복합 신소재 및 초전도재료 등

복합신소재

신소재 복합 사용의 역사는 고대로 거슬러 올라간다.예부터 현재까지 사용된 볏짚 보강 점토와 100년 된 철근콘크리트는 두 가지 재료가 복합돼 있다.1940년대 항공공업의 필요에 따라 유리섬유강화플라스틱(속칭 유리강)을 발전시켜 복합재료라는 명칭이 붙었다.50년대 이후 탄소섬유흑연섬유붕소섬유 등 고강도 고형량 섬유가 속속 발전했다.70년대에는 아라미드 섬유와 탄화규소 섬유가 나왔다.이들 고강도, 고준위 섬유는 합성수지, 탄소, 흑연, 세라믹, 고무 등 비금속 기체나 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등 금속 기체와 복합적으로 구별되는 복합 재료다.초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 비강도는 각종 섬유 중 1위를 차지하며 특히 항화학 시약 침식 성능과 노화 방지 성능이 우수하다.고주파음파 투과성과 내해수 부식성도 우수한 것으로 알려져 많은 나라에서 함정의 고주파음파 가이드 캡을 만들어 함정의 지뢰탐지, 소해 능력을 크게 향상시켰으며 국내 시카 신소재가 개발한 복합 신소재는 국내 최고 수준을 대표한다.군사 분야뿐 아니라 자동차 제조, 선박 제조, 의료기기, 스포츠기자재 등의 분야에서 초고분자량 폴리에틸렌 섬유도 폭넓게 응용될 전망이다.이 섬유는 출시되자마자 세계 선진국들의 큰 관심과 관심을 끌었다.

 

초전도재료

어떤 재료는 온도가 어떤 임계 온도로 내려갔을 때 저항이 완전히 사라지게 되는데, 이런 현상을 초전도성이라고 하며, 이런 현상을 가진 재료를 초전도체라고 한다.초전도체의 또 다른 특징은 저항이 없어질 때 자기감응선이 초전도체를 통과하지 못하게 된다는 것이다. 이러한 현상을 항자성이라고 한다. 일반적인 금속(예: 구리)의 저항률은 온도가 내려감에 따라 감소하며 0K에 가까울 때 저항이 일정하게 나타난다.그러나 1919년 네덜란드 과학자 오네스가 액체 헬륨으로 수은을 냉각시키자 온도가 4.2K(즉, 269℃)까지 떨어지자 수은의 저항이 완전히 사라졌다.

초전도성과 항자성은 초전도체의 두 가지 중요한 특성이다.초전도체 저항이 제로인 온도를 임계 온도(TC)라고 한다.초전도 재료 연구의 난제는 '온도 장애'를 돌파하는 즉, 고온 초전도 재료를 찾는 것이다.

NbTi, Nb3Sn으로 대표되는 실용초전도소재는 상품화돼 자기공명영상(NMRI), 초전도체 및 대형 가속기 자기체 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며 SQUID는 초전도체 약전응용의 모델로 이미 미약전자기신호 측정에 중요한 역할을 하고 있어 감도는 다른 비초전도체 장치로는 달성할 수 없다.그러나 일반 저온 초전도체의 임계 온도가 너무 낮아 값비싸고 복잡한 액체 헬륨(4.2K) 시스템에서 사용해야 하기 때문에 저온 초전도체 응용의 발달이 제한된다.

고온산화물 초전도체의 출현으로 온도 장벽을 뚫고 초전도 응용온도를 액체헬륨(4.2K)에서 액체질소(77K) 온도로 높였다.액체 헬륨에 비해 액체 질소는 매우 경제적인 냉매로 열 용량이 높아 공정 적용에 큰 편리성을 가져왔다.또 고온초전도체는 20T 이상의 강자성장을 낼 수 있을 정도로 자기성이 높다.

초전도 재료의 가장 매혹적인 응용은 발전과 송전, 에너지저장이다

이런 자기부상 효과를 이용해 상하이 푸둥국제공항의 고속열차처럼 고속도형 자기부상열차를 만들 수 있고, 초고속컴퓨터는 집적회로 칩에 소자와 연결선을 촘촘히 배열할 것을 요구하지만 밀집된 회로는 작업 중 열량이 많이 발생하고 저항이 제로에 가까운 초전도체를 이용해 연결선이나 초미세 발열 초전도체를 만들면 속도가 훨씬 빨라진다.

 

에너지 재료

에너지 재료는 태양전지 소재, 수소저장재, 고체산화물 전지 소재 등이다.

태양전지 소재는 신에너지 재료로 IBM사가 개발한 다층복합 태양전지로 전환률이 40%에 이른다.

수소는 무오염 고효율의 이상적인 에너지원으로 수소의 저장 및 수송이 관건이며, 미국 에너지부는 전체 수소 연구비 중 약 50%를 수소저장 기술에 쓰고 있다.수소는 일반 재료에 부식을 일으켜 수소 취성 및 누수를 일으키며, 수송 중에 폭발하기 쉬우며, 수소 재료의 수소 저장 방식은 수소와 결합하여 수소화물을 형성하고 필요할 때 가열하여 방류하고, 다 넣은 후에 수소를 계속 충전할 수 있는 재료이다.수소 저장 재료는 대부분 금속 화합물이다.라니5H, Ti1.2Mn1.6H3 등이다.

고체 산화물 연료전지의 연구는 매우 활발한데, 관건은 고체 전해질 박막과 배터리 음극재, 그리고 양성자 교환막형 연료전지용 유기 양성자 교환막 등이다.