신소재

신소재(advanced materials)는 금속·무기(無機)·유기 원료 및 이들을 조합한 원료를 새로운 제조기술로 제조하여 종래에 없던 새로운 성능·용도를 가지게 된 소재로서 신금속재료, 비금속 무기재료, 신고분자재료, 복합재료 등으로 분류할 수 있다.

종류

신소재의 종류는 4가지로 분류할 수 있다.

신금속재료

① 형상기억합금(shape memory alloy):대표적인 합금으로 타이타늄-니켈 합금이 있으며 인공위성부품·인공심장밸브·감응장치 등에 쓰인다.

② 비정질금속재료(amorphous metal):비결정형재료라고도 하며, 강도, 자기화 특성, 내마모성, 내부식성이 크다. 녹화헤드·변압기 등에 쓰인다.

③ 초전도재료(superconducting material):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 무기재료

① 파인세라믹스(fine ceramics): 뉴세라믹스라고도 한다. 천연 또는 인공적으로 합성한 무기화합물인 질화물·탄화물을 원료로 하여 소결한 자기재료이다. 내열성·굳기·초정밀가공성·점연성·절연성·내식성이 철보다 강하여 절삭공구·저항재료·원자로부품·인공관절 등에 쓰인다.

② 광섬유(optical fiber):빛을 머리카락 굵기에 불과한 수십 μm 유리섬유 속에 가두어 보냄으로써 광섬유 한 가닥에 전화 1만 2000회선에 해당하는 정보를 전송할 수 있다. ③ 결정화유리(crystallized glass):유리세라믹스라고도 하며, 비결정구조로 된 유리를 기술적으로 결정화하여 종래에 없던 특성을 지니게 한 유리이다.

신고분자재료

① 엔지니어링 플라스틱:금속보다 강한 플라스틱 제품으로서, 경량화를 지향하는 자동차·전자기기·전기제품 등에 쓰인다. ② 고효율성 분자막(high efficiency separator):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.

복합재료

① 바이오센서(biosensor):생체에 적합한 의료용 신소재로서 인간의 5감을 가지는 것으로, 산업용 로봇제어기술, 자동제어, 정밀계측기 분야에 쓰인다.

② 복합재료:두 종류 이상 소재를 복합하여 고강도·고인성·경량성·내열성 등을 부여한 재료이다. 유리섬유·탄소섬유·아라미드섬유 등이 이에 속한다.

③ 탄소섬유강화플라스틱(CFRP:carbon fiber reinforced plastic):강도가 좋으면서도 가벼운 재료를 만들기 위해서 플라스틱에 탄소섬유를 넣어 강화시킨 것이다. 자동차부품, 비행기 날개, 테니스 라켓, 안전 헬멧 등에 이용된다.

④ 섬유강화금속(FRM:fiber reinforced metal):금속 안에 매우 강한 섬유를 넣은 것으로, 금속과 같은 기계적 강도를 가지면서도 가벼운 재료이다. 우주·항공 분야에 이용된다.

배터리 신소재

• 탄소나노튜브(CNT) : 전기와 열 전도율이 구리, 다이아몬드와 동일하고 강도는 철강의 100배에 달하는 차세대 신소재다. 기존의 소재를 훨씬 뛰어 넘는 특성 때문에 배터리, 반도체, 자동차 부품, 항공기 동체 등에 폭넓게 쓰인다.
• 그래핀 : 그래핀은 연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연의 한 층을 가리키는 것으로서, 전자 이동성이 빠르고 열전도성이 뛰어나며 강도도 높아서 미래에 사용될 신소재로 각광받고 있다. 특히 최근 삼성전자가 발표한 배터리 소재인 '그래핀 볼'은 기존 리튬이온 배터리의 성능을 압도하는 것으로 알려져 국내·외 에너지업계가 비상한 관심을 보이고 있다. 충전용량을 45%나 향상시키면서도 충전 속도까지 5배 이상 빠르게 올릴 수 있는 것으로 드러났기 때문이다. 기존 배터리는 고속충전 기술을 사용하더라도 완전히 충전하는데 1시간 정도가 소요되지만, 그래핀 볼을 원료로 한 배터리는 12분이면 완전히 충전할 수 있다는 것이 삼성전자 측의 설명이다.
• 이산화티타늄 : 과학자들은 이산화티타늄(TiO₂)을 기존 흑연(탄소) 전극을 대체할 새로운 음극 소재로 지목하고 있다. 격자구조를 가진 이산화티타늄은 격자 사이사이에 리튬을 저장할 수 있어 배터리 용량을 높이기에 최적화된 구조를 가지고 있기 때문이다. 또 속이 빈 구 형태의 이산화티타늄 나노구조체를 전극으로 활용했을 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다.
• 게르마늄 안연합금 : 오래가는 배터리 음극 신소재이다. POSTECH 화학공학과 박수진 교수팀과 KAIST 신소재공학과 김일두 교수팀은 배터리 음극 소재로 활용할 수 있는, 일차원 구조의 불규칙 배열을 가진 이종금속을 개발, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)지를 통해 발표했다. 실리콘이나 게르마늄을 활용한 음극 소재가 그 대안으로 개발되기는 했지만, 용량은 높일 수 있어도 전기전도도가 낮아 출력을 높일 수가 없어 전기자동차와 같은 큰 전지에는 적용할 수 없다는 문제가 있었다. 공동연구팀은 '원자 단위'로 눈을 돌렸다. 일반적으로 2종류 이상의 금속이 열반응을 거치면 특정 비율의 합금이 생겨나는데, 게르마늄과 아연을 열반응 시키면 특정 비율이 아니라 원자단위로 불규칙적인 배열의 합금으로 바뀌게 된다. 이 합금을 일차원적 구조로 합성시켜 리튬이온전지에 적용해 실시간 전자현미경으로 관찰한 결과, 이 일차원적 구조가 게르마늄 물질의 문제점으로 부각됐던 부피 팽창을 완화시켰다. 또 아연이 게르마늄 원자 사이사이에 들어가 전자의 이동속도를 높이며 출력을 높이는 역할을 한다는 사실도 밝혔다.

참고자료

• 김경한 기자, 〈LG화학, 배터리 신소재 '탄소나노튜브' 1200톤 증설〉, 《테크월드뉴스》, 2020-04-27
• 김영준 기자, 〈'꿈의 신소재'로 대용량 배터리 만든다〉, 《전자신문》, 2020-03-11
• 김준래 기자, 〈올해 주목받을 배터리 소재는?〉, 《사이언스타임즈》, 2018-01-08
• 박상우 기자, 〈‘배터리 소재도 휩쓴다’ 세계 1위 목표 LG화학, 2025년까지 6조원 투자〉, 《M오토데일리》, 2021-07-23
• 김병석 기자, 〈오래가는 배터리 음극 신소재 '게르마늄-아연합금' 개발〉, 《사이언스모니터》, 2019-06-11

같이 보기

• 소재
• 배터리
• 그래핀
• 탄소나노튜브
• 이산화티타늄

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