본문내용
1. 미래 사회와 신소재
1.1. 초재료
'초재료(超材料: Super-Materials)'는 일반적인 지구의 중력에 의한 힘의 작용으로 인해 발생하는 문제점을 해결하기 위해 우주의 무중력공간에서 제조하여 만드는 재료이다. 이러한 초재료는 일반적인 지구상에서 만든 재료들에 비해 경도가 증가하고, 단시간에 제조할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로 설명하면, 지상에서 290km의 지점까지 전기로가 내장된 로켓으로 보내진 후 자전에 의해 원심력과 만유인력이 평형을 이루는 무중력 상태가 되면, 원소들을 균일하게 분사하여 복합재료를 합성할 수 있다. 이렇게 제조된 초재료는 지상에서 만든 재료보다 경도와 내구성이 약 2배 정도 향상된다. 예를 들면 Ti/카바이드/위스카를 균일하게 분사하여 제조하면 지상에서보다 2배 정도의 경도를 가지며, Si/As/Te의 3원소를 균일하게 혼합하여 제조하면 제조시간이 지상의 18시간보다 훨씬 빨라지는 등의 효과를 볼 수 있다.
연구자는 향후 무중력공간에서 서로 잘 혼합되지 않는 원소들도 균일하게 혼합하여 새로운 기능을 가진 재료를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이처럼 초재료는 기존 재료보다 우수한 물성을 가지며, 다양한 응용분야에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
1.2. 초전도체
초전도체(Super Conductor)는 전기저항(R=0)이 되어서 전기에 의한 마찰이 없어지게 되는 성질을 가지고 있다. 전기저항(R)에 의한 열손실은 ΔP=I^2R이므로, R=0이 되면 ΔP=I^2R=I^2·0=0이 된다. 즉, 전기저항(R)이 없어지게 되므로, 전기에 의해서 발생되는 열손실은 완전히 없어지게 된다.
이러한 초전도체의 원리를 이용한 것이 "자기부상열차"이다. 전기저항도 없어질 뿐만 아니라 열차가 레일에 약간 뜨게 되므로 운동에 의한 마찰력도 사라지게 된다. 따라서 저항은 공기에 의한 마찰력 밖에 존재하지 않게 된다. 이에 따라 엄청난 마찰에 의한 손실을 줄일 수 있게 되어서 연료의 효율성을 크게 증가시킬 수 있고, 연료의 소모도 감소되므로 연료도 절약할 수 있게 된다.
이러한 초전도체의 성질은 일부 금속들이 극저온에서 전기저항(Resistance)=0이 되는 것에서 비롯된다. 주로 Nb(니오브), Ta(탄탈륨), V(바나듐), Sc(스칸듐), La(란탄), Nd(네오디뮴), Y(이트륨) 등 20여 종의 금속 원소가 이러한 초전도성을 띠는 것이 확인되었다. 이러한 초전도성이 나타나기 시작하는 온도를 Tc(Critical temperature : 임계온도)라고 하며, 이 Tc(Critical temperature : 임계온도)이하에서 초전도성을 가지게 된다.
하지만 이런 금속이나 합금 등이 초전도 상태가 되는 전이 온도(임계온도)는 Tc=23K(= -250°C)에 불과했다. 이후 Ceramics 형태로 합성된 초전도체가 비교적 높은 온도에서도 초전도성을 가진다는 것을 발견했는데, 이는 실용화의 가능성을 열어 주었다. 대표적인 예로 YBa2Cu3O7-x가 Tc=90K(=-183°C), Tl2Ba2Ca2Cu3Ox의 경우에는 Tc=122K(= -151°C)의 초전도 전이온도를 가진다.
현재까지 발견된 초전도 전이 온도의 최고치는 Tc= 153K(= -80°C)이며 앞으로 273K(=0°C)에 가까운 240K가 달성될 것으로 전망되고 있다. 이러한 초전도체가 개발되면 자기부상열차, 전자 추진선, 초전도 진동기, 전력공급 안전 시스템, NMR, 자기냉동 시스템 등에 활용될 것으로 기대된다.
따라서 초전도체는 전기저항이 없어 전기적 손실이 없고, 이를 활용한 자기부상열차와 같은 혁신적인 기술을 가능하게 하므로 미래 사회의 다양한 분야에 활용될 수 있는 매우 중요한 신소재라고 할 수 있다.
1.3. 전도성 플라스틱
플라스틱(Plastic)은 일반적으로 전도성을 가지지 않는다. 그러나 플라스틱에 전도성(Conductivity)을 부여한다면 금속보다 가벼우면서도 유용하게 사용될 수 있다.
플라스틱에 전도성을 부여하는 방법 중 하나는 플라스틱에 탄소(C)를 혼합하는 것이다. 탄소(C)를 플라스틱에 너무 많이 혼합하면 탄소(C)의 표면적이 증가하여 점도가 저하되고 물질이 부서지기 쉬워진다. 따라서 일반적으로 플라스틱에 30% 이상의 탄소(C)를 혼합할 수는 없다.
1950년대에 서독에서는 고분자 물질인 PVK(Poly Vinyl Carbazole)이 전기저항(Resistance)이 낮다는 것을 발...
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