[물리 & 화학] 신소재

신소재

 신소재는 우수한 특성, 기능, 용도를 가진 소재이다. 기존의 재료보다 더 뛰어난 성질이나 원래는 없는 성질을 가진 것을 일컫는다. 인류 사회는 소재의 발전으로 문명을 발전시켜왔고 현재 우리 생활에 큰 영향을 끼치고 있다.

• 역사 속의 신소재

1. 청동
 돌과 철의 과도기인 청동은 구리와 주석의 합금으로서 강도는 철에 비해 떨어지지만 제작하기 쉽다는 이점으로 철보다 먼저 사용하게 됐다. 보통 제사 등의 권위를 나타내기 위한 용도로 사용했다.

2. 철기
 인류는 금속을 제조하는 기술이 발달함에 따라 철을 주조하기 시작했다. 철제 농기구의 사용으로 농작물의 생산량이 증가했고 철제 무기를 사용한 나라는 막강한 군사력을 가지게 됐다.

3. 자석
 원래 자석은 금속이 달라붙는 신기한 금속에 불과했지만 기원전 2세기~1세기경 중국에서 나침반의 용도로서 처음 사용되면서 우리 인류 역사에 큰 변화를 주었다. 자석을 이용한 나침반은 중국-서방 간의 교역과 대항해 시대를 이끌었고 그 후에는 전기와의 관계를 이용하여 발전기와 모터 등에 쓰였다.

4. 흑연
 15세기 말 영국에서 처음 발견된 흑연은 목장의 양이나 울타리에 표시를 하기 위해 사용됐다. 차츰 연필뿐만 아니라 원자로의 감속재(체르노빌 원자력 발전소)와 열에 강한 성질 덕분에 화학 공정 장비에도 이용되었습니다. 요즘에는 그래핀으로서의 연구도 활발히 진행되고 있다.

5. 플라스틱
 플라스틱은 1860년대 당구공의 원료, 상아를 대체할 물질을 만들기 위해 탄생한 것이다. 그 뒤에 합성 섬유(나일론), 합성 고무, 스티로폼과 같이 다양한 분야에 응용됐다. 플라스틱은 열에 따른 모양의 변형 유무로 나눌 수 있다. 열을 가했을 때 녹아 내려서 재활용 가능한 것이 열가소성 수지이고 열을 가했을 때 타버리거나 단단해져서 재활용 불가능한 것이 열 경화성 수지이다. 또한 플라스틱은 온도에 따른 부피 팽창 정도인 열팽창 계수가 비교적 커서 열에 따른 변형이 쉬운 편이다.

• 생활 속의 신소재

1. 금속 신소재
 인류는 지금껏 새로운 금속을 발견하고 제련하며 문명을 발전시켜왔다. 오늘날에도 철강, 비철금속에 대한 투자가 활발히 진행될 뿐만 아니라 세라믹스와 같은 준금속 산화물 및 탄화물로 분야가 확대되고 있다.

- 바이메탈: 열팽창 계수가 서로 다른 두 금속을 맞물린 것이다. 열팽창 계수는 어떤 물질이 1℃ 상승할 때 얼마나 팽창하는지를 나타낸다. 두 금속의 열 변화에 따라 팽창하는 정도가 다르기 때문에 온도가 바뀌면 바이메탈이 휘어져서 스위치의 역할을 할 수 있다. 주로 다리미, 토스터기, 화재경보기 등, 열에 민감한 제품이나 안전을 위해 활용된다.

- 형상기억 합금: 1964년 미국 해군 연구소가 니켈과 티타늄으로 만든 합금(니티놀)이 시초였다. 금속의 결정 구조만 바뀌고 원자 간 결합은 보존되기 때문에 특정 조건(온도, 충격, 압력)을 충족하면 원래의 구조로 돌아가는 원리를 가진다. 형상기억 합금은 현재 우주선의 안테나, 의료용 기기 등의 쓰임새를 지니며 전기, 자기의 변화에 따라 온도보다 더 민감하게 반응하는 형상기억 합금을 연구 중이다.

- 초전도체: 초전도체는 임계온도(매우 낮은 온도)에서 전기 저항이 0에 가까워지는 도체를 뜻한다. 이때 마이스너 효과도 동시에 나타나게 되는데 너무 강하지 않은 자기장 안에서 초전도체가 자기장을 밀어내는 효과를 말한다. 이것은 자기 부상 열차, 전기 손실이 없는 전선, 핵융합 발전소와 같은 곳에 쓰일 수 있지만 초전도체를 임계온도까지 낮춰야 하는 탓에 지금으로서 상용화는 어려운 편이다. 가장 최근에 러시아에서 진행 중인 토카막 프로젝트에서 섭씨 -70도까지 올리는 데 성공했다.

2. 전기적 성질을 이용한 신소재
 전기의 사용은 인류의 생활양식에 큰 영향을 줬고 현재도 전기를 효율적으로 사용하기 위한 신소재 개발이 계속되고 있다. 전기 전도성을 임의로 바꾸고 자석과의 관계를 이용하는 등 연구의 방향은 무궁무진하며 전도유망한 분야이다.

- 반도체: 도체와 부도체의 중간 성질을 가지고 있으며 주변 환경에 따라 전기 전도성이 달라지는 물질이다. 가장 바깥쪽의 전자를 지닌 원자 껍질과 그다음 껍질 간의 간격이 부도체보단 가깝고 도체보단 멀기 때문이다. 반도체의 종류에는 14족 원소(규소, 저마늄)만으로 이루어진 순수 반도체, 15족이 도핑된 n형 반도체와 13족이 도핑된 p형 반도체로 나뉜다. n형 반도체는 자유전자를 가지고 p형 반도체는 양공(전자가 부족함)을 가진다. 이 두 전기적 성질로 정류기, 트랜지스터, LED를 만들 수 있다.

- 액정: 액정은 액체와 고체의 중간 상태에 있는 물질이고 액체와 같은 유동성을 가지지만 좀 더 규칙적으로 배열되어 있다. 이때 전류를 흘려주면 액정이 전기장의 방향에 따라 정렬되어 빛의 종류와 양을 조절할 수 있게 된다. 이러한 원리로 2개의 편광판 사이에 액정을 두어 빛을 차단 및 통과시킬 수 있다. 우리가 아는 핸드폰, TV, 컴퓨터의 화면도 액정으로 빛의 삼원색을 조합하여 이미지를 구현하는 것이다.

※액정 VS LED

 요즘 뉴스를 보면 OLED, QLED라는 문구를 많이 볼 수 있다. 여기서 공통적으로 있는 LED가 앞으로 액정을 대신하여 디스플레이에 활용될 것이다. 왜냐하면 액정은 전기를 너무 많이 쓰기 때문이다. 액정은 계속 빛을 내보내면서 전기적 신호로 액정의 배열을 바꿔 차단하는 방식이고 LED는 필요한 빛만 골라서 바로바로 내보낸다. 아직 기술적으로 액정이 더 완벽한 상태이지만 배터리를 많이 잡아먹는다는 단점이 있기 때문에 가까운 미래에는 LED가 입지를 굳힐 것이다.

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3. 탄소를 이용한 신소재
 탄소는 흑연, 다이아몬드, 그래핀 등 매우 다양한 동소체를 가지고 있다. 동소체는 같은 원소로 되어 있으나 모양과 성질이 다른 홑 원소 물질이다. 탄소가 최대 4개의 공유 결합을 할 수 있는 14족 원소이기 때문에 가능한 것이다. 게다가 산소, 수소와 결합하는 것으로 여러 분자를 만들 수 있고 복잡한 구조와 함께 고분자 화합물을 만들 수도 있다. 이처럼 탄소의 무한한 종류의 화합물을 만들 수 있는 성질 덕분에 현재 가장 활발히 신소재 연구가 진행되고 있는 분야 중 하나이다.

- CNT: 탄소 나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 연결되어 관 모양을 이루는 원통(튜브) 형태의 신소재이다. 튜브의 직경은 나노미터(nm: 10억 분의 1m) 수준으로 극히 작은 물질이고 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성 등을 수반하고 있어서 전자제품을 빠르고 강하게 만들고 있다. 오늘날에는 항공기, 자동차, 2차 전지, 반도체 등에 사용되고 있다.

- 그래핀: 앞서 말했듯 그래핀은 흑연에서 육각형으로 이루어진 판 중 단 하나를 의미한다. 2004년 흑연의 한 층 한 층을 스카치테이프로 분리하면서 만들어진 것입니다. 그래핀은 탄소의 밀집도가 높아 두께는 얇지만 강도는 뛰어나고 또한 상온에서 구리보다 큰 전기 전도성을 띠게 된다. 이러한 이점으로 전자 종이, 폴더블 디스플레이에 활용되며 나노 로봇으로 신체에 직접 치료제를 전달할 수 있다.

- 풀러렌: 탄소 원자로 구성된 축구공 모양의 ‘분자’[C60]이다. 최초의 풀러렌은 탄소가 증기 상태였을 때 발견되었다. 이때 풀러렌 외에도 탄소가 70개, 76개 등이 결합한 다양한 동소체도 함께 생성되었다. 하지만 같이 생성된 다른 동소체에 비해 풀러렌이 각광받는 이유는 표면을 변화시키거나, 풀러렌 안쪽의 빈 공간에 다른 물질을 넣어 물리 화학적 변화를 이끌어 낼 수 있기 때문이다. 그렇게 변형된 화합물들은 고온 초전도체, 윤활제, 신약 연구에 응용된다.

• 미래의 신소재

1. 자가 치유 소재
 자가 치유 소재란 손상이나 균열에 반응하여 스스로 상처 부위를 치유하는 소재이다. 이것은 2000년대 초반 미국 일리노이대 White그룹에서 처음 캡슐형 자가 치유 소재로서 선보여졌다. 그러나 긴 치유 시간, 상처 부위의 감지의 어려움, 제한적인 치유 가능한 양 등 실용화에는 무리가 있었다. 게다가 한번 치유한 부위에 대한 반복적인 치유가 어렵다는 점이 큰 단점이었다. 그래서 다른 형태의 소재가 개발되기 시작했다. 이때, 자가 치유 금속은 치유 속도가 느리고 높은 온도가 필요하다는 점에서 아직도 개선해야 할 점이 많이 남아 있다. 한편, 고분자 자가 치유 소재는 분자 단위로 치유하기 때문에 파손 초기에 빠르게 대응할 수 있고 반복적인 치유가 가능하다는 장점이 있다. 이러한 자가 치유 소재는 앞으로 우주, 건축, 디스플레이, 섬유, 자동차 등 다양한 분야에 쓰일 예정이다. 

2. 에어로겔 
 에어로겔은 세상에서 가장 밀도가 작은 고체로 이산화규소가 실처럼 얽혀있고 그 사이에 공기층이 들어가 있다. 이것은 미국의 화학자 스티븐 키슬러가 1931년에 처음 발견했다고 알려져 있다. 그러나 아주 작은 압력에 깨질 정도로 약했었다. 그래서 강도를 높여 상용화하기 위한 노력이 활발해졌는데 이때, 2003년 이강필 박사가 에어로겔에 특수 섬유를 넣어서 쉽게 깨지지 않게 만들었다. 이 덕분에 겨울 패딩에도 적용되는 등 어느 정도 상용화가 진행되었으나 여전히 비싸고 미세한 에어로겔 흡입시 건강에 해로워서 발암물질로 지정되어 해결해야 할 문제점이 남아있는 상태이다. 해당 문제점이 해결되면 투명하지만 단열이 뛰어나다는 특성을 살려 유리창 대신 건설 자재로 활용될 수 있으며 그 외에도 다양한 분야에 쓰일 수 있다.

 

출처: 위키백과