사회 발전과 지속적인 기술 진보에 따라 독특한 특성을 지닌 많은 신소재들이 발견되어 빠르게 인기를 얻고 있습니다.
이러한 소재들을 소개할 때, 특히 전문가들 사이에서는 흔히 "21세기에서 가장 유망한 소재" 또는 "세기를 정의할 소재"라고 부르며 미래를 형성하는 데 있어 전략적 중요성을 강조합니다. 새로운 소재 기술.
하지만 과연 이러한 칭호를 받을 자격이 있을까요? 이 소재들을 좀 더 자세히 살펴보고 새로운 소재 관점에서 그 잠재력을 평가해 보겠습니다.
그래핀
2004년, 앤드류 게임, 콘스탄틴 노보셀로프 및 그의 동료들은 기계적 박리법을 이용하여 플레이크 흑연에서 단일층 그래핀을 성공적으로 분리해냈습니다.
이 획기적인 사건은 소위 '~의 탄생'을 알리는 계기가 되었습니다. “신곡의 왕” 그리고 그래핀의 탁월한 전기적, 기계적, 열적 특성을 밝혀냈습니다.
그래핀은 탄소 원자들이 빽빽하게 배열된 2차원 결정체입니다.
현재까지 알려진 나노물질 중 가장 얇으면서도 가장 강한 물질 중 하나입니다.
이 제품은 초박형, 초경량, 탁월한 유연성, 매우 높은 강도, 뛰어난 전기 전도성, 우수한 열 전도성 및 높은 광학적 투명성을 특징으로 합니다.
높은 전자 이동도, 낮은 저항, 뛰어난 기계적 강도 및 탁월한 열 방출 특성을 결합한 그래핀은 전자, 광학, 자기, 생물의학, 촉매, 에너지 저장 및 센서 분야에서 엄청난 잠재력을 보여줍니다.
이는 미래 첨단 기술 경쟁의 구도를 바꿀 핵심 소재로 널리 인식되고 있습니다.
탄소 섬유
탄소 섬유는 첨단 소재 분야에서 또 다른 중요한 신소재입니다. 이는 유기 섬유를 불활성 분위기에서 고온으로 탄화시켜 비탄소 원소를 제거함으로써 생산됩니다.
흔히 다음과 같이 불립니다. "검은 황금" 산업 분야에서 탄소 섬유는 강철보다 강도가 5~8배 높지만 무게는 4분의 1에 불과합니다.
이 소재는 높은 강도, 낮은 밀도, 고온 저항성 및 내식성을 특징으로 합니다.
탄소 섬유는 경량 보강재로 선호되는 소재이며, 국가 경제 및 국방 산업에 있어 전략적 자원으로 여겨집니다.
탄소 나노튜브
1991년 발견 이후 탄소 나노튜브는 주요 연구 대상으로 꾸준히 주목받아 왔습니다.
전 세계 과학자들은 탄소 나노튜브의 열적 및 전기적 특성을 광범위하게 연구해 왔습니다. 탄소 나노튜브는 단층 또는 다층 그래핀 시트를 말아서 만들어집니다.
나노튜브는 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 나노튜브로 분류될 수 있습니다.
탄소 나노튜브는 극도로 작은 크기 덕분에 세포 내부까지 침투할 수 있습니다. 독특한 구조 덕분에 탁월한 기계적 강도, 매우 높은 전하 이동도, 조절 가능한 밴드갭, 우수한 열 성능, 광학적 및 전기적 특성, 그리고 화학적 안정성을 지니고 있습니다. 이러한 장점들이 결합되어 탄소 나노튜브는 엔지니어링 재료, 전자 장치, 에너지 저장 장치, 광검출기, 그리고 생의학 분야에서 매우 유망한 소재로 주목받고 있습니다.
다이아몬드
다이아몬드는 모스 경도 10으로 알려진 가장 단단한 천연 물질입니다.
재료 가공 분야에서 다이아몬드는 사실상 비할 데가 없습니다. 또한 다이아몬드는 자연에서 발견되는 가장 높은 열전도율 중 하나를 가지고 있으며, 그 범위는 200~2200 W/(m·K)에 이릅니다. 뿐만 아니라 다이아몬드는 5.5 eV의 밴드갭을 가진 초광대역 밴드갭 반도체입니다.
다이아몬드는 높은 전자 이동도, 높은 포화 속도, 매우 높은 항복 전기장 강도 및 탁월한 열전도율을 제공합니다. 전력 소자에 대한 존슨 성능 지수는 탄화규소(SiC)보다 약 10배 더 높습니다.
SiC 및 GaN 전력 전자 기술이 성숙해짐에 따라 새로운 요구 사항들이 차세대 전력 소자 개발을 촉진하고 있습니다. 다이아몬드는 고출력, 고주파, 고온 및 저손실 전자 소자에 가장 유망한 소재로 널리 인정받고 있으며, 이러한 이유로 차세대 전력 소자의 핵심 소재로 꼽히고 있습니다. “궁극의 반도체.”
탄화규소(SiC)
탄화규소는 현재 가장 성숙한 3세대 반도체 소재입니다.
최근 몇 년 동안 SiC는 놀라운 성장세를 보였습니다. 전 세계적인 "이중 탄소" 전략 하에서 SiC는 신에너지 자동차, 태양광 발전, 에너지 저장 산업에 깊이 통합되었습니다. 그 결과, SiC는 종종 다음과 같은 반도체 소재로 묘사됩니다. "이륙하는 중."
고급 세라믹
첨단 세라믹(정밀 세라믹, 기술 세라믹 또는 고성능 세라믹이라고도 함)은 금속 및 고분자와 함께 3대 고체 재료 범주 중 하나입니다. 첨단 세라믹은 단일 재료를 지칭하는 것이 아니라 광범위한 계열을 의미합니다. 대부분의 첨단 세라믹은 우수한 기계적, 음향적, 광학적, 열적, 전기적 및 생물학적 특성을 나타냅니다.
세라믹은 항공우주, 전자 정보, 생체의학 공학 및 고급 장비 제조 분야에서 널리 사용됩니다. 20세기 초 자동차 점화 플러그에 이미 사용되었지만, 그 잠재력은 계속해서 확대되고 있습니다. 전통적인 기계 부품부터 신에너지 자동차 및 반도체 장비에 이르기까지, 첨단 세라믹의 미래는 무궁무진합니다.
초전도 물질
초전도 물질은 특정 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0이 됩니다. 이러한 물질의 세 가지 주요 특성, 즉 0의 저항, 완벽한 반자성, 그리고 터널링 효과는 전 세계적인 관심을 불러일으켰습니다. 가장 잘 알려진 응용 분야는 전력망입니다. 저항이 제거되므로 전력 전송 손실을 10~20%까지 줄일 수 있어 상당한 에너지 절감 효과를 가져옵니다.
에어로젤
에어로젤은 나노 다공성 네트워크 구조를 가진 가벼운 고체 소재입니다.
흔히 ' "고체 연기" 이 물질들은 최대 99.8%의 공기로 구성되어 있습니다. 극도로 높은 다공성, 넓은 비표면적, 초저밀도, 그리고 매우 낮은 열전도율을 특징으로 합니다.
요약하자면, 에어로젤은 초경량, 초강력, 그리고 뛰어난 절연성을 자랑합니다. 촉매, 단열재 및 기타 첨단 분야에 널리 사용되면서 "마법의 소재"라는 명성을 얻었습니다.
액체 금속
액체 금속이란 녹는점이 상온과 비슷하거나 그 이하인 금속 또는 합금을 말합니다.
액체 금속은 상온 또는 약간 높은 온도에서 유동성을 유지합니다. 대표적인 예로는 수은(Hg), 갈륨(Ga), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 등이 있습니다. 액체 금속은 알려진 액체 물질 중 가장 높은 전기 전도성과 열 전도성을 지니고 있습니다. 금속의 성질과 유체의 특성을 결합하여 다재다능한 다기능 소재로 활용될 수 있습니다.
금속-유기 골격체(MOF)
최근 몇 년 동안 금속-유기 골격체(MOF)는 새로운 종류의 결정질 다공성 물질로 주목받으며 전 세계적으로 큰 관심을 받고 있습니다. 제올라이트나 활성탄과 같은 기존의 다공성 물질과는 달리, MOF는 금속 이온 또는 클러스터가 유기 리간드와 배위 결합을 통해 자가 조립되어 형성됩니다.
이러한 독특한 구조는 MOF에 높은 구조적 질서와 조절 가능성을 부여하여 다양한 특성과 기능을 나타냅니다.
경량 합금
티타늄 합금은 높은 강도, 우수한 연성, 내식성 및 비자성 특성을 제공합니다. 티타늄 합금 외에도 알루미늄 및 마그네슘 합금과 같은 경량 합금이 있습니다. 알루미늄 합금은 수십 년 동안 자동차와 선박에 널리 사용되어 왔습니다. 마그네슘 합금은 실용적으로 사용되는 가장 가벼운 구조용 금속으로, 차량 경량화를 위한 가장 중요한 소재 중 하나로 여겨집니다.
폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)
폴리에테르에테르케톤(PEEK)은 선형의 반결정성 고성능 열가소성 수지로서 첨단 엔지니어링 고분자 분야의 대표적인 신소재입니다. 분자 골격은 케톤기, 에테르 결합 및 방향족 고리로 구성되어 완전한 방향족 구조를 형성합니다. PEEK는 우수한 기계적 특성, 열 안정성 및 내화학성을 제공합니다. 도입 이후 국방 및 항공우주 분야에서 중요한 신소재로 주목받아 왔습니다.
박막 리튬 니오베이트(LiNbO₃)
리튬 니오베이트는 리튬, 니오븀, 산소의 화합물입니다. 이는 강한 자발 분극을 나타내는 강유전성 결정이며, 알려진 강유전체 중 가장 높은 퀴리 온도를 가지고 있습니다. 리튬 니오베이트는 강력한 전기광학 효과, 조절 가능한 특성, 화학적 안정성, 그리고 넓은 광학 투과 영역을 나타냅니다.
광통신이 인공지능 컴퓨팅 성능의 "고속도로"라면, 박막 리튬 니오베이트 변조기는 "초고속 충전소"와 같습니다. 이 변조기는 데이터 전송 속도, 효율성 및 안정성을 직접적으로 결정합니다. 광통신 및 인공지능 컴퓨팅 외에도 박막 리튬 니오베이트는 LiDAR, 양자 통신 및 초고속 레이저 분야에서 큰 잠재력을 보여줍니다.
양자 물질
반도체가 "필수품"이라면, 양자 물질은 미래를 대표합니다. 양자 물질은 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 센싱의 기반이 됩니다. 위상 절연체나 2차원 물질과 같은 소재들이 매우 유망한 것으로 여겨지지만, 상용화는 아직 요원합니다. 향후 10년 동안 양자 물질은 주로 연구 중심의 영역에 머물며, 시제품 응용은 제한적일 것으로 예상됩니다.
4D 프린팅 재료
4D 프린팅은 시간이 지남에 따라 구조물의 형태가 변할 수 있도록 함으로써 3D 프린팅의 한계를 뛰어넘는 기술입니다. 이러한 형태 변화는 소재 설계와 외부 자극을 통해 제어됩니다. 현재 4D 프린팅 기술은 초기에서 중기 단계에 있으며, 향후 5~10년 내에 유연 전자 기기 및 항공우주 분야에서 획기적인 발전이 기대됩니다. 일반적으로 사용되는 소재로는 형상 기억 고분자, 하이드로겔, 액정 엘라스토머, 양자 금속 등이 있습니다.
보로펜
그래핀은 단일 층의 붕소 원자로 구성된 2차원 물질로, 방향성 전도성, 높은 인장 강도 및 금속성 특성을 나타냅니다. 이러한 독특한 구조 덕분에 그래핀은 전자 및 광학 분야에서 유망한 소재로 주목받고 있습니다. 예를 들어, 전자 분야에서는 전계 효과 트랜지스터와 센서에 사용되어 소자의 성능과 신뢰성을 향상시킵니다. 광학 분야에서는 광검출기와 광 변조기에 사용되어 소자의 감도와 응답 속도를 높입니다. 에너지 분야에서는 배터리 전극과 슈퍼커패시터에 사용되어 에너지 밀도와 수명을 향상시킵니다. 양자 컴퓨팅 분야에서는 큐비트와 양자 회로에 사용되어 양자 컴퓨팅의 효율성과 안정성을 개선합니다.
특수 흑연
특수흑연은 고순도, 고강도, 고밀도의 흑연입니다.
금속은 신흥 산업에서 대체 불가능한 전략적 자원입니다. 태양광 발전, 반도체, 신에너지 배터리, 야금, 화학 공정, 기계 및 전자 제품 분야에서 널리 사용됩니다.
읽어주셔서 감사합니다. 제 글이 도움이 되셨으면 좋겠습니다. 아래에 댓글을 남겨주세요. 추가 문의 사항은 젤다 온라인 고객 담당자에게 연락하실 수도 있습니다.
— 게시자 에밀리 첸
