본문내용
1. 신소재 개요
1.1. 탄소동소체
1.1.1. 그래핀
그래핀은 탄소 원자들이 벌집 모양으로 얽혀 있는 얇은 막 형태의 나노 소재로써 인류가 발견한 최초의 2차원 결정이다. 그래핀은 탄소 나노튜브보다 균일한 금속성을 갖고 있어 산업적으로 응용할 가능성이 크고, 두께는 0.2nm로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높다. 또한 대부분의 빛을 통과시키기에 투명하며, 그 신축성도 매우 뛰어나다. 그래핀의 예상 활용 분야는 매우 넓은 편인데, 아직 양산의 어려움과 띠 간격의 한계라는 넘어서야 할 문제가 있다. 그래핀은 현재 투명전극의 대체용 소재로써 각광받고 있는데, 투명전극이란 빛 투과율이 높은 전극으로, 터치스크린의 핵심부품이다. 이는 잘 휘어지고 투명하여 전하의 이동속도가 매우 빠르다는 그래핀의 장점을 활용할 수 있는 부분이다. 그래핀은 바디 임플란트, 초미세 여과, 태양광 발전, 에너지 저장, 양자 컴퓨터 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
1.1.2. 탄소나노튜브
탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형모양 결합들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재이다. 탄소나노튜브의 전기전도도는 구리와 비슷하며, 열전도율은 다이아몬드와 같고, 강도는 철보다 무려 100배가 뛰어나다. 그 이외에도 탄소나노튜브는 가늘고 길며 속이 비어있어 표면적이 넓은 특성과 반도체의 특성 등을 가지고 있다.
탄소나노튜브를 축전지의 전극 및 연료전지에 응용할 경우 큰 기대효과를 얻을 수 있다. 축전지를 만듦에 있어 가장 중요한 점은 전지의 무게를 줄이는 것과 충전 효율을 높이는 것인데, 전극에 탄소나노튜브 적용 시 두 가지 조건을 모두 만족시켜 전지 분야에 큰 변화를 가져올 것이다. 탄소나노튜브는 무게가 가벼울 뿐만 아니라 튜브 내에 물질을 저장할 수 있는 공간이 많아 단위 질량당 전하 저장 능력이 매우 뛰어나다. 그리고 그 점은 가능한 한 많은 수소를 저장할 수 있어야 하는 연료전지의 요건을 만족한다. 또한 탄소나노튜브의 안정된 구조도 탄소나노튜브를 수명이 긴 이상적인 전극 재료로 만드는 데에 일조한다. 이처럼 우수한 점이 많은 탄소나노튜브를 차세대 연료전지로 사용할 경우 그 적용분야도 자동차를 비롯한 각종 시스템의 에너지 분야들로 매우 다양할 것이다.
최근 로봇공학 혹은 메카트로닉스 분야는 전자소자의 크기를 점차 소형화하는 방향으로 나아가고 있다. 그리고 그 길은 소형화 기술의 진보에 따라 마이크로로봇을 뛰어넘어 나노 로봇의 개발까지 이어질 예정이며, 그에 따른 미세 소자 사이의 배선 길이 단축에 기족의 금속 막대 대신 탄소나노튜브를 사용할 경우, 우수한 효과를 얻을 수 있다고 한다. 또한 탄소나노튜브를 그 우수한 전기 전도성과 기계적 강도를 배경으로 주사탐침현미경(STM)의 팁으로도 사용 가능하고, 아울러 초미세 시스템의 연결선, 초미세 파이프, 액체 주입장치 등에도 응용할 수 있다. 더 나아가 탄소나노튜브의 가스흡착기능을 이용한 가스 센서의 제작과 탄소와 생체조직과의 친화성을 이용한 각종 의료용 장치 부품의 제작까지도 그 길이 닿을 것이라는 예상이 있다.
1.1.3. 풀러렌
풀러렌은 1985년에 발견된 완전히 새로운 탄소 물질이다. 주로 탄소 원자 60개가 축구공 모양으로 결합한 버크민스터 풀러렌(C60)을 말한다. 풀러렌은 다이아몬드만큼 강하며, 내부에 빈 공간이 있고 큰 공간도 존재한다. 기름에 녹는 성질을 이용하여 수지에 첨가해 내구성이나 내열성을 높이거나 정전기 제거, 잡음 필터로 활용이 가능하다. 또한 단단하고 날카로운 절삭 도구나 아주 단단한 플라스틱을 만드는 연구도 진행 중이다. 상업적으로는 미세 베어링, 경량 배터리, 암환자 항종양 치료제로 사용할 수 있고, 고분자 분야에서는 전기 스위치, 새로운 플라스틱으로 활용할 수 있다. 또한 고압에도 견디는 성질로 인해 이상적인 로켓 연료의 주성분이 될 수 있다. 버키볼이라는 풀러렌 입자는 토양 미생물에 무해하며 산성 광산 폐수에서 유해 금속을 선별적으로 분리할 수 있는 것으로 확인되었다.
1.2. 청정에너지
1.2.1. 미생물 연료전지
미생물 연료전지는 미생물을 촉매로 사용하여 유기물을 분해하면서 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술이다.
이 기술은 우리가 각종 생활을 하면서 다량 발생시키는 오폐수를 원료로 사용할 수 있기 때문에, 오폐수가 생태계에 큰 위협을 주고 있는 만큼 상용화되면 매우 큰 이점을 얻을 수 있다. 현재 미생물 연료전지의 효율은 40~60% 정도이며, 발전 과정에서 나오는 열에너지까지 전기에너지로 변환하면 최고 80%의 효율을 낼 수 있다. 더하여 처리되는 폐수가 지닌 자체의 에너지 함량이 그 폐수를 처리하는 데 소비되는 에너지의 약 9.3배라고 한다. 즉, 폐수를 친환경적으로 처리하는 것 이상으로 실제 에너지를 많이 생산할 수 있다는 것이다.
미생물이 유기물을 분해하면서 발생하는 수소 이온과 전자가 보통 전지를 작동시키는 것과 같이 작용하여 발전하게 된다. 그러나 아직 실현은 소형화된 모델로밖에 이루어지지 않아 대형화와 실제 폐수처리장에 적용할 기술력의 부족이 과제로 남아 있어 상용화되어 있지 않다.
하지만 향후 이 기술이 실현된다면 친환경적으로 폐수를 처리하면서 동시에 실제 에너지를 생산할 수 있는 큰 장점이 있을 것으로 기대된다.
1.3. 준결정
준결정은 결정과 비결정의 중간물질로, 주기성 구조와 무질서 구조 사이의 균형을 잡아, 완벽한...
