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신소재
금속 · 무기 · 유기 원료 및 이들을 조합한 원료를 새로운 제조기술로 제조하여 기존에 없는 새로운 성능 · 용도를 가지게 된 소재로서 신금속 재료, 비금속 무기재료, 신고분자재료, 복합재료등으로 분류할 수 있습니다.
신소재
(1) 신소재의 개발
지각과 생명체를 구성하는 물질은 여러 종류의 원소들이 일정한 규칙에 따라 다양한 화합물로 이루어져 있으며, 이 물질들은 밀도, 녹는점, 끓는점, 전기 전도성, 자성 등의 물리적 성질을 가지고 있습니다. 신소재는 기존 소재를 구성하는 원소나 화학 결합의 구조를 변화시켜 새로운 물리적 성질을 갖도록 만듭니다.
전기적 성질을 이용한 신소재
(1) 전기적 성질에 따른 분류
전기가 잘 통하거나 통하지 않는 성질을 성질을 전기적 성질이라고 합니다.
| 구 분 | 도 체 | 절연체 | 반도체 |
| 성 질 | 전기 저항이 작아 전류가 잘 흐른다 | 전기 저항이 매우 커서 전류가 거의 흐르지 않는다 | 온도나 압력등 조건에 따라 전기 저항이 변하는 물질 |
| 예 | 철, 구리 , 알루미늄 등 | 고무, 유리, 플라스틱 등 | 규소(Si), 저마늄(Ge) |
| 이 용 | 전선 등과 같이 전기가 잘 통해야 하는 곳에 사용 | 전선의 피복 등 전기가 통하지 않아야 하는 곳에 이용 |
(2) 액정
① 액정 : 가늘고 긴 막대 모양의 분자로 이루어져 있고, 액체와 고체의 성질을 함께 가진 물질
=> 전압을 걸어 주면 액정 분자의 배열이 바뀌는 성질이 있습니다.
* 액정화면의 구조 : 편광측이 수직인 두 장의 편광판 사이에 액정 분자들이 채워져 있으며, 형광등이나 LED를 광원으로 사용
* 편광 : 어느 특정한 방향으로만 진동하는 빛으로, 편광판을 통과한 빛은 편광축과 나란한 방향으로 편광 됨
② 액정을 이용한 영상 표시 장치(LCD) : 액정을 이용하여 얇게 만든 영상 표현 장치로, 액정에 걸리는 전압의 세기 변화를 통해 액정 분자의 배열 상태를 다르게 하여 빛의 투과량을 조절함으로써 영상을 표한합니다.
③ 이용 분야 : 컴퓨터 모니터, 텔레비전, 휴대전화, 전자계산기, 온도계의 화면등
(3) 반도체
도체와 절연체의 중간 정도의 전기적 성질을 갖는 물질로, 규소(Si)가 대표적인 예입니다.
① 특성
저온에서는 전기 저항이 크지만 빛 또는 열에너지를 가하거나 불순물을 소량 첨가하면 전기 저항이 변하여 도체처럼 활용가능
* 불순물 반도체
순수한 반도체인 규소는 원자가 전가가 4개로, 원자들끼리 공유 결합을 하고 있어 전규가 잘 흐르지 않는다. 그러나 규소에 불순물을 첨가하면 전류가 잘 흐르게 되는데 이를 불순물 반도체라고 합니다.
* 양공 : 전자의 빈자리로, (+) 전하를 띤 입자와 같은 역할을 하는 가상의 입자
② 이용분야
반도체는 불순물을 첨가하여 전기 전도성을 높인 불순물을 반도체를 주로 이용
=> 첨가한 불순물에 따라 생기는 전기적 성질을 이용하여 다양한 반도체 소자를 만듭니다.
| 다이오드 | 트랜지스터 | 발광다이오드(LED) | 태양 전지 |
| 두 종류의 반도체를 붙여 만든 소자로, 한쪽방향으로만 전류가 흐르는 성질을 이용 | 약한 신호를 큰 신호로 바꾸는 증폭 작용이나 회로를 껐다 켰다 하는 스위치 작욕을 하는데 이용 | 전류가 흐를때 빛을 방출하는 성질을 이용하여 정보 표시 장치나 조명에 이용 | 빛을 비출때 전규가 흐르는 성질을 이용하여 전기 에너지를 생산하는데 이용 |
자기적 성질을 이용한 신소재
(1) 자기적 성질에 따른 분류
자기장을 만들거나 외부 자기장에 반응하는 성질을 자기적 성질이라 합니다.
| 구 분 | 강자성체 | 상자성체 | 반자성체 |
| 성 질 | 자석이 될수 있는 물질로, 강한 자기장 속에 놓아두면 외부 자기장을 제거해도 오랫동안 자석의 성질을 유지 | 자석이 될수 없는 물질로, 자석에 약하게 끌려오지만 외부 자기장을 제거하면 자석의 성질을 유지할수 없다 | 자석을 가까이 하면 밀리는 성질이 있으며, 외부 자기장과 반대 방향으로 자성을 띤다. |
| 예 | 철, 니켈, 코발트 등 | 종이, 알루미늄 등 | 금, 구리, 물등 |
(2) 초전도체
초전도 현상을 나타내는 물질
① 초전도 현상
특정 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 현상
네덜란드의 과학자 오너스가 액체 헬륨을 이용하여 수은의 온도를 낮추다가 약 4.2K인 온도 이하에서 수은의 전기 저항이 갑자기 사라지는 현상을 발견하면서 처음 발견됨
② 임계 온도
전기 저항이 0이 되는 온도, 즉 초전도 현상이 나타나기 시작하는 온도
=> 임계 온도는 물질마다 다르며 임계 온도보다 높은 온도에서는 초전도 현상이 사라집니다.
예) 수은의 임계 온도 : 4.2K(약 -270℃)
*초전도체의 한계
현재는 임계 온도가 매우 낮아 극저온상태를 유지하는데 많은 비용이 들어 초전도체를 활용한 대부분의 기술이 아직 상용화되지 못하고 있습니다. 그러나 앞으로 실온에서 초전도 현상을 나타내는 물질이 발견된다면 초전도체는 일상생활의 다양한 분야에 이용될 것으로 보입니다.
③ 초전도체의 특징과 이용
| 특징(임계 온도 이하에서) | 이용 | |
| 전기 저항이 0이다 | 전류가 흘러도 열이 발생하지 않기 깨문에 에너지 손실이 없다 | 전력 손실이 없는 송전선 (초정도 전력 케이블) |
| 센 전류를 흘러 강한 자기장을 만들수 있다. | 핵융합로, 자기 공명 영상(MRI)장치 | |
| 주변의 자기장을 밀어낸다. (마이너스 효과) |
초전도체를 자석 위에 놓으면 자석이 계속 떠 있다. | 자기 부상 열차 |
* 마이너스 효과 : 초전도체가 외부 자기장을 완전히 밀어내는 현상으로 마이스너 효과에 의해 초전도체와 자석 사이에는 척력이 작용하여 자석이 초전도체 위에 떠 있을 수 있다.
(3) 네오디뮴 자석
철 원자 사이에 네오디뮴과 붕소를 첨가하여 만든 강력한 자석
=> 하드 디스크, 고출력 소형 스피커, 강력 모터 등 강한 자기장이 필요한 곳에 이용
여러 가지 신소재
(1) 나노 신소재
나도 단위 수준으로 원자의 결합 구조나 배열을 변화시킨 신소재
① 그래핀 : 탄소 원자가 육각형 모양으로 결합하여 한 층으로 배열된 형태
=> 흑연은 탄소 원자가 그물처럼 연결된 평면들이 쌓여 있는 구조로, 그래핀은 흑연에서 한 층을 분리하여 얻습니다.
특징
- 두께가 매우 얇으며 휠 수도 있고, 빛을 잘 투과시켜 투명합니다.
- 유연성이 뚜어나 면적이 늘어나거나 휘어지더라도 전기적 성질이 변하지 않습니다.
- 강철보다 단단하고 구리보다 열을 잘 전달하며, 반도체보다 전기 전도성이 뛰어납니다.
이용
휘어지는 디스플레이, 위복형 컴퓨터, 야간 투시용 콘택트렌즈, 차세대 반도체 소재등
② 그 외의 나노 신소재
(2) 생체 모방 신소재
생명체의 행동이나 구조, 특성을 모방하는 방법을 생체 모방이라고 하고, 생체 모방을 다양한 신소재 개발하고 있습니다.
| 홍합의 분비물을 이용한 접착제 |
연잎의 작은 돌기를 모방한 코팅제 |
도꼬마리 열매 구조를 모방한 벨크로 테이프 | 게코 도마뱀 발바닥을 모방한 접착 테이프 | 모르포 나비 날개를 응용한 섬유 |
| 홍합은 분비물을 이용하여 피도가 치는 바닷물 속에서도 바위에 강하게 달라붙어 있다. →수중 접착제, 의료용 생체 접착제 |
연잎 표면의 미세한 돌기 구조는 물방울이 연잎 표면에 스며들지 않게 한다. →자동차나 건물의 코팅제, 물에 젖지 않고 더러워지지 않는 섬유 |
도꼬마리 열매는 갈고리 형태로 되어 있어 털에 붙으면 잘 떠러지지 않는다. →벨크로 테이프 |
게코 도마뱀의 발바닥은 수백만개의 미세 털로 강력한 접착력을 발휘하여 천장에 거꾸로 매달릴 수 있다. → 접착 테이프, 수직 벽을 오르는 로봇 |
모르포 나비의 날개는 얇은막이 여러 층으로 겹겹이 이루어져 있어 보는 방향에 따라 색이 달라진다. → 염색 없이 빛에 의해 색을 나타내는 모르포텍스 섬유 |