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신소재 개념과 분류, 초전도체 그래핀 생체모방기술

by 지꼭정 2023. 8. 10.
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신소재는 혁신과 발전의 엔진으로 자리매김하고 있습니다. 이 블로그에서는 초전도체와 생체모방기술 중 특히 그래핀에 주목하여, 미래 기술과 생활에 미칠 혁명적인 영향을 살펴보겠습니다.

 

신소재의 개념

신소재_반도체


신소재는 기존 소재보다 우수한 물성 및 성능을 지닌 새로운 소재를 의미합니다. 이는 새로운 기술의 도입이나 혁신적인 제조 공정을 통해 개발된 것일 수 있습니다. 신소재는 다양한 산업 분야에서 사용되며, 그 차별화된 특성으로 혁신과 발전을 이끌어내는 역할을 수행합니다.이러한 신소재는 주로 세 가지 관점에서 분류됩니다. 첫째, 구성 요소의 종류에 따라 나노소재, 바이오소재, 금속 소재 등으로 나뉩니다. 둘째, 물리적 특성에 따라 초전도체, 고분자소재, 강화 소재 등으로 분류할 수 있습니다. 마지막으로, 용도나 산업에 따라 전자 소재, 의료 소재, 에너지 소재 등으로 분류됩니다. 높은 강도, 낮은 밀도, 탁월한 내구성, 전기 및 열 전도성 등의 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성들은 다양한 산업 분야에서 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 


신소재의 분류

 

물질은 그 전기적 자기적 성질에 따라 다양한 분류로 나뉩니다. 이러한 분류는 물질의 특성을 이해하고 활용하는 데 중요한 역할을 합니다.


전기적 성질에 따른 분류

 

  1. 전도체 (Conductor)
    전기를 잘 전달하는 물질로, 금속이 대표적인 전도체입니다. 금속은 자유 전자들이 자유롭게 움직일 수 있어 전기를 효과적으로 전달합니다.
  2.  반도체 (Semiconductor)
    전기를 어느 정도 전달하지만 전도체보다는 미약한 물질로, 반도체 소자는 전자의 흐름을 제어하고 정보를 처리하는데 사용됩니다. 
    반도체는 순수 반도체와 불순물 반도체로 나뉩니다. 순수 반도체는 실리콘이나 저마늄 등이 있고, 불순물 반도체의 경우 순수 반도체에 불순물을 첨가하여 전기의 전도성을 높은 물질을 뜻합니다. 
  3.  절연체 또는 부도체 (Insulator)
    전기를 전달하지 않는 물질로, 유리나 플라스틱, 고무나 나무 등이 절연체에 해당합니다. 절연체는 전기를 차단하여 전류의 흐름을 막는 역할을 합니다.

 



자기적 성질에 따른 분류


자성체는 자기장을 생성하거나 반응하여 자기력을 나타내는 물질로 분류됩니다. 자성체는 물질의 자기적 성질에 따라 크게 세 가지로 나뉩니다.

 

  1. 상자성체 : 자석이 가까이 있으면 자기장이 이동하는 방향으로 약하게 자화하고, 자기장에 제거되면 자화하지 않는 물질입니다. 알류미늄,주석,백금, 산소 공기 등이 여기에 속합니다.
  2. 강자성체  : 외부 자기장에 민감하게 반응하여 자석이 가까이 있으면 강하게 끌리며 자기장이 이동하는 방항으로 자기화되는 물질을 뜻합니다. 철, 니켈, 코발트 등이 이에 해당합니다.
  3. 반자성체 : 반자성을 보이는 물질로 외부 자기장에 의해 자기장과 반대 방향으로 자화되는 물질을 말합니다. 이러한 물질은 자기력을 생성하거나 유지하지 않습니다. 공기, 물, 유리 등이 반자성체에 해당합니다.



초전도체의 개념


초전도체는 특정한 온도에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상을 나타내는 물질을 의미합니다. 이 현상은 물질 내부의 전자들이 특별한 방식으로 상호 작용함으로써 발생합니다.  일반적으로 초전도현상은 임계 온도 이하에서 전기의 저항이 0이 되는 현상을 말합니다. (임계온도란 전기 저항이 0이 되는 온도이며, 초 전도 현상이 나타나는 온도입니다. 일반 전도체에서는 전기가 흐를 때 일정한 양의 에너지가 손실됩니다. 하지만 초전도체에서는 전기 저항이 사라지기 때문에 전기가 흐를 때 에너지 손실이 없습니다.그래서 강한 자기장을 만들어 낼 수 있습니다. 초전도체 내부에는 외부 자기장이 들어올 수 없는데 초전도체 위에 자성이 있는 물질을 두면 그 물질이 초전도체 위에 떠 있게 되는데 이러한 현상을 마이너스 효과라 부릅니다. 초전도체를 활용한 예로 자기부상열차, MRI, 초전도 전력 케이블 등을 들 수 있습니다.

 

 

 

 

그래핀의 개념

 

그래핀은 놀라운 구조와 특성을 지닌 탄소 기반 소재입니다. 이 특별한 물질은 탄소원자들이 벌집 모양의 완벽한 평면 구조로 배열된 시트로 이루어져 있으며, 흑연에서 한 개의 층을 분리하여 얻습니다. 그래핀은 얇은 두께와 높은 강도를 자랑하며, 전기 전도성과 열전도성이 뛰어나다는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 그래핀은 혁신적인 응용 가능성을 지니고 있습니다. 자동차 외장재에서는 가벼우면서도 강도가 뛰어나기 때문에 연료 효율성을 높일 수 있습니다. 또한, 그래핀은 유연성이 뛰어나기 때문에 구부러진 디스플레이와 같은 전자기기에서도 활용이 가능합니다. 태양전지에서는 높은 전기 전도성을 통해 효율적인 에너지 변환을 도모할 수 있습니다. 그러나 그래핀은 아직 대량 생산이 어렵고 비용이 높은 단점을 안고 있습니다. 또한, 그래핀의 전기적 성질을 효과적으로 제어하거나 변화시키는 것이 어려운 도전에 직면해 있습니다. 이러한 기술적인 난제를 해결한다면 그래핀은 미래의 혁신적인 소재로 자리할 것입니다.

 

 

생체 모방 기술의 개념

 

생체 모방 기술은 자연의 생물체나 생물학적 구조를 모방하여 새로운 기술과 제품을 개발하는 과정을 의미합니다. 이는 생명체의 특정을 잘 기억하며 환경 오염을 시키지 않고 자원을 낭비하지 않는 특징을 가지고 있습니다.  생체모방 로봇은 동물의 움직임과 행동을 모방하여 설계된 로봇입니다. 예를 들어, 개미나 곤충의 움직임을 모방하여 로봇을 개발하면서 미세한 공간에서의 탐사나 구조물 점검에 활용될 수 있습니다. 생체모방 기술은 의료 분야에서도 활용됩니다. 예를 들어, 생체조직이나 신체 부위의 구조를 모방하여 개발된 인공 심장 밸브, 인공 근육 등은 신체 기능의 복원과 치료에 사용될 수 있습니다. 또한 동물의 뼈나 껍질의 구조를 모방하여 높은 강도와 경량성을 동시에 갖는 소재를 개발하거나, 건축물의 디자인에 생체 구조를 적용하는 등의 응용이 가능합니다. 이 밖에도 항공기 및 드론의 날개 디자인에도 활용됩니다. 새의 날개나 나비의 날개 구조를 모방하여 고효율의 비행을 가능하게 하는 날개 디자인을 개발하거나, 날개를 흉내내어 에어로다이나믹한 성능을 끌어올리는 연구가 진행됩니다. 그리고 생체모방 자재는 생물체의 특성을 모방하여 제조된 소재로서, 강도, 가벼움, 유연성 등 다양한 특성을 동시에 갖출 수 있습니다. 이러한 바이오민달재는 자동차부터 항공기까지 다양한 분야에서 사용되며, 환경 친화적이고 효율적인 제품 개발에 기여합니다. 이 외에도 의료, 에너지, 로봇공학, 재료공학 등 다양한 분야에서 생체모방기술은 활용되고 있으며, 이를 통해 자연의 지혜와 효율성을 더욱 효과적으로 활용하는 새로운 기술과 제품들이 개발되고 있습니다.

 

 

초전도체, 그래핀, 생체모방기술 등의 신소재에 대해 알아보았습니다. 새로운 소재가 우리 생활에 더 많은 기여를 할수 있기를 바랍니다.

 

 

 

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