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과학에 대해 이야기하는 「블루북스」 제4권 『미래를 열어가는 탄소재료의 힘』. 다양한 형태와 구조를 지닌 탄소 원자만으로 구성된 고체 물질을 대상으로 한 '탄소 재료'에 대해 다룬다. 에너지와 환경 문제의 핵심이 될 탄소 재료를 이용하여 이산화탄소로 인한 온난화 문제를 해결하는 데 도움을 얻을 수 있다. 중학생이나 고등학생 정도의 과학 지식만으로도 이해가 가능하도록 기술했다.

미래를 열어가는 탄소재료의 힘

인류는 유사 이전부터 탄소와 함께 문명을 발전시켜 왔다. 원시 시대의 숯과 목탄에서 비롯하여, 제철 산업에서 중요한 역할을 하는 코크스, 현대에 와서는 활성탄이나 탄소섬유로 모습과 형체를 달리하면서 인간 사회 발전에 공헌하여 왔다. 최근에는 나노 기술을 탄생시킨 풀러렌, 탄소 나노 튜브 및 그래핀의 출현으로 일약 21세기 과학 기술 분야의 총아가 될 전망이다.

고체로서의 탄소재료는 오직 한 종류의 원소로만 되어 있다. 그럼에도 불구하고 탄소재료는 다른 원소와는 다르게 다양한 구조와 형태로 변신하는 천의 얼굴을 가진 물질이다. 이 책에서는 일반인들도 쉽게 이해할 수 있도록 설명하였으며, 이 책에서 다룬 내용은 다음과 같다.

* 탄소재료의 개론
* 탄소재료의 구조와 조직
* 탄소재료의 성질과 용도
* 첨단 기술을 열어가는 풀러렌, 탄소 나노튜브, 그래핀과 탄소섬유

제1부 탄소 재료란 무엇인가?
1. 탄소 재료 개론 / 12
1.1. 프롤로그 / 12
1.2. 숯의 힘 / 13
1.3. 21세기를 뒷받침하는 재료 / 16
1.4. 새로운 탄소 동소체의 등장 / 19

2. 다양한 구조와 조직 / 21
2.1. 탄소 원자의 세 가지 얼굴 / 21
2.2. 탄소의 동소체 / 25
2.3. 탄소의 탄생과 그 모습 / 27
2.4. 탄소 재료의 성질을 결정하는 조직 / 35
2.5. 탄소 재료 중 세공의 작용 / 37

3. 탄소 재료 제조법, 성질과 용도 / 39
3.1. 탄소 원자의 성질 / 39
3.1.1. 탄소는 강하다! / 39
3.1.2. 원자로 내부의 탄소는 중성자 속도를 조절한다! / 43
3.2. 탄소 원자의 세 가지 결합 형식과 그 재료 / 44
3.2.1. 연필심은 왜 미끄러운가? / 44
3.2.2. 다이아몬드와 숯의 튀기 재료 / 46
3.3. 탄소의 탄생과 성장 / 47
3.3.1. 열로 자라나는 탄소 / 47
3.3.2. 세 쌍둥이의 혼 / 49
3.4. 탄소 망면의 배열 방법 / 49
3.4.1. 강한 탄소 재료의 본체 / 49
3.4.2. 등방성 구조를 만드는 두 가지 방법 / 51
3.5. 제품 형상에 따라 변하는 성질 / 55
3.5.1. 0차원 탄소 재료에서 3차원 탄소 재료 / 55
3.6. 기타의 구조와 조직 / 57
3.6.1. 세공 탄소 재료의 용도 / 57
3.6.2. 다시 각광 받는 목탄 / 59
3.6.3. 검은 유리 / 61
3.7. 복합 재료 / 64
3.7.1. 미크로 복합화 / 64
3.7.2. 마크로 볼합화 / 69

제2부 첨단 기술을 열어 가는 탄소 재료
1. 흑연과 활성탄 / 80
1.1. 에너지 저장고 / 80
1.1.1. 리튬 이온 2차 전지 / 80
1.1.2. 전기 이중층 축전기 / 91
1.2. 가스 저장용 탄소 / 98
1.2.1. 운송용 에너지로서의 천연가스 / 98
1.2.2. 탄소에 메탄을 저장하는 방법 / 101
1.2.3. 수소 저장용 탄소 / 107

2 환경 분야에서 활약하는 탄소 재료 / 118
2.1. 탄소 재료의 역할 / 118
2.1.1. 악취와 유해물 제거 및 회수 / 118
2.1.2. 황과 질소 산화물의 제거 / 121
2.1.3. 프론과 다이옥신 제거 / 125
2.1.4. 유출된 원유 흡수 / 127
2.2. 탄소 섬유의 예상 밖 효용 / 128
2.2.1. 물을 정화한 예 / 130
2.2.2. 탄소 섬유로 물을 정화하는 방법 / 133
2.2.3. 환경을 수복하는 인공 녹조장 / 136

3. 나노 과학 기술의 원조 풀러렌 / 142
3.1. 풀러렌의 매력 / 143
3.2. 자연의 신비 풀러렌 / 145
3.3. 내향면체 풀러렌 / 147
3.3.1. 내향면체 금속 풀러렌 / 148
3.3.2. 비금속이 도핑된 풀러렌 / 149
3.4. 외향면체 풀러렌 / 150
3.4.1. 수소 저장 / 151
3.4.2. 의학용 풀러렌 / 151
3.4.3. 나노 꼬투리 / 153
3.5. 풀러렌의 용도 / 153
3.5.1. 유기 광전 변환 장치 / 153
3.5.2. 알츠하이머 치매 치료 풀러렌 / 154
3.5.3. 폴리머 첨가제 / 156

4. 탄소 나노튜브의 매력과 가능성 / 157
4.1. 김밥의 매력 / 157
4.1.1. 탄소 나노튜브의 발견 / 158
4.1.2. 탄소 나노튜브는 변화무쌍 / 159
4.2. 탄소 나노튜브의 응용 / 162
4.2.1. 꿈의 초미니 전자 기기 / 162
4.2.2. 브라운관과 액정 디스플레이 / 164
4.2.3. 필드 에미션 디스플레이 / 166
4.2.4. FED 전자총 / 168
4.2.5. 나노튜브를 전자 방출원으로 한 방전관 / 170
4.3. 나노튜브를 전자 방출원으로 한 FED 제조법 / 171
4.3.1. 나노튜브를 붙이기 / 171
4.3.2. 나노튜브 일치시키기 / 172
4.3.3. 많은 양의 나노튜브 만들기 / 173
4.3.4. 주사형 프로브 현미경의 탐침 / 173
4.4. 탄소 나노튜브의 다릉 응용 예 / 175

5. 우리의 삶을 바꿀 경이로운 그래핀 / 176
5.1. 꿈의 신소재 그래핀이란 무엇인가? / 176
5.2. 그래핀의 발견 / 179
5.3. 패러독스 세상에서 / 181
5.4. 그래핀의 응용 / 182
5.4.1. 꿈의 트랜지스터 / 182
5.4.2. 오염물 감시 화학 센서 / 184
5.4.3. 그래핀 결함 효과를 이용한 센서 / 187
5.4.4. 초조밀 저장 매체 / 187
5.4.5.에너지 저장 / 188
5.4.6. 광학 장치 : 태양 전지와 구부릴 수 있는 터치스크린 / 188

6. 탄소 섬유 / 189
6.1. 탄소 섬유란 무엇인가? / 189
6.1.1. 개발, 공업화의 역사 / 190
6.1.2. 응용의 개황 / 191
6.2. 제품과 제조 기술의 동향 / 193
6.2.1. 탄소 섬유의 종류와 특성 / 193
6.2.2. 제조 방법 개요 / 196
6.2.3. 제조 기술의 동향 / 199

7. 탄소 재료의 미래 전망 / 211
7.1. 탄소 재료의 개발 역사 / 211
7.2. 화학으로부터 물리로, 그리고 … / 214
7.3. 탄소 재료 개발의 미래 / 215

찾아보기 / 220

머리말

이 책에서 다루는 탄소 재료는 다양한 형태와 구조를 지닌 탄소 원자만으로 구성되어 있는 고체 물질을 대상으로 한다.
식물이나 플랑크톤은 물, 이산화탄소 및 태양에너지에 의해서 유기체로 성장한다. 이러한 유기체가 깊숙한 곳에 매몰되어 오랜 시간에 걸쳐 고온과 고압으로 변질된 결과 석탄, 석유, 천연가스 같은 화석 자원의 성분으로 축적된다.
현재 문제시 되고 있는 지구 온난화 문제는 탄소 원자를 주성분으로 하는 자원을 에너지원으로 대량 사용하는 데서 나온 결과다. 또한 탄소원을 축적하는 능력을 가진 삼림을 분별없이 벌채하거나 파괴함으로써 이산화탄소가 갈수록 증가하기 때문이다.
그러나 이 책에서 설명하는 탄소 재료를 사용한다면 이산화탄소로 인한 온난화 문제를 해결하는 데 큰 도움이 될 것이다. 그러한 의미에서 탄소 재료는 에너지와 환경 문제를 생각할 때 핵심 재료라고 할 수 있다.
투명하고 영롱한 빛을 내는 다이아몬드도 사실은 탄소 동소체 덩어리이다. 그렇지만 보통 우리 눈에 보이는 탄소 재료는 새까맣고 손으로 만지면 가루가 손에 묻어 달갑지 않은 존재라는 이미지가 강하다. 그러나 이 탄소 재료는 일상생활에서부터 산업에 이르는 많은 분야에서 중요한 역할을 담당하여 왔다. 앞으로도 미래 첨단 기술의 발달을 뒷받침할 중요한 재료 중 하나이다.
우리 주변에서 탄소 재료의 응용 예를 찾아보면 연필심에서부터 복사기의 토너와 프린트의 잉크, 모터의 브러시와 지하철의 팬터그래프, 자동차의 타이어, 정수기의 흡착제 등 무수히 많이 있다. 또한 알루미늄 제련과 반도체 공업 등에서도 중요 부재로 사용되고 있다.
유사 이전부터 주요 에너지원이였던 목탄의 구성 성분인 탄소는 코크스나 활성탄 또는 탄소 섬유로 모습과 형체를 달리하면서 그때마다 주목을 받으며 인간 사회의 발전에 공헌하여 왔다. 그것이 이제 풀러렌, 탄소 나노튜브 및 그래핀의 출현으로 일약 21세기의 총아가 될 전망이어서 큰 기대가 모아지고 있다. 20세기 후반 풀러렌을, 21세기 초에 그래핀을 발견한 과학자들에게 노벨상까지 수여한 것을 보아도 짐작이 간다.
이처럼 고체로서의 탄소 재료는 오직 한 종류의 원소로만 구성되어 있음에도 불구하고 다른 원소와는 다르게 다양한 형태로 변신할 수 있는 천의 얼굴을 지닌 물질이다.
이 책은 이러한 탄소의 불가사의에 대하여 이제까지 밝혀진 사실을 중학생이나 고교생 정도의 과학 지식만 가지고도 능히 이해할 수 있도록 기술하였다.
많은 독자들이 이 책을 읽음으로써 탄소 재료를 이해하고, 또 흥미를 느끼게 된다면 그것만으로도 편저자는 큰 보람이라 생각한다.

편저자 일동