다이아몬드와 흑연, 그래핀 그리고 복합소재

Diamond

다이아몬드는 sp3 오비탈로 구성되어 기본적으로 탄소 사면체 구조를 가진다.
$\pi$전자가 없기 때문에 전기적으로 절연체이지만 결정성이 높아 열전도는 좋다.

사면체 구조는 staggered와 eclipsed 구조로 나눌 수 있기 때문에
다이아몬드는 cubic 구조와 hexagonal 구조 2가지 골격을 가질 수 있다.

따라서 cubic 구조가 층간 거리가 좁고 결정성이 높아 비교적 안정적이다.

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Graphite

흑연은 sp2 오비탈로 $pi$결합을 갖기 때문에 전기가 전도된다.
흑연층으로의 전자 전도는 좋지만 층간으로는 전자 hoping으로 전도돼 비교적 느려 전기적 이방성을 띤다.

ABAB stacking의 경우 Hexagonal 구조로 (002) plane에 대해
탄소 간 거리는 0.14nm, 층간 거리는 0.3354nm로 결정성을 가진다.

ABCABC stacking의 경우 Rhombohedral 구조의 난층 구조로 저온에서 합성된 경우 발견된다.

층간 거리는 XRD를 활용해 Bragg's law ($\lambda = 2d_{hkl}\sin{\theta}$)로 구할 수 있고,
결정질 영역의 크기는 Scherrer's equation ($L_{a}=K\lambda\beta\cos{\theta}$)로 구할 수 있다.
여기서 $\beta$는 Full Width at the Half Maximum intensity (FWHM)이다.

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Graphene

흑연의 한 층을 떼어낸 구조를 그래핀이라 한다.

Top-down 방식
물리적으로 떼어내는 방식과,
GO를 거쳐 RGO를 만드는 화학적 방식,
intercalation을 이용해 떼어내는 화학적 방식으로 구분된다.

Bottom-up 방식
CVD 합성하는 방식과, Epitaxial 성장으로 나뉜다.

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GO는 Hummer's method로 합성하고, r-GO는 가열해 제작할 수 있다.
하지만 일부 작용기가 붙어 있고, 결함을 가져 전기전도성와 열전도성이 우수하진 않다.

Hexagonal Boron Nitiride는 B와 N으로 그래핀 같은 벌집구조를 형성하지만
전기전도성이 없는 절연체지만 열전도성은 우수하다.

이러한 다양한 소재는 고분자 matrix에 filler로 복합소재에 응용된다.
기계적 물성을 향상시키고, 가벼우면서도 열전도성과 전기전도성을 조작할 수 있기 때문이다.
Filler의 wt%에 따라 열전도성이 크게 좌우되는 percolation threshold를 이용한다.