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첨단소재
첨단소재(尖端素材, advanced materials)는 고도의 과학기술을 이용하여 만든 재료를 말한다.
최첨단 소재는 한때 불가능하다고 여겨졌던 특성과 기능을 제공하는 과학 및 엔지니어링 혁신의 최전선을 대표한다. 이러한 소재는 전자, 항공우주, 의료, 에너지에 이르기까지 다양한 산업에 혁명을 일으키고 있다.
개요[편집]
첨단소재란 금속·무기·유기 원료 및 이들을 조합한 원료를 새로운 제조 기술로 제조하여 종래에 없던 새로운 성능 및 용도를 띄게 된 소재를 의미한다.
아마도 첨단소재는 하이테크 소재의 하위 그룹으로 간주할 수 있을 것 같다. 하지만 여기에는 모든 종류의 핵심소재가 포함돼 있다. 안티노미에서 희토류까지 채굴되는 소재들, 다양한 금속으로 구성된 많은 종류의 초(超)합금, 마지막으로 다양한 특수 화학물질이 포함돼 있다. 따라서 첨단소재는 산업과 과학에서 사용되는 어떤 별도의 용어다.
첨단소재는 일반적으로 이미 그 소재에서 가용했던 특성과의 트레이드 오프 없이 기존 소재에 비해 성능 특성을 크게 향상시킨 물질이다. 첨단소재는 강철보다 강하지만 훨씬 가벼우면서 부식되지 않을 것이다. 또 다른 필수적인 특성은 거의 전적으로 사람이 만든다는 점이다. 일반 합금과 달리 더 나은 것을 얻기 위해 기존 소재를 단순히 혼합하는 게 아니다. 인간이 구조를 조작해 자연계에 존재하지 않았던 완전히 새로운 것을 얻는다.
범위[편집]
첨단 소재는 특성, 형태 및 용도에 따라 첨단 금속 소재, 첨단 세라믹 소재, 첨단 고분자 소재, 첨단 화학 소재, 첨단 바이오 소재로 구분함
- 첨단 금속 소재 : 기존의 물성 한계를 극복하고 고효율·저비용의 제조 및 가공을 통해 새로운 기능을 구현함
- 첨단 세라믹 소재 : 천연 광물을 정제한 원료 또는 합성원료를 이용하여 정밀히 제어된 화학 조성, 성형, 소성, 가공 등 공정 및 융복합 기술을 통해 기존의 한계를 극복함
- 첨단 고분자 소재 : 엔지니어링 플라스틱, 나노구조체 및 나노 복합 소재 등의 나노 소재 기술, 고분자 3D 프린팅 소재, CNT 및 그래핀, 탄소 소재 등의 새로운 기능을 부여함
- 첨단 화학 소재 : 신규 원천 소재의 근원 기술에서부터 용도별 특수 기능성이 부가된 응용 제품의 개발에 이르기까지 첨단 제조업 분야의 기반과 기초가 되는 고부가가치 소재를 지칭함
- 첨단 바이오 소재 : 바이오테크놀로지(BT)와 기능성 소재의 융합으로 의료, 의약, 생물, 환경 등 다양한 분야의 소재로 활용됨
종류와 특징[편집]
- 1) 그래핀
그래핀은 2차원 벌집 격자로 배열된 탄소 원자의 단일 층입니다. 그 특별한 특성에는 높은 전기 전도성, 탁월한 기계적 강도 및 유연성이 포함된다. 그래핀은 유연한 전자 장치, 투명 전도성 필름, 배터리 및 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치, 심지어 약물 전달 및 조직 공학을 위한 생체 의학 응용 분야를 포함한 광범위한 응용 분야에 대해 연구되고 있다.
- 2) 메타물질
메타물질은 자연적으로 발생하는 물질에서는 발견되지 않는 특성을 지닌 인공적으로 가공된 물질이다. 나노 또는 마이크로 규모에서 구조를 신중하게 설계함으로써 메타물질은 음의 굴절률이나 특정 파장의 완벽한 흡수와 같은 고유한 전자기 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 특성은 향상된 성능을 갖춘 슈퍼 렌즈, 클로킹 장치 및 안테나와 같은 광학 분야에서 응용된다.
- 3) 탄소 나노튜브(CNT)
탄소 나노튜브는 탄소 원자로 구성된 원통형 나노 구조이다. 이 제품은 뛰어난 기계적 강도, 높은 열 및 전기 전도성을 가지며 믿을 수 없을 정도로 가볍다. CNT는 복합 재료 강화, 유연한 전자 장치, 나노전자기계 시스템(NEMS), 심지어 생체의학 응용 분야의 약물 전달 수단으로도 활용하기 위해 연구되고 있다.
- 4) 2D 재료
그래핀 외에도 고유한 특성을 지닌 2차원(2D) 재료 제품군이 성장하고 있다. 여기에는 이황화 몰리브덴(MoS2), 질화 붕소(BN), 흑린과 같은 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)가 포함된다. 이러한 각 재료는 뚜렷한 전기적, 광학적, 기계적 특성을 제공하므로 트랜지스터, 센서, 광검출기 및 에너지 저장 장치와 같은 다양한 응용 분야에 적합하다.
- 5) 페로브스카이트 태양전지
페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 기반 태양전지의 유망한 대안으로 떠올랐다. 페로브스카이트 재료는 높은 광 흡수 계수, 조정 가능한 밴드갭 및 저렴한 제조 공정을 제공한다. 연구자들은 상업적으로 실행 가능한 재생 에너지 솔루션을 만드는 것을 목표로 페로브스카이트 태양 전지의 효율성과 안정성을 지속적으로 개선하고 있다.
- 6) 형상기억합금(SMA)
형상기억합금은 열이나 기계적 응력과 같은 특정 자극을 받을 때 미리 결정된 형상으로 돌아가는 놀라운 능력을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해 SMA는 정확한 형상 제어 및 변형 복구가 중요한 생의학 장치, 액추에이터 및 항공우주 부품의 응용 분야에 이상적이다.
- 7) 나노복합재
나노복합재는 나노입자, 나노튜브 또는 나노섬유와 같은 나노크기의 충전재로 강화된 매트릭스로 구성된 재료이다. 이러한 나노크기 강화재를 통합함으로써 나노복합체는 기존 복합재료에 비해 우수한 기계적, 전기적, 열적 특성을 나타낼 수 있습니다. 그들은 자동차 부품, 항공우주 구조물, 스포츠 장비 등에서 응용 분야를 찾는다.
- 8) 바이오 영감 소재
자연에서 영감을 얻은 바이오 영감 소재는 뼈, 거미줄, 진주층(자개)과 같은 생물학적 소재의 구조와 특성을 모방한다. 이러한 재료는 종종 뛰어난 강도, 인성 및 자가 치유 능력을 나타냅니다. 생체모방 재료는 경량 구조 재료, 보호 코팅 및 생체의학 임플란트에 응용하기 위해 연구되고 있다.
- 9) 유연하고 신축성이 있는 전자 장치
기존의 견고한 전자 장치는 불규칙한 모양을 따르거나 기계적 변형을 견딜 수 있는 유연하고 신축성이 있는 전자 장치로 대체되었다. 이러한 재료에는 일반적으로 그래핀, 탄소 나노튜브 또는 금속 나노와이어와 같은 전도성 재료와 결합된 폴리머 또는 엘라스토머와 같은 유연한 기판이 포함된다. 유연한 전자 장치는 웨어러블 장치, 전자 피부 및 의료용 임플란트에 응용된다.
- 10) 자가 치유 재료
자가 치유 재료는 기계적 마모나 외부 요인으로 인해 발생한 손상을 자율적으로 복구하는 능력을 가지고 있다. 이는 가역적 화학 결합, 치유 물질을 함유한 마이크로캡슐 또는 손상된 부위에 치유 물질을 전달하는 혈관 네트워크와 같은 다양한 메커니즘을 통해 달성된다. 자가 치유 재료는 자동차 코팅, 항공우주 부품 및 인프라 재료에 잠재적으로 응용될 수 있다.
- 11) MOF(금속 유기 프레임워크)
MOF는 유기 리간드와 배위된 금속 이온 또는 클러스터로 구성된 다공성 물질이다. 높은 표면적, 조정 가능한 기공 크기 및 화학적 다양성으로 인해 가스 저장 및 분리, 촉매 작용, 약물 전달 및 감지와 같은 응용 분야에 매력적이다.
- 12) 양자점
양자점은 양자 구속 효과로 인해 발생하는 독특한 전자 및 광학 특성을 지닌 반도체 나노입자이다. 이는 크기에 따른 밴드갭과 높은 광발광 양자 수율을 나타내므로 디스플레이, 조명, 태양 전지 및 생물학적 이미징 응용 분야에 유용하다.
- 13) 열전 재료
열전 재료는 Seebeck 및 Peltier 효과를 통해 열을 전기로 직접 변환하거나 그 반대로 변환할 수 있다. 열전 소재의 발전은 자동차, 산업, 항공우주 분야의 폐열 회수 효율을 향상시키고 소형 전자 장치에 전력을 공급하는 것을 목표로 한다.
- 14) 토폴로지 절연체
토폴로지 절연체는 내부에서는 절연체처럼 동작하지만 독특한 전자 밴드 구조로 인해 표면에서는 전기를 전도하는 물질이다. 그들은 스핀트로닉스, 양자 컴퓨팅 및 저전력 전자 분야의 응용 분야에 대한 가능성을 갖고 있다.
- 15) 실크 기반 소재
누에, 거미, 특정 곤충에서 생산되는 천연 단백질 섬유인 실크는 놀라운 기계적 특성, 생체 적합성 및 생분해성을 가지고 있다. 연구원들은 조직 공학, 약물 전달, 유연한 전자 장치 및 웨어러블 센서 분야에 응용할 수 있는 실크 기반 재료를 탐색하고 있다.
- 16) 하이드로겔
하이드로겔은 다량의 물을 흡수하고 유지할 수 있는 가교 폴리머 네트워크이다. 생체 적합성과 조정 가능한 기계적 특성으로 인해 생의학 지지체, 약물 전달 시스템, 콘택트 렌즈 및 조직 공학을 포함한 광범위한 응용 분야에 사용된다.
- 17) 3D 프린팅 재료
3D 프린팅의 출현으로 금속, 세라믹, 복합재 등 기존 플라스틱을 넘어 다양한 인쇄 가능한 재료가 개발되었다. 이러한 재료를 사용하면 맞춤형 특성을 갖춘 복잡한 기하학적 구조를 제작할 수 있어 항공우주, 자동차, 의료, 소비재에 이르기까지 다양한 산업 분야의 제조에 혁명을 일으킬 수 있다.
참고자료[편집]
- 루카스 베드나르스키, 〈이제 첨단소재에 대해 이야기할 때〉, 《머니투데이》, 2023-12-09
- PickStory, 〈첨단소재의 종류〉, 《픽스토리》, 2024-04-05
- TIPA,〈중소기업기술로드맵 :: 첨단소재〉, 《네이버 블로그》, 2019-09-04
같이 보기[편집]
