쓸모의 과학, 신소재

쓸모의 과학, 신소재 - 세상에 이로운 신소재 이야기
조용수 지음 / 교보문고(단행본) / 2024년 4월

 폴리머는 탄소를 중심으로 규칙적인 긴 분자 사슬 구조를 이루고 있다. 새로운 폴리머와 합성을 통해 새로운 원소의 결합을 유도하거나 사슬 구조를 인위적으로 변경하여 완전히 다른 특성의 고분자 소재를 만들어 낼 수 있다. 합성 고무나 나일론 같은 완전히 새로운 소재가 탄생하게 되는 경우이다. 폴리머는 유기 재료의 일부인데 유기 재료는 탄소를 기반으로 하는 광범위한 소재를 포함한다. (-26-)

기원전 3200면 경 구리에 주석(Sn) 을 함유하는 청동 bronze 제작법이 알려지면서 청동기 시대가 열린다. 그런데 왜 청동에 5`10%소랴의 주석이 필요했을까. 우련히 발견되었겠지만 구리 원자에 비해 작은 주석 원자가 들어감으로써 강도는 세지고 녹는 점을 낮추는 효과가 있어서 쉼게 구리를 확보할 수 있었기 때문이다.

이러한 에너지 밴드 개념은 전도체, 반도체, 부도체(절연체)로 구분하는 매우 중요한 기준이 된다. 재료는 크게 3가지 유형의 에너지 밴드로 구성되는 것이 가능하다. 인접한 2개의 에너지 밴드 ,즉 가전자대와 전도대가 서로 어떻게 위치하느냐에 따라 구별된다. 먼저 마그네슘(Mg) 같은 금속의 경우 아래에 있는 채워진 밴드가 위에 있는 빈 밴드로 올라가서 존재하는 경우로 두 밴드간 에너지 갭이 존재하지 않는다. (-89-)

우리는 전자 제품에는 일정한 수명이 존재한다고 생각하는데 대부분 소재가 구조적으로 변하면서 발생한다. 태양 전지의 경우도 여러 반도체 소재가 접합을 이루면서 소자 구조를 형성하는데 접촉하는 면에서 혹은 내부에서 결정립계가 어떻게 존재하느냐에 따라 빛에 의해 생성된 전자가 이동하는 데에 큰 방해를 받게 된다. (-100-)

탄소섬유는 직경이 작은 고강도 고탄성 계수의 섬유로 복합 재료에서 소개된 바와 같이 가벼우면서도 강도가 매우 높은 경우에 사용되는데 가격이 높아서 광범위하게 활용되는데 걸림돌이 된다예를 들어 카본 프레임 자전거의 경우 가벼우나 비싸서 대중적으로 사용되기에는 제한이 따른다. 자동차나 항공기의 뭄체에도 더 광범위한 활용이 기대된다. 탄소 섬유 내에서 탄소는 그래핀층을 형성하지만 제조하는 조건에 따라 그래핀층의 배열이 다르게 나타난다. (-142-)

대한민국은 수출로 먹고 사는 나라다.그로 인해 반도체 산업에 올인하고 있으며, 2nm 반도체 소자를 개발하고 있는 대만의 반도체 산업을 추격하고 있는 입장이다. 신소재는 대학에서,가르치는 재료공학이며,구석기 시대, 신석기, 청동기 시대를 구분하는 기준은 그 시대에 무엇을 사용했는지다. 청동기 시대는 구리와 주석으로 섞어서 ,강도를 높여 개발하였으며, 그 당시의 일상생활용품으로 쓰여지거나, 무기로 사용했다.자연계에는 94개의 원소가 존재한다. 가장 가벼운 원소는 원소 기호1번 수소이며, 가장 무거운 원소는 94번 플루토늄이다. 93번 우라늄과 함께 가장 무거운 원소로 손꼽히고 있으며, 핵무기 , 우주개발 에너지로 널리 쓰여지고 있다.인간이 만든 인공원소까지 포함하면, 118개에 이른다.

이 책에 나오고 있는 신소재는 인류르 이롭게 하는 전자제품에 널리 쓰여지고 있는 신소재를 설명하고 있으며,리튬과 세라믹, 금속, 폴리머에 대한 이해를 돕고 있다. 신소재는 우주개발에 있어서,절대적인 역할을 가지고 있다. 반도체는 부도체와 전도체 사이에 있는 특수한 성질을 가진 입자로서, 반도체 공정에 쓰여지는 세륨(Ce)이 대표적인 희토류다. 이외에, 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm)은 전기자종차 모터에 쓰여지고 있으며, 유료퓸(Eu), 이트륨(Y)은 디스플레이에 사용되고 있는 신소재이며, 희토류를 둘러싼 자원전쟁이 현실이 되고 있다. 책에는 94개의 원소 중 33번째로 풍부한 리튬이 칠레, 호주, 불가리아, 중국 현지에서 생산되고 있으며, 대한민국의 반도체 산업은 해외 자원의 수입에 의존하고 있었다.신소재를 이해한다는 것은 원소의 특징을 이해하고, 어떻게 신소재를 만들기 위한 목적을 찾아가는 것에 있다. 나노 소자를 넘어서, 아토초 소자를 개발하고 있는 대한민국 소재부품장비 산업에서, 우리가 추구하는 재료공학이 나아가야 할 방향이 어디인지 이 책의 도움을 구할 수 있어서, 노벨 물리학상 ,노벨화학상 수상자가 어떻게 신소재 개발에 큰 역할을 했는지 이해할 수 있다.