육방정계 질화붕소 대 입방정계 질화붕소

질화붕소 다형체는 기술적, 과학적 측면에서 중요한 잠재력을 지닌 것으로 여겨집니다. 그 이유 중 하나는 고온에서의 놀라운 상 안정성, 성장 속도, 극한의 경도, 그리고 내압성 때문입니다. 가장 흔한 두 가지 다형체는 육방정계(백색 흑연 유사)와 입방정계 질화붕소(다이아몬드 유사)입니다.

이 육방정계 질화붕소와 입방정계 질화붕소 탐사에서는 다음을 기준으로 다형체 간의 차이점을 설명합니다.

구조와 결합

질화붕소는 붕산, 질소, 산화붕소를 화학 반응시켜 합성된 세라믹 화합물입니다. 본 안내서는 이 화합물의 다형체 구조와 결합 특성을 더 잘 설명하기 위해 의도적으로 이 화합물을 살펴보는 것으로 시작합니다.

우선 붕소는 주기율표에서 III족 원소이며 p 블록에 속합니다. 즉, 산화 상태가 매우 안정적입니다. 붕소는 전자가 부족한 화합물을 형성하여 유용한 촉매로 사용할 수 있습니다.

하지만 이 경우 붕소는 질소와 여러 화합물을 형성하여 탄소-탄소 결합과 유사한 결합을 형성합니다. 예를 들어, 탄소-탄소 결합과 붕소-질소 결합은 등전자 결합으로, 두 결합 모두 같은 수의 전자를 갖습니다. 탄소, 붕소, 질소는 원자 반지름도 비슷합니다.

질소는 원자 번호 7로, 양성자 7개와 전자 7개를 가지고 있습니다. 반면 붕소는 양성자 5개와 전자 5개를 가지고 있습니다. 두 원자가 결합하여 양성자 12개와 전자 12개를 형성하는데, 이는 탄소-탄소 결합에서 각 원자가 양성자 6개와 전자 6개를 갖는 것과 같습니다.

질화붕소는 탄소 동소체(흑연과 다이아몬드)와 같은 수의 전자를 가지고 있습니다. 이는 다양한 결정 구조를 형성할 수 있는 능력을 보여주는데, 이 과정을 다형성구조의 차이는 압력, 온도 등 화학 반응을 둘러싼 상황에 따라 발생합니다.

육방정계 질화붕소와 입방정계 질화붕소가 여기에 해당합니다. 뷔르차이트 질화붕소도 질화붕소 다형체이지만 거의 사용되지 않습니다. 육방정계 질화붕소와 입방정계 질화붕소는 구조에 따라 이름이 정해집니다. 육방정계 질화붕소는 육방정계 층을 형성하는 반면, 입방정계 질화붕소는 3차원 입방정계 층을 형성합니다.

육방정계 질화붕소(h-BN)는 백색 흑연과 유사하며, 입방정계 질화붕소는 다이아몬드와 유사합니다. h-BN은 서로 겹치는 층을 형성하지만 흑연처럼 약하게 결합되어 있습니다. 이러한 층들의 약한 결합은 h-BN이 부드럽지만 안정적인 형태를 띠는 특징이 있어 화장품에 귀중한 첨가제로 사용됩니다. 이러한 특징은 윤활제로서의 산업적 활용에도 기여합니다.

반면, 입방정계 질화붕소(c-BN)는 다이아몬드의 사면체 배열과 유사한 거대한 공유 결합 구조를 모든 방향으로 형성합니다. 다이아몬드 다음으로 두 번째로 단단한 물질입니다. 각 붕소 원자는 네 개의 질소 원자와 결합합니다. 마찬가지로, 각 질소 원자는 네 개의 붕소 원자와 결합하여 강력한 공유 결합을 형성합니다.

원자들을 결합하는 강력한 결합과 층들을 결합하는 강력한 힘은 입방정 질화붕소를 단단한 구조로 만듭니다. 따라서 절삭 공구로 사용되어 기존 절삭 공구보다 더 높은 출력 성능을 제공합니다. 또한, c-BN은 가장 반응성이 낮은 물질 중 하나로 분류되어 절연체나 코팅제로 사용됩니다.

안정성 및 압력 저항성

질화붕소의 원자 구조는 화학자들에게 산업적으로 활용 가능한 귀중한 화합물을 제공합니다. 예를 들어, h-BN 층은 공유 결합을 형성하는 (BN)3 고리의 네트워크로 구성됩니다. 각 층은 미끄러짐을 방지할 만큼 강하지 않은 반데르발스 힘으로 서로 결합되어 있습니다. 따라서 h-BN은 효율적인 고체 윤활제이며, 치과용 시멘트, 화장품(스킨케어 및 메이크업 제품), 페인트의 핵심 원소입니다.

입방정 질화붕소는 상당히 다른데, 주로 연마재로 사용됩니다. 이 다형체는 두 번째로 강한 결합력을 가지고 있어 내마모성이 매우 뛰어납니다. 이러한 특성은 고압 및 고온 조건에서 인성을 높이는 데 기여합니다. 또한, 고온 조건에서 니켈, 철 및 기타 합금에 용해되지 않습니다. 다이아몬드는 이러한 특성을 갖추지 못하고 용해됩니다.

육방정계 질화붕소는 최대 900°C의 고온에서도 젖음성이 낮습니다. 이 소재는 합금, 수지, 고무, 세라믹 등의 생산에도 적용 가능하여 윤활성이 뛰어납니다.

열전도도

입방정 질화붕소는 더 높은 열전도도 h-BN과 비교했을 때, 이는 대칭성과 등방성 특성으로 설명됩니다. 또한 h-BN은 단위 셀에 원자 수가 더 많아 열전도도가 떨어집니다.

하지만 이것이 육방정계 질화붕소를 완전히 배제하는 것은 아닙니다. 이 물질의 열전도도는 대부분의 재료와 세라믹보다 높습니다. 실온에서 300~2,000 W/mK의 열전도도를 보입니다. 반면, 입방정계 질화붕소의 열전도도는 무려 1,300 W/mK입니다.

따라서 육각형 BN은 메타물질과 메타소자에 적용되고, c-BN의 화학적 불활성과 광학적 특성은 열 관리 산업에 활용됩니다.

아래 차트는 특정 특성에 따른 육방정계 질화붕소와 입방정계 질화붕소의 직접적인 차이점을 보여줍니다.

결론

육방정계 질화붕소와 입방정계 질화붕소는 몇 가지 유사점을 보이지만, 각각 고유한 특성을 가지고 있어 산업적 영향력을 형성합니다. 핵심적인 차이점은 h-BN은 부드럽지만 안정적이고 c-BN은 경도가 높다는 것입니다. 미용 첨가제가 필요할 때는 h-BN을, 탄력 있는 연마재를 원할 때는 c-BN을 사용하는 것이 좋습니다.