신소재

물성 연구, 재료 설계, 재료 가공, 시험 평가 등의 과정을 통해 만들어진다. 기존소재는유기재료·무기재료·금속재료로 분류되었으나, 신소재는 파인세라믹스(fine ceramics)·신금속재료·고분자재료·복합재료 등 네 가지로 분류된다. 파인세라믹스는 전기적 기능이 있어 절연재료(IC기판·패키지·배선기판), 유전재료(세라믹 콘덴서), 압전재료(진동자·필터·변성기), 반도체재료(서미스터(thermistor)·온도센서·발열소자), 이온전도체재료(Na이온전지·산소센서) 등으로 이용된다.

자기적 기능으로 자기헤드·온도센서·자기버블메모리·페라이트자석 등으로 이용되고, 광학적 기능으로 컬러텔레비전 브라운관·특수램프·광메모리소자·레이저용 재료·가스센서·광통신 케이블 등에, 열적 기능으로 적외선 방사체, 기계적 기능으로 절삭 및 연마 재료·내열재료, 생체적 합성기능으로 인공관절·인공치아, 방사성 기능으로 핵연료·피복재료·감속재 등으로 이용되고 있다.

전기적으로는 고전기 저항·초전도 등의 특성을 지니고 있어 센서류·초전도 재료 등에 응용되고 있다. 고분자재료 중 엔지니어링 플라스틱스는 내열성·절연성·금속대체용의 전기전자분야의 PA·POM·PC 등의 산업화에, 감광수지는 광학용으로, 고기능 분리막은 화학분야에, 도전성·고분자재료는 전송분야에, 유기반도체는 포토레지스트·패키징 재료의 국산화 등에 이용되고 있다.

 

㉠ 신소재 제품의 중요성

모든 과학 분야에 적용되고 인간의 복지 욕구를 충족시키는 신소재 는 사회과학의 발전에 매우 중요한 역할을 한다. 고도화된 산업사회는 인간의 욕망을 충족시켜주기 위해 끊임없이 발전되어 왔다. 그러한 욕망을 채우기 위해 우리는 부단히 노력해 오고 있고, 과학의 발전으로 이루어지고 있는 것이다.

과학의 발전은 곧 우리의 삶에 대한 질을 향상시킬 수 있는 원동력으로써 편리함과 안락함을 추구하면서 가장 좋은 제품을 만들기 위해 지금 보다는 더 좋은 제품을 요구하고 그에 따른 소재의 개발을 유발하게 된다.

이는 하루아침에 이루어지는 것이 아니며 많은 시간 속에서 연구 노력하는 가운데 예상하거나, 예상치 못한 제품 즉, 획기적인 제품이 나오게 되는데 이러한 획기적인 제품의 등장은 많은 분야에 파급을 주고 그로 인해산업이 한 단계 업그레이드되는 경우를 흔히 볼 수 있다.

우리는 반도체의 발달로 인하여 편리함을 가히 짐작 할 수 없을 만큼 누리고 있는 것이 좋은 예가 아닌가 싶다. 어느 분야든지 신소재의 등장이 그 분야의 발전을 야기 시키는 주요 원인이라는 것이다. 또한 신소재의 사회 적용을 통해 우리는 보다 좋은 환경 속에서 생활을 하게 될 것이며, 보다 질 높은 삶을 살 수 있다고 본다. 이 같은 신소재의 등장은 인간의 생활을 윤택하게 하고 편리함을 주며, 인간의 복지 증진에 큰 기여를 하게 된다.

 

㉡ 신소재 제품개발의 목적

모든 기업이 소비자 욕구충족과 기업목적 달성을 위하여 신소재 제품개발 또는 연구개발 분야에 대한 투자를 증대시키고 있으므로 신소재 제품개발의 성공에는 매우 값비싼 희생과 위험이 뒤따르게 된다. 기업이 이처럼 값비싼 희생과 위험을 감수하면서 신소재 제품개발을 노력하는 목적은 다음과 같다.

첫째, 신소재 제품 아이디어를 창출해 내는데 시간이 많이 들며, 수많은 아이디어가 성공하여 출시되는 비율은 극히 낮다. 비록 출시되지는 못했다하더라도 아이디어를 평가, 검토하는데 많은 비용이 투입되어야 한다.

둘째, 상품화가 이루어져 시장에 출시된 제품이라도 신소재 제품개발비용을 보상할 수 있을 만큼 성공할 확률은 더욱 낮다.

셋째, 비록 시장에서 성공하였다 하더라도 곧 더 좋은 신소재 제품이 나타나기 때문에 신소재 제품개발에 투입된 자본을 회수하기가 곤란하다.

넷째, 신소재 제품 아이디어를 출시하는 시점에 따라서도 이익의 크기가 달라진다. 소비자가 사용하고 활용할 수 없을 만큼 지나치게 빨리 출시하여서도 안되며, 경쟁자보다 늦게 출시함으로써 큰 손실을 입을 수 도 있다.

이와 같이 신소재 제품개발에는 막대한 자본을 필요로 할뿐 아니라 위험부담이 크기 때문에 신소재 제품개발을 추진하기가 용이하지 않다. 그러나 신소재 제품개발을 하지 않고 기존 소재의 제품을 계속 생산하게 되면 쇠퇴기에 결국 막대한 손실이 발생하게 되어 기업이 도산할 수도 있다. 그러므로 이와 같은 신소재 제품개발의 문제점을 어떻게 극복하여 시장에서 성공할 수 있을 것인가를 연구하는 것은 기업의 성장뿐만 아니라 생존을 위하여도 매우 중요하다고 할 수 있다.

 

 

㉢ 신소재의 종류 및 특징

㉮ 신금속 재료

신소재 공학은 물질의 조성과 이에 의해 나타나는 물리적·화학적·전자기적·생물학적 성질을 이해하고 응용하는 것이다. 신소재 공학은 크게 신금속 재료, 세라믹스계 신소재, 신고분자 재료, 복합 재료 등으로 분류할 수 있다.

금속 재료는 가장 기본적인 재료로 현대 산업에서 가장 중요한 역할을 한다. 오늘날에는 다양한 환경에 적용할 수 있는 기능을 가진 금속 재료로 신금속 재료가 사용되고 있다. 신금속 재료는 기존의 금속을 개선하여 그 특성이 향상되도록 만든 금속을 말한다. 종류에는 고강도 합금, 열을 가하면 원래의 형상으로 돌아가는 형상 기억 합금, 금속 표면에 수소를 흡착시켜서 수소의 저장과 운반이 가능하도록 한 수소 저장 합금 등이 있다

 

1) 형상기억합금

대표적인 합금으로 타이타늄-니켈합금이 있고 인공위성 부품, 인공심장밸브, 감응장치 등에 쓰인다.

2) 비정질금속재료

비결정형재료라고도 하며 강도, 자기화 특성, 내마모성, 내부식성이 크다. 녹화헤드, 변압기 등에 쓰인다.

3) 초전도재료

절대영도에 가까운 극저온이 되면 전기저항이 0이 되는 성질을 지닌 합금으로, 특징은 입력된 에너지를 거의 완벽하게 전달할 수 있는 점이다. 통신케이블, 핵융합 등의 에너지개발, 자기부상열차, 고에너지 가속기 등에 이용된다.

 

㉯ 비금속 무기 재료

세라믹스(Ceramics)란 고대 그리스어의 Keramos(흙으로 만들어진, 또는 불에 태워서 만든 물건 burnt stuff)란 말에서 나온 것으로서 사람이 인위적으로 열을 가해서 만든 비금속 무기 재료라는 말이다. 한자로는 흔히 요업(窯業) 또는 요업제품이라고 표현 한다. 이때, 요(窯)라는 한자는 구멍 혈(穴) 속에 양 양(羊)이 불 화(火)에 구워지고 있는 모습을 형상화 한 것으로서 불을 때는 가마라는 뜻을 지닌 한자로서 비슷한 의미를 갖고 있다.

비금속 무기재료라는 것은 재료를 구성 성분으로 나누는 경우에 유기 재료와 무기 재료로 나눌 수 있는데, 유기 재료는 C, N, O, H, S, F등의 음이온들이 주된 구성원소이며, 생물체에서부터 비롯된 것들인 목재, 천연섬유, 고분자, 종이 등을 지칭하는 것이며, 이런 것이 아닌 돌, 금속 등은 무기재료에 속한다고 할 수 있다. 무기 재료는 다시 금속 및 비금속으로 나뉘는데, Na, Mg, K, Ca 등 금속 양이온으로만 구성 되어 있는 경우 금속재료라고 부르며, 이런 금속원소들이 음이온과 결합하여 만들어진 물질들을 비금속 무기재료라고 부른다. 자연계에 존재하는 비금속 무기재료는 대리석, 화강암, 대부분의 흙, 돌 등이 있다.

이상을 종합하면 세라믹스란 금속양이온과 비금속 양이온의 화합물로서 인간이 불에 구워서 만들어진 물건을 종합하여 부르는 것이 된다. 즉, 도자기, 시멘트, 유리를 포함하여 파인세라믹스 등이 이 범주에 속한다.

 

1)파인세라믹스

뉴세라믹스라고도 한다. 천연 또는 인공적으로 합성한 무기화합물인질화물, 탄화물을 원료로하여 소결한 자기재료이다. 내열성, 굳기, 초정밀가공성, 점연성, 절연성, 내식성이 철보다 강하여 절삭공구, 저항재료, 원자로 부품, 인공관절 등에 쓰인다.

2) 광섬유

빛을 머리카락 굵기에 불과한 수십 um 유리섬유 속에 가두어 보냄으로써 광섬유 한 가닥에 전화 1만2000회선에 해당하는 정보를 전송할 수 있다.

3) 결정화유리

유리세라믹스라고도 하며 비결정구조로 된 유리를 기술적으로 결정화하여 종래에 없던 특성을 지니게 한 유리이다.

 

㉰ 신고분자 재료

고분자 물질은 전통적으로 플라스틱, 고무, 접착제, 섬유, 수지 등의 원료로 사용되었다. 신고분자 재료는 고분자 물질에 새로운 특성을 부여하여 만든 것으로 금속보다 우수한 강도를 지닌 엔지니어링 플라스틱, 필요한 물질만을 선택하여 분리하는 고분자 분리막, 플라스틱 필름으로 만든 태양광 발전 플라스틱 전지 등이 있다.

 

1) 엔지니어링 플라스틱

금속보다 강한 플라스틱 제품으로서 경량화를 지향하는 자동차, 전자기기, 전기제품 등에 쓰인다.

2) 고효율성 분자막

특정한 물질만을 통과시키는 기능을 지닌 고분자막과 같은 특수재료이다.

3) 태양광발전 플라스틱전지

p형과 n형 실리콘 단결정을 접합하여 만든 태양전지보다 더욱 발전변환효율이 높은 전지로서 대량 공급될 것이다.

 

㉱ 복합 재료

복합 재료란 성분이나 형태가 서로 다른 두 종류 이상의 소재가 조합되어 단일 재료보다 우수한 특성이 있는 재료를 말한다.

탄소 섬유 강화 플라스틱은 플라스틱에 탄소 섬유를 넣어 강화시킨 것으로, 수송 수단의 재료와 스포츠 및 레저용품의 재료로도 사용된다. 섬유 강화 금속은 금속 안에 섬유를 넣어 강도는 금속과 같으나 무게는 플라스틱만큼 가벼워서 우주 항공 분야에 사용된다. 또한, 절연성이 필요한 전기 제품의 재료와 고강도를 지니며 부식이 잘 되지 않는 성질이 필요한 건축 재료에도 사용된다.

 

1) 바이오센서

생체에 적합한 의료용 신소재로서 인간의 5감을 가지는 것으로 삼업용 로봇제어기술, 자동제어, 정밀 계측기 분야에 쓰인다.

2)복합재료

두 종류 이상 소재를 복합하여 고강도, 고인성, 경량성, 내열성 등을 부여한 재료이다. 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 등이 이에 속한다.

3) 탄소섬유강화플라스틱

강도가 좋으면서도 가벼운 재료를 만들기 위해서 플라스틱에 탄소섬유를 넣어 강화시킨 것이다. 자동차부품, 비행기 날개, 테니스 라켓, 안전 헬멧 등에 이용 된다.

4) 섬유강화금속

금속 안에 매우 강한 섬유를 넣은 것으로 금속과 같은 기계적 강도를 가지면서도 가벼운 재료이다. 우주, 항공 분야에 이용 된다.

 

참고자료

google.co.kr

국회도서관 학술자료

과학기술연감(과학기술부, 1999)