신소재란?
신소재란 기존 소재의 결점을 보완하거나 우수한 특성을 창출함으로써 고도의 기능, 구조특성을 실현한 재료를 말합니다.
신소재는 기존의 원료 또는 새로운 원료를 기초로 하여 새로운 제조공정과 가공기술을 응용, 새로운 특성을 부여함으로써 기존 제품으로서는 만족시킬 수 없는 새로운 기능을 추가하여 고부가가치를 실현하는 소재를 의미합니다.
신소재는 금속, 고분자 등의 소재를 특수한 기능과 성질을 가진 재료로 새롭게 개발한 것입니다. 신소재는 방대한 분야에 응용 및 적용이 되어집니다.
신소재의 예로는 새로운 세라믹 재료, 비정질 합금 (금속 유리) 등이 있습니다.
신소재의 종류
[신소재] 수소저장합금
수소저장합금이란?
수소저장합금은 고압이나 저온 등 특수한 상태에서 수소를 흡수하여 금속 수소화물이 되어 압력이나 열 변화에 의해 수소를 방출하는 성질의 합금입니다.
수소저장합금은 1960년대 후반 네덜란드의 필립 사가 개발한 란탄-니켈 계 합금이 최초입니다. 티타늄과 철 합금, 란탄과 니켈 합금, 티탄-망간 합금, 마그네슘과 니켈 합금 등이 주요 수소저장 합금입니다.
수소저장합금의 실용화
수소저장합금은 실온 부근에서 수소를 대량으로 신속하게 가역적으로 저장·방출하는 재료입니다. Ni 수소전지의 전극재료로 실용화 되고 있으며, 연료전지자동차의 수소탱크 형태로 수소에너지의 저장/수송에서 활용이 기대되고 있습니다.
수소저장합금의 활용분야
수소저장합금은 기체나 액체 방식보다 저장성과 안전성이 높기 때문에 상용화 가능성이 기대됩니다. 당장 고체수소저장합금은 수송, 발전, 건물, 산업 분야에서 사용될 전망입니다.
[신소재] 금속초미립자
금속초미립자란?
금속초미립자란 직경이 100만분의 1mm에서 1만분의 1mm(콜레라균의 100분의 1정도)인 미세한 입자입니다. 금속초미립자는 덩어리 금속과는 자성, 내부압력, 광흡수, 열저항, 융점 등이 크게 달라 독특한 특성을 낼 수 있습니다.
금속초미립자의 제조
금속초미립자의 제조에는 금속 염 화물 또는 금속 알콕사이드를 운반기체에 의해 이송시켜 고온(750~950℃)에 유지되는 반응관내에 주입하고 수소에 의해 환원시켜 Ni, Co, Fe 등의 초미립자를 제조합니다.
금속을 진공중, 약간의 가스의 존재하에서 증발시킴으로써 기상중으로부터 금속의 초미립자를 응결시켜 제조할 수도 있습니다.
[신소재] 반도체재료
반도체재료란?
반도체는 구성요소에 따라 원소 반도체와 화합물 반도체로 나뉩니다. 원소 반도체는 주기율표 4족에 속하며, 한 가지 원소로 구성된 반도체입니다. 대표적인 물질로는 실리콘과 게르마늄이 있습니다.
반도체재료의 종류
- 실리콘 (Si): 뛰어난 열 안정성과 높은 집적도를 가지며, CMOS 기술에 주로 사용됩니다.
- 겔마늄 (Ge): 빠른 전자 이동도를 가지며, 고주파수 응용에 적합합니다.
- 갈륨비소 (GaAs)
- 실리콘 카바이드 (SiC)
- 갈륨 질화물 (GaN)
반도체 재료의 전도성은 결정구조의 자유전자 과부족이 생기게 하는 불순물에 의해 결정됩니다.
[신소재] 압전재료
압전재료란?
압전재료는 전기적 에너지가 기계적 에너지로, 또는 그 반대로 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 특성을 갖고 있는 재료입니다. 압전 효과를 나타내는 물질로는 수정, 로셀염, 티탄산바륨(BaTiO3), 인공세라믹(PZT – 납 티탄산 지르코늄) 등이 있습니다.
압전재료 중 널리 사용되는 재료
압전재료 중 가장 널리 사용되는 재료는 PZT(납 지르코네이트 타이타네이트)입니다. PZT는 납, 지르코늄, 타이타늄으로 구성되며, 이 비율에 따라 그 성능이 달라질 수 있습니다. PZT계 세라믹스는 가공성이나 제반 압전특성이 우수하고 가격이 저렴하여 초음파 진동자, 필터, 레조네이터, 착화소자 및 센서 등에 가장 널리 응용되고 있습니다.
압전재료의 응용분야
압전재료의 응용 분야는 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 진동 에너지 및 초음파 진동 에너지 – 전기 음향 변환기, 수중 음향 변환기 및 초음파 변환기 등을 들 수 있습니다.
[신소재] 초전도 재료
초전도 재료란?
초전도 재료는 금속, 유기물질, 세라믹 등에서 1천종 이상 발견되었으나, 5-6종만이 실용화되어 있습니다. 실용화된 초전도 재료로는 Nb, Nb-Ti 합금, Nb3Sn 등이 있습니다.
초전도 재료의 이용분야
초전도 재료는 초고감도 자 기계측이 가능한 초전도 양자간섭 소자(SQID)나, 초전도 자석을 이용한 자기 공명화상(MRI)장치, 핵자기공명(NMR)장치 등에 이용되고 있습니다. 또 자기부상 열차나 핵융합 실험로에도 적용될 수 있습니다.
초전도 재료의 특성
초전도 재료는 제로 저항, 높은 전류 밀도, 외부 자기장 하에서 더 높은 성능을 갖는 특성을 갖습니다.
초전도 재료의 98% 이상이 금속계 초전도 재료에 의한 것입니다. 일본 JIS 규격에서 고온초전도체는 임계온도(Tc)가 약 25K 이상인 것으로 정의되어 있습니다.
[신소재] 광섬유
광섬유란?
광섬유(光纖維)는 빛 신호를 전달하는 가느다란 유리 또는 플라스틱 섬유의 일종입니다. 광섬유는 머리카락 굵기 정도의 섬유로, 중심부에 굴절률이 높은 유리로, 바깥 부분은 굴절률이 낮은 유리로 되어 있습니다.
광섬유는 빛의 굴절률이 내부는 높고 외부는 낮게 구성되어 섬유 내부에서 전반사 광학현상이 일어나게 만든 섬유입니다.
광섬유의 종류
광섬유는 규격에 따라 단일모드 광섬유와 다중모드 광섬유로 구분할 수 있습니다. 광섬유는 원통형 유전체 도파관으로 코어(Core)와 클래드(Clad), 아크릴 코팅층으로 구성되어 있으며, 코어와 클래드층의 굴절률 차에 의해 빛의 전반사가 일어나며 코어층을 통해 빛이 전달됩니다.
컴퓨터와 같은 기기가 정보를 보내는 경우, 이 데이터는 전기 에너지의 형태로 출발합니다. 컴퓨터의 레이저가 신호를 광자, 즉 작은 전자기 에너지 입자인 빛으로 변환시켜 머리카락 두께의 광섬유 속 코어를 통해 빠르게 연속해서 보냅니다.
[신소재] 신고분자재료
신고분자재료란?
신고분자재료는 기존의 고분자 물질보다 가볍고 강한 특징이 있습니다. 열에 약하고 무르거나 부러지기 쉬운 기존의 고분자 재료의 단점을 보안한 것으로 강도 등이 매우 우수하고 다양한 기능을 갖습니다.
신고분자재료의 종류
신고분자재료에는 엔지니어링 플라스틱, 고효율성 분자막, 태양광 발전 플라스틱 전지 등이 있습니다. 엔지니어링 플라스틱은 금속보다 강한 플라스틱 제품으로서, 경량화를 지향하는 자동차·전자기기·전기제품 등에 쓰입니다.
신고분자재료의 활용분야
신고분자재료 분야는 그 동안 PA·POM·PC 등의 엔지니어링 플라스틱스가 산업화되었으며, 플라스틱스 복합재료도 일부 산업화되고 있고, 반도체 포토레지스트나 패키징 재료들도 국산화되고 있습니다.
마무리
오늘은 신소재 재료 중 수소저장합금, 금속초미립자, 반도체재료, 압전재료, 초전도재료, 신고분자재료, 광섬유에 대해 알아보았습니다.
신소재 재료는 우리의 삶의 질을 향상시키는 데 중요한 역할을 하는 분야입니다. 제품과 시스템의 효율성을 향상시키고, 새로운 기술의 발전을 가능하게 하며, 환경적 지속 가능성을 증진하는 데 필수적입니다.
나노재료, 생물학적 재료, 고성능 합금, 복합재료 등 다양한 종류의 신소재가 개발되고 있으며, 이들은 각각의 특성과 용도에 따라 선택됩니다. 이러한 신소재의 연구와 개발은 지속적으로 성장하고 있으며, 이는 우리가 미래의 도전과 기회를 대응하는 데 필요한 도구를 제공합니다.
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