코크스의 등방성과 이방성

코크스는 석유나 석탄을 건류하면 생산되는, 우리의 일상에 직접적으로 쓰이는 제품은 아니지만 많은 제품의 원료가 되는 물질입니다. 예를 들어 강철, 배터리, 태양광 셀, 각종 장비의 부품 등 많은 곳에 쓰이는 원료가 바로 코크스죠. 그중 석탄으로부터 코크스를 생산할 때, 야금용 코크스, 피치코크스, 침상코크스 등의 제품이 나옵니다. 

석탄의 코크스화

제철소에서 산화철을 환원시키기 위해 코크스를 사용합니다. 일반 석탄에는 산소나, 질소 등이 많이 포함되어 있어 산화철을 환원시키는 용도로 사용하진 못합니다. 그래서 코크스를 만들어 사용하죠. 석탄을 건류(공기를 차단한 후 가열)하면 코크스와 콜타르로 분리가 됩니다.

코크스는 크게 등방성 코크스와 이방성 코크스로 나뉩니다. 등방성(isotropic)은 입자의 배향이 균일한 형태를 띠고, 이방성은 한 쪽 방향을 향하고 있죠. 석탄의 종류에 따라 이 배향이 달라집니다.

• 휘발분이 35%, 산소가 6% 이상: 완전한 등방성.
• 휘발분이 25% 정도 되면 굵은 알맹이(coarse-grained) 모양
• 휘발분이 20~22% 정도의 석탄은 이방성을 띠는 부분의 크기가 약 5~10마이크로미터 정도 되는데, 이 길이가 길어지면 섬유상(fibrous)의 코크스가 만들어집니다.
• 휘발분이 약 18%면 물결무늬(sinuous)의 밴드모양 코크스가 생산됩니다.

섬유상이나 물결무늬의 코크스는 코킹(resolidification) 과정에서 액정 상태를 만드는데, 이때 평평한 방향족 분자들이 이방성을 형성합니다. 이방성 영역이 1mm 이상일 경우, 코크스가 부서질 때 바늘 형태로 부서져서 이방성 코크스는 침상코크스라 불립니다.

등방성 코크스

등방성 코크스(isotropic coke)

등방성 흑연은 입자의 배향이 어느 위치든 같기 때문에 잘리는 방향에 따른 특성 차이가 없습니다. 그래서 설계가 용이하고 사용하기 쉬운 재료입니다.

불활성 분위기에서는 2000 ℃ 이상의 초고온 아래 에서도 안정적인 사용이 가능합니다. 열팽창이 작고 열전도율이 큰 특징이 있어서 내열성, 내화학성, 가공성이 좋고, 열 변형이 적은 재료입니다. 

사용되는 분야는 다음과 같습니다. 

• 태양 전지용 셀 · 웨이퍼 제조용
  •원자력 용 고온 가스로 · 핵융합
  •불소 전해 용
  •연료 전지용
  •항공 우주 용
• 전자 관련•실리콘 반도체 제조용
  •폴리 실리콘 제조 장비 부품
  •플라스마 CVD 전극
  •이온 주입 장비 부품
  •유리 봉착 지그
  •화합물 반도체 제조용
  •화합물 단결정 인상 장치 부품
  •LCD 패널 제조용
  •가열 패널
  •에칭 전극
  •하드 디스크 제조용
  •스퍼터링 타깃
• 야금 관련•연속 주조
  •거푸집
  •심봉
  •핫 프레스
  •거푸집
  •슬리브
  •스페이서
  •공업로 부품
  •히터
  •트레이 등
  •진 공증 착용 도가니
  •가스 분석 용 도가니
  •광섬유 제조용
  •히터　
  •노심 관
  •방전 가공용 전극

이방성 코크스

이방성을 띠는 코크스는 한쪽 방향을 향하고 있기 때문에 전극봉이나, 인조흑연 음극재 등 특수한 용도로 사용됩니다. 

전극봉(carbon electrode)

침상코크스(needle coke)

코크스의 이방성을 확인하기 위한 방법으로 광학현미경(optical microscopy)을 사용하는데, polishing 과정은 거친 코크스를 편광현미경으로 관찰하면 다공성 구조나, 이방성의 정도를 알아볼 수 있습니다. 이방성의 정도는 아래와 같이 단계를 나눌 수 있습니다.

isotropic > fine mosaic > coarse mosaic > fibrous and lamellar

이런 입자의 배향성에 따라 전기 저항이나 흑연화도와 같은 코크스의 특징들이 달라집니다. 2000도 이상에서 이방성 코크스는 흑연으로 변하기 시작하는데, 등방성 코크스는 이와 다르게 흑연화가 일어나기 힘듭니다.

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이방성 코크스와 등방성 코크스의 특징을 정리해봤습니다. 더 세부적인 코크스의 종류가 많은데, 각각의 특징을 분석할 수 있는 방법이 뭐가 있을지 궁금하네요. 알게 되면 또 정리해보겠습니다.