~700°C에서 이산화 탄소가 된다. 분말 흑연을 진한 황산과 진한 질산의 혼합물로 처리하면 녹갈색의 산화흑연을 얻을 수 있다. 또한 진한 황산과 산화제와 함께 가열하면 광택이 있고 청자색의 물질인 황산수소흑연이 된다. 질산으로 산화시키면 멜리트산을 얻을 수 있다.[89]
흑연은 삼각 평면 탄소 시트로 구성되어 있다.[17][18] 흑연의 개별 층을 그래핀이라고 한다. 각 층에서 각 탄소 원자는 다른 세 원자와 결합하여 0.142 nm의 결합 길이를 갖는 sp2 결합된 탄소 육각형의 연속적인 층을 형성하며, 벌집격자와 같은 모양을 가진다. 층 사이의 거리는 0.335 nm이다.[19] 층 사이의 결합은 상대적으로 약한 반데르발스 결합이므로, 그래핀과 같은 층이 쉽게 분리되고 서로 미끄러질 수 있다.[20] 따라서 층에 수직인 전기 전도도는 약 1000배 낮다.[21]
흑연은 α형(육방정계)과 β형(삼방정계)이라는 두 가지 동소체 형태가 있으며, 그래핀 층의 적층 방식이 다르다. α-흑연의 적층은 ABA인 반면, 에너지적으로 덜 안정한 β-흑연의 적층은 ABC이다. 삼방정계 흑연은 순수한 형태로 존재할 수 없다.[24] 천연 흑연 또는 상업용 천연 흑연에는 5~15%의 삼방정계 흑연이 포함되어 있으며,[22] 이는 강한 분쇄 때문일 수 있다.[23] α형은 전단력을 통해 β형으로 변환될 수 있으며, β형은 1300 °C에서 4시간 동안 가열하면 α형으로 되돌아간다.[22][24]
흑연의 음향적 및 열적 특성은 고도로 이방성을 띤다. 이는 포논이 단단하게 결합된 면을 따라서는 빠르게 전파되지만, 한 면에서 다른 면으로 이동하는 속도는 느리기 때문이다. 흑연의 높은 열 안정성과 전기 및 열 전도성은 고온 재료 가공 응용 분야에서 전극과 내화물로 널리 사용되는 데 기여한다. 그러나 산소를 포함하는 대기에서 흑연은 700 °C 이상의 온도에서 이산화탄소를 형성하며 쉽게 산화된다.[28]
흑연은 전기 전도체이므로 아크 램프 전극과 같은 응용 분야에 유용하다. 탄소층 내의 광범위한 전자 비편재화( 방향족성이라고 하는 현상)로 인해 전기를 전도할 수 있다. 이러한 원자가 전자는 자유롭게 이동할 수 있으므로 전기를 전도할 수 있다. 그러나 전기는 주로 층의 평면 내에서 전도된다. 분말 흑연[29]의 전도성은 탄소 마이크로폰에서 압력 센서로 사용될 수 있게 한다.
흑연과 흑연 분말은 자체 윤
4. 인조 흑연
에드워드 굿리치 애치슨은 미국의 발명가로, 탄화 규소 실험 중 4150°C에서 규소 성분이 증발하고 남은 탄소가 흑연 형태임을 발견했다. 1896년 흑연 생산 특허를 획득, 1897년부터 상업 생산을 시작했다.[87]
인조 흑연 제조에는 무정형 탄소를 2500°C~3000°C로 가열하는 과정이 필요하다. 천연 흑연과 유사한 구조를 위해서는 더 높은 온도가 요구되며, 원료 탄소 화합물에 따라 제조가 어려울 수 있다.[89]
합성 흑연은 2100°C 이상에서 탄화수소 물질을 흑연화하여 얻는 고순도 흑연으로, 주로 아체손 공정으로 생산된다.[7][8] 이 공정은 전구체 탄소에서 흑연을 형성하고 수소, 질소, 황 등 불순물을 기화시킨다.[7] 합성 흑연은 99.9% 이상의 C 순도를 가지지만, 천연 흑연보다 밀도, 전도도, 기공률이 낮다.[7] 큰 플레이크(cm) 형태로도 형성 가능하며, 화학 기상 증착, 열적 불안정 탄화물 분해, 탄소 과포화 금속 용융물 결정화 등으로도 생성된다.[9]
1893년 르 카르본(Le Carbone)의 찰스 스트리트(Charles Street)가 인조 흑연 제조법을 발견했고, 1890년대 중반 에드워드 구드리치 에이체슨 (1856~1931)은 카보런덤 합성 중 우연히 합성 흑연 제조법을 발견했다. 카보런덤 과열 시 순수한 흑연이 생성됨을 확인, 4150°C에서 규소가 기화하여 흑연 탄소가 남는다는 것을 알게 되었다. 이 흑연은 윤활제로 가치가 있었다.[55]
에이체슨의 탄화규소 및 흑연 생산 기술은 에이체슨 공정으로 불린다. 1896년 흑연 합성법 특허를 획득하고,[65] 1897년 상업 생산을 시작, 1899년 에이체슨 흑연 회사(Acheson Graphite Co.)를 설립했다.
합성 흑연은 폴리이미드로도 제조 및 상업화될 수 있다.[66][67]
5. 종류 및 형태
합성 흑연은 2100°C 이상의 온도에서 탄화수소 물질을 열흑연화하여 생산되는 고순도 흑연으로, 가장 일반적으로는 아체손 공정을 통해 만들어진다.[7][8] 고온은 수주 동안 유지되며, 전구체 탄소로부터 흑연을 형성할 뿐만 아니라 수소, 질소, 황, 유기물 및 금속을 포함한 불순물을 기화시키는 데에도 필요하다.[7] 이것이 합성 흑연이 99.9% 이상의 C 순도를 가지는 고순도이지만 일반적으로 천연 흑연보다 밀도, 전도도가 낮고 기공률이 높은 이유이다.[7] 합성 흑연은 천연 흑연의 거의 모든 공급원과 달리 고순도를 유지하면서 매우 큰 플레이크(cm)로도 형성될 수 있다.[7] 합성 흑연은 또한 2,500,000 이상의 온도에서 탄화수소로부터 화학 기상 증착에 의해, 열적으로 불안정한 탄화물의 분해에 의해 또는 탄소로 과포화된 금속 용융물로부터 결정화하는 등 다른 방법으로도 형성될 수 있다고 알려져 있다.[9]
바이오그래파이트(Biographite)는 리튬철인산염(Lithium iron phosphate battery, LFP 배터리)의 탄소 발자국(carbon footprint)을 줄이기 위한 상용 제품 제안이다. 뉴질랜드의 한 회사가 삼림 폐기물 및 유사 부산물을 사용하여 "열촉매 흑연화(thermo-catalytic graphitisation)"라는 새로운 공정을 통해 생산하며, 핀란드의 임업 회사 및 홍콩의 배터리 제조업체를 포함한 여러 이해 관계자의 지원금으로 프로젝트가 진행되고 있다.[10][11]
6. 구조
흑연은 삼각 평면 탄소 시트로 구성되어 있다.[17][18] 각 층은 그래핀이라고 불린다. 각 층에서 탄소 원자는 다른 세 원자와 결합하여 0.142 nm의 결합 길이를 갖는 sp2 결합된 탄소 육각형의 연속적인 층을 형성하며, 벌집격자와 같은 모양을 가진다. 층 사이의 거리는 0.335 nm이다.[19] 층 사이의 결합은 상대적으로 약한 반데르발스 결합이므로, 그래핀 층이 쉽게 분리되고 서로 미끄러질 수 있다.[20] 따라서 층에 수직인 전기 전도도는 약 1000배 낮다.[21]
흑연은 α형(육방정계)과 β형(삼방정계)이라는 두 가지 동소체 형태가 존재하며, 그래핀 층의 적층 방식이 다르다. α-흑연의 적층은 ABA인 반면, 에너지적으로 덜 안정한 β-흑연의 적층은 ABC이다. 삼방정계 흑연은 순수한 형태로 존재할 수 없다.[24] 천연 흑연 또는 상업용 천연 흑연에는 5~15%의 삼방정계 흑연이 포함되어 있으며,[22] 이는 강한 분쇄 때문일 수 있다.[23] α형은 전단력을 통해 β형으로 변환될 수 있으며, β형은 1300 °C에서 4시간 동안 가열하면 α형으로 되돌아간다.[22][24]
일반적으로 보이는 흑연은 대부분 α흑연이며, 구조적으로 α흑연과 β흑연으로 나뉜다. 두 흑연의 차이는 흑연층 구조가 겹치는 정도의 차이이다.
상온, 상압에서는 다이아몬드보다 흑연이 더 안정적인 상(Phase)이다. 그러나 다이아몬드와 흑연 사이에는 극복해야 할 에너지 차이가 매우 크기 때문에, 일반적인 상태에서는 다이아몬드가 흑연으로 되는(구조상전이) 일은 없다.
흑연의 구조는 거북의 등껍질 모양의 층상 물질이며, 각 층 내부는 강한 공유 결합(sp2적)으로 탄소 원자들이 연결되어 있지만, 층과 층 사이(면간)는 약한 반데르발스 힘으로 결합되어 있다. 따라서 층상으로 박리된다(벽개 완전). 전자 상태는 반금속적이다.
7. 용도
1970년대 이후 배터리에서 흑연 사용이 증가했다. 천연 및 합성 흑연은 주요 배터리 기술에서 전극을 구성하는 음극 재료로 사용된다.[51] 니켈-수소 전지 및 리튬 이온전지 수요 증가로 1980년대 후반과 1990년대 초 흑연 수요가 증가했다. 휴대용 CD 플레이어, 전동 공구, 노트북, 휴대전화, 태블릿, 스마트폰 등 휴대용 전자기기 성장이 그 원동력이었다. 전기 자동차 배터리는 흑연 수요를 더욱 증가시킬 것으로 예상된다. 닛산 리프의 리튬 이온 배터리에는 약 40kg의 흑연이 포함되어 있다.
흑연은 전기 전도체이므로 아크 램프 전극과 같은 분야에 유용하다. 탄소층 내 광범위한 전자 비편재화( 방향족성)로 인해 전기를 전도할 수 있다. 전자는 자유롭게 이동하며, 전기는 주로 층의 평면 내에서 전도된다. 분말 흑연[29]은 탄소 마이크로폰에서 압력 센서로 사용될 수 있다.
천연 및 결정질 흑연은 전단면, 취성 및 불일치하는 기계적 특성 때문에 순수한 형태로 구조 재료로 자주 사용되지 않는다.
7. 1. 원자력 분야
길소카본(Gilsocarbon)[71][72]과 같은 특수 등급의 합성 흑연은 원자로 내의 기질 및 중성자 감속재로도 사용된다. 낮은 중성자 반응 단면적 때문에 핵융합로에서의 사용도 제안된다. 상업용 흑연 증착 시스템에서 종자 전극으로 널리 사용되는 붕소와 같은 중성자 흡수 물질이 원자로 등급 흑연에 없도록 주의해야 한다. 이는 제2차 세계 대전 당시 독일의 흑연 기반 원자로 실패 원인이 되었다. 독일은 이 문제를 해결할 수 없었기 때문에 훨씬 더 비싼 중수 감속재를 사용해야 했다. 원자로에 사용되는 흑연은 종종 핵흑연이라고 한다.
7. 2. 공업 분야
흑연 분말은 유분을 함유하지 않으면서도 윤활성과 도전성을 가지고 있어, 먼지가 쌓이기 쉬워 유분 사용이 바람직하지 않은 곳의 윤활에 단독으로 사용되기도 한다. 실생활에서는 실내용 키 실린더의 윤활제로 지정되어 있기도 하며, 전자 기기 커넥터 접점 부활제나 전자 기판 패턴 보수 용도로도 사용된다. 특히 비교적 고하중 부위에 사용되는 오일이나 그리스 등에 고체 윤활제로 흑연 분말이 첨가되기도 하며, 이황화몰리브덴과 함께 첨가되는 경우도 많다. DIY 작업에서 이러한 용도로는 심이 부드러운 연필이 적당하다.[89]
윤활 특성은 이황화몰리브덴 등에 비해 마찰계수나 내하중성은 떨어지지만 열 안정성이 우수하며, 질화붕소만큼은 아니지만 고온에서 사용 가능하다. 진공에서는 질화붕소보다 훨씬 높은 온도까지 사용할 수 있지만, 이황화몰리브덴 등이 진공에서 대기 중보다 낮은 마찰 계수를 나타내는 것과 달리 흑연은 마찰 계수가 상승하므로 고온 부위에 한정하여 사용된다. 윤활성이 높아 자동차용 와이퍼 고무에 도포된 흑연 고무는 작동 시 "삐걱거림"을 줄인다. 발수 가공을 한 앞 유리에 사용하면 발수 피막의 열화를 어느 정도 방지한다.[89]
주철 속 탄소는 흑연으로 결정화되며, 그 형상은 냉각 온도와 합금 성분에 따라 달라지고, 흑연 형상에 따라 주철의 특성과 품질이 좌우된다. 형상은 일반적인 주철(예: 회주철)에서는 판상이지만 구상흑연주철에서는 구상이다.[89]
다음은 흑연의 여러 특성을 활용한 용도 예시이다.[89]
8. 층간 화합물
흑연은 일부 금속 및 작은 분자와 삽입 화합물을 형성한다. 이러한 화합물에서, 모(母) 분자 또는 원자는 흑연 층 사이에 "끼어들어" 가변적인 화학량론을 갖는 화합물의 한 유형을 생성한다. 삽입 화합물의 대표적인 예로는 KC8로 표시되는 칼륨 흑연이 있다.[64] 흑연이 부풀음으로 인한 심각한 손상 없이 리튬 이온을 삽입할 수 있다는 점이 리튬 이온 배터리에서 주된 음극 재료가 되는 이유이다.
흑연 층간의 공극에 전자 공여체 또는 전자 수용체 원소가 침입(인터칼레이션(intercalation))한 층상 화합물(intercalational compound)이 알려져 있으며, 이는 층상 화합물(lamellar compound)이라고도 불린다.
최초의 층상 화합물 KC8은 1926년에 발견되었고, KC24, KC36 등도 알려져 있다. 그 외에도 흑연과 알칼리 금속 원소, Br2, 금속 산화물, 대표 원소의 산화물이나 황화물로부터 형성되는 층상 화합물도 알려져 있다.
KC8은 300℃에서 흑연에 칼륨 증기를 작용시켜 제조하며, 외관은 청동색을 띤다. 흑연에 비해 KC8은 금속적 성질이 강하며, 이는 환원제로도 이용되고 있다. LiC6는 리튬이온전지의 음극으로 사용되고 있다.
9. 흑연 채굴, 광석 처리 및 제분
흑연은 노천 채굴과 지하 채굴 방식으로 채굴된다.[7] 흑연은 일반적으로 광석 처리가 필요하다. 광석 처리는 맥석(암석) 조각을 손으로 골라내고 제품을 손으로 체질하거나, 암석을 으깨어 흑연을 부유선별하는 방식으로 수행될 수 있다. 부유선별에 의한 광석 처리는 흑연이 매우 무르고 맥석 입자에 "자국을 남기며"(코팅하며) 입자를 덮는다는 어려움이 있다. 이로 인해 "자국이 난" 맥석 입자가 흑연과 함께 떠올라 불순물이 많은 농축물이 생성된다. 상업용 농축물이나 제품을 얻는 방법에는 두 가지가 있다. 농축물을 정제하기 위해 반복적인 재분쇄 및 부유선별(최대 7회)을 하거나, 불화수소산(규산염 맥석의 경우) 또는 염산(탄산염 맥석의 경우)으로 맥석을 산 용출(용해)하는 것이다.[7]
제분 과정에서 들어오는 흑연 제품과 농축물은 분류(크기 조정 또는 체질) 전에 분쇄될 수 있으며, 더 큰 조각 크기의 분획(8메쉬 미만, 8-20메쉬, 20-50메쉬)은 주의 깊게 보존되고 탄소 함량이 결정된다. 특정 조각 크기 분포와 탄소 함량을 가진 여러 분획으로부터 일부 표준 혼합물을 준비할 수 있다. 또한 특정 조각 크기 분포와 탄소 함량을 원하는 개별 고객을 위해 맞춤형 혼합물을 만들 수도 있다. 조각 크기가 중요하지 않으면 농축물을 더 자유롭게 분쇄할 수 있다. 일반적인 최종 제품에는 유정 시추에 슬러리로 사용되는 미세 분말과 주조 금형의 코팅제, 철강 산업의 탄소 증량제(합성 흑연 분말과 분말 석유 코크스도 탄소 증량제로 사용 가능)가 포함된다. 흑연 제분으로 인한 환경적 영향에는 작업자의 미세 입자 노출을 포함한 대기 오염과 분말 유출로 인한 토양 오염으로 이어지는 중금속 토양 오염이 포함된다.[7]
10. 흑연 재활용
인조 흑연 전극 제조 과정에서 잘린 조각이나 깎여 나온 폐기물, 또는 전극 홀더까지 사용된 후 남은 전극을 재활용하는 것이 일반적이다.[7] 오래된 전극을 새 전극으로 교체할 때 상당량의 전극이 남는데, 이를 압쇄 및 크기 조정하여 얻은 흑연 분말은 주로 용융 강철의 탄소 함량을 높이는 데 사용된다.
흑연 함유 내화물도 재활용되기도 하지만, 흑연 함량이 낮아 재활용되지 않는 경우가 많다. 예를 들어, 흑연 함량이 15~25%에 불과한 탄소-마그네사이트 벽돌은 재활용할 만큼 흑연 함량이 충분하지 않다. 그러나 일부 재활용된 탄소-마그네사이트 벽돌은 용광로 수리 재료의 기초로 사용되며, 압쇄된 탄소-마그네사이트 벽돌은 슬래그 조절제로도 사용된다.
도가니는 흑연 함량이 높지만, 사용 후 재활용되는 양은 매우 적다.
천연 박상 흑연과 매우 유사한 고품질 박상 흑연 제품은 제강 키시(kish)로 만들 수 있다. 키시는 기본산소로(BOF)에 공급되는 용융철에서 제거되는 대량의 거의 용융된 폐기물로, 과포화된 철에서 석출된 흑연, 석회가 풍부한 슬래그, 그리고 일부 철의 혼합물로 구성된다. 철은 현장에서 재활용되고 흑연과 슬래그의 혼합물이 남는다. 최적의 회수 공정은 수리 분류(비중에 따라 광물을 분리하는 수류를 이용: 흑연은 가벼워서 거의 마지막에 침강)를 사용하여 70%의 흑연 농축물을 얻는다. 이 농축물을 염산으로 침출하면 10메시(2 mm)부터 크기가 다양한 95%의 흑연 제품이 생산된다.[9]
11. 흑연 기술 연구 및 혁신
2012년부터 2021년까지 전 세계적으로 6만 건이 넘는 흑연 기술 관련 특허가 출원되었다.[82] 흑연 관련 특허는 60개국 이상에서 출원되었지만, 주로 몇몇 국가에서 집중적으로 이루어졌다. 중국이 4만 7천 건 이상의 특허를 출원하여 가장 큰 비중을 차지했는데, 이는 지난 10년간 전 세계 흑연 특허의 80%에 해당한다. 일본, 대한민국, 미국, 러시아 연방이 그 뒤를 이었으며, 이들 상위 5개국이 전 세계 흑연 관련 특허 출원의 95%를 차지했다.[82]
다양한 흑연 원료 중에서는 판상흑연이 가장 많은 특허를 보유하고 있으며, 2012년부터 2021년까지 전 세계적으로 5,600건 이상 출원되었다. 중국은 이 분야에서 세계 특허 출원의 85%를 차지하며 가장 활발한 연구 활동을 보였다.
인공 흑연의 새로운 합성 방법과 용도에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 특히 배터리 양극재 응용 분야에 대한 특허가 많으며, 이는 세계적인 배터리 제조업체와 양극 소재 공급업체들이 주도하고 있다.[82]
흑연 내부의 탄소 층을 분리하는 흑연 박리 공정 연구도 활발하며, 초음파 및 열 박리 기술이 주로 연구되었다. 초음파 박리는 저렴하고 잘 확립된 기술이며, 열 박리는 빠르고 용매가 필요 없어 상업적 관심이 높다.[82]
리튬이온 배터리의 양극재로 널리 사용되는 흑연은 배터리 응용 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 2012년부터 2021년까지 8,000건 이상의 특허가 출원되었으며, 배터리 제조업체와 양극재 공급업체들이 흑연 양극 혁신을 통해 배터리 성능 개선에 주력하고 있다.
고분자 응용 분야에서도 흑연은 2012년부터 2021년까지 8,000건 이상의 특허가 출원될 정도로 활발한 연구가 이루어졌으나, 최근 몇 년간 특허 출원이 감소하는 추세이다.[82]
세라믹 제조용 흑연은 지난 10년간 6,000건 이상의 특허가 등록될 정도로 집중적인 연구가 진행되었다. 특히 내화물용 흑연 연구가 활발하며, 중국이 이 분야에서 큰 비중을 차지하고 있다.
탄소 브러시는 오랫동안 연구되어 온 분야이지만, 최근 10년간 발명은 거의 없었다.
생의학, 센서, 전도성 잉크는 신흥 흑연 응용 분야로, 학계와 기업 모두의 관심을 받고 있다. 이 분야에서는 흑연 나노복합재 및 그래핀과 같은 흑연 나노물질 개발을 활용한 연구가 이루어지고 있다.[82]
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