신소재 보고서 3차 작성

주제 : 물질의 분류와 신소재

보고서를 쓰는 이유

1. 우리 주변에는 다양한 물질들로 만들어진 물건들이 있다. 하지만 물질들이 어떤 특성이 있고, 그 체계를 다져놓지 않으면 물건들이 부서지거나 위급한 상황 시에 더 큰 사고를 불러일으킬 수 있다. 그렇기 때문에 물질들을 분류하고 체계를 잡아 위급한 상황이 오더라도 당황하지 않고 상황에 대처하기 위해서이다. 그리고 기존 물질들로는 이뤄낼 수 없었던 과학적 성과를 이루게 한 신소재에 대해 흥미가 있기 때문이다.

서론

1) 물질의 특성

-사전에 적혀 있는 물질의 정의는 ‘공간의 일부를 차지하고 질량을 가지며 다양한 자연 현상을 일으키는 실체’이다. 우리가 만지는 ‘물체’들의 재료가 ‘물질’이다. 이러한 물질들은 원자들로 이루어져 있는데, 원자가 질량을 가지기 때문에 자동으로 물질도 질량을 갖게 된다. 원자는 그 자체의 크기가 있고, 원자와 원자 사이에는 거리가 있으므로 물질은 ‘부피’를 갖고 공간을 차지한다.

원자들은 내부 구조를 가지기에 기본 입자가 아니다. 원자는 핵과 전자로 이루어지며, 핵은 양성자와 중성자로 구성되며, 양성자와 중성자는 다시 쿼크들로 이루어진다. 표준 모형 중 ‘페르미온’인 여섯 종류의 쿼크와 여섯 종류이 렙톤이 물질을 구성하는 입자이다. 나머지 네 종류의 게이지 보손들은 입자들 사이의 상호작용을 전달하는 역할을 한다. 힉스 보손은 다른 기본 입자들이 질량을 갖게 해준다. 물질을 구성하는 12개의 페뢰온들은 질량을 가지지만 크기는 가지지 않는 점 입자로 간주된다. 글루온과 광자의 질량은 0이다. 광자로도 표현되는 파동(전자기파, 소리 등), 미시적으로는 입자의 운동에너지인 ‘열’ 등을 물질이 아니다.

물질은 ‘순물질’과 ‘혼합물’로 나눌 수 있다. 순물질이란 한 종류의 물질로만 이루어져 고유한 성질을 갖는 것을 말한다. 이와 반대 개념인 혼합물은 여러 가지 순물질들이 섞여 있는 것을 말한다. 덧붙여 혼합물질은 성분이 고르게 섞인 ‘균일 혼합물’과 그렇지 않은 ‘불균일 혼합물’로 나뉠 수 있다.

물질은 보통 고체, 액체, 기체, 플라스마의 네 가지 상태로 존재하는데, 물질의 상태는 ‘온도’와 압력에 따라 달라진다. 다소 생소한 플라스마는 상당히 높은 온도와 압력에서 나타나는 상태이다.

2) 신소재란?

신소재는 금속, 무기, 유기 원료 등을 조합한 원료를 새로운 기술로 제조하여 기존에 없던 성능과 용도를 가지게 된 소재를 뜻한다. 후에 서술하겠지만 ‘그래핀’이라는 신소재는 전자의 이동성, 열전도성, 신축성 등의 부문에서 여타 다른 물질들보다 뛰어난 성능을 보유하고 있다. 이에 따른 활용 분야도 매우 다양하다. 초고속 반도체, 휘는 디스플레이, 고효율 태양전지 등 많은 용도로 사용될 수 있다. 이같이 기존에 있던 물질로 만들 수 있는 과학기술의 한계를 한 층 부숴주는 역할을 하는 것이 신소재이다.

본론1

1) 고체

암석

-지각을 구성하는 요소로, 광물로 구성된다. 암석을 이루는 광물은 대부분 ‘산소’와 ‘규소’를 주성분으로 하는 [규산염 광물]이다. 규산염 광물의 대표적 예시에는 석영과 흑운모가 있다. 석영은 투명하고 육각기둥 모양의 결정형이 나타나며 깨지는 성질이 있는 반면에, 흑운모는 검은색을 띠며 얇은 판 모양으로 쪼개지는 성질을 갖는다. 이 처럼 규산염 광물은 규소와 산소가 결합되는 기본 구조인 ‘규산염 사면체’ 때문에 성 질들이 달라진다.

규산염 사면체(SIO4)는 전체적으로 음전하를 띤다. 이로 인해 인접해 있는 양이온과 결합하거나 각 사면체의 모든 산소를 다른 규산염 사면체와 공유하여 전기적으로 중 성이 된다. 주요 규산염 광물의 결합 구조에는 ‘독립형 구조’, ‘단사슬 구조’, ‘복사슬 구조’, ‘판상 구조’, ‘망상 구조’가 있다.

출처-

플라스틱

현 21세기에서 가장 많이 그리고 유용하게 쓰이는 플라스틱은 열 또는 압력에 의하 여 성형할 수 있는 유기물 기반 고분자 물질 및 그 혼합물을 이르는 용어이다. 플라 스틱의 어원은 그리스어 Plastikos와 라틴어 Plasticus에서 유래한다.

1907년 Leo Baekeland가 최초의 상업 용도의 페놀계 수지 배이크라이트를 개발하 였고, 플라스틱이라는 용어를 처음으로 사용했다. 페놀과 폼알데하이드를 혼합하여 단단하고 가벼우며 가공이 쉬운 재료를 생산하여 플라스틱의 시대를 열어 젖혔다.

플라스틱에는 다양한 종류가 있는데 우선 ‘열가소성 플라스틱’은 말그대로 열을 가 하면 녹고, 다시 냉각시키면 고체상태로 되돌아가는 플라스틱이다. 고분자 사슬 간 상호작용이 약하여 고온에서의 이동이 자유로운 유체의 성격을 가진다. 대표적으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 있다. 두 번째, 일상생활 속에서 가장 자주 접하는 ‘범용 플라스틱’이다. 포장재, 식품 용기, 장난감, 일회용품 등 특수 성질을 요구하는 않는 일상생활 제품에 사용되는 플라스틱이다. 생산가격이 낮으며, 생산량이 많으며 대표적으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸아크릴레이트 등이 있다. 세 번째, ‘엔지니어링 플라스틱’은 이름에서 느껴지듯이 전기⦁전자 제품, 자동차, 항공기 등에 금속을 대체재로써 널리 사용된다. 이 플라스틱은 내열성과 강도가 뛰어난 플라스틱 군을 이르는 용어이다. 일반적으로 100도 이상의 유리 전이 온도를 가지는 플라스틱 제품들이 여기에 속한다. 내마모성, 내한성, 내약품성, 전기 절연성 등 우수한 성질을 나타낸다. 5대 엔지니어링 플라스틱으로 폴리아마이드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리페닐렌에터가 있다.

(Fe)

철은 은회색 광택을 내는 전이 금속이다. 지구의 핵을 구성하는 주요 성분이며 지각 에서 산소, 규소, 알루미늄 다음으로 많이 존재한다. 핵융합의 최종 원소로서 철은 지각에 풍부하며, 자연 상태에서의 철은 주로 산화물 형태로 철광석에 존재한다. 원 소 상태에서는 대기 중의 산소나 물과 반응하여 녹(rust)으로 알려진 적갈색의 수화 된 산화물로 바뀐다.

철은 주로 화합물에서 +2와 +3의 산화 상태를 갖지만 같은 8족의 루테늄과 오스뮴 원소처럼 –2부터 +6까지 다양한 상태로도 존재한다. 놀랍게도 순수한 철은 알루미늄 보다 무르다. 하지만 제련 과정에서 탄소를 첨가하면 우리가 아는 단단하고 강한 강 철이 된다. 철은 알다시피 자동차, 선박, 철도, 도로, 건물 등 대부분의 기계류나 도 구를 만드는데 필요한 인류가 애용하는 금속이다. 또한, 철은 거의 모든 생명체에 필 수적인 원소이며 호흡과 ‘산화-환원 반응’에 관여한다.

철에는 구조가 다른 4가지 동소체가 존재한다(동소체란 한 종류의 원소로 구성되어 있지만, 배열상태나 결합 방법이 달라 성질이 서로 다른 성질의 물질로 존재하는 형 태를 말한다). 델타-철, 감마-철, 알파-철, 입실론-철이다. 액체 상태의 용융된 철 을 식혀 1538도에서 결정화된 ‘델타-철’을 계속 식히 면 1394도에서 ‘감마-철’로 바 뀐다. 또 912도에서 ‘알파-철’이 되며 770도에서는 구조의 변화 없이 자기적 성질 이 강자성으로 바뀐다. 10 GPa 이상의 높은 압력하에서 ‘알파-철’과 ‘감마-철’은 또 다른 동소체인 ‘입실론-철’로 변한다.

출처-conceptw

2) 액체

⦁물

모든 생명체의 원동력인 물은 지구상에서 가장 중요한 물질이다. 물 분자는 2개의 수소원자와 1개의 산소원자로 구성된다. 우리가 보는 액체상태의 물은 수많은 물분자 들이 모인 것이다. 물을 이루는 수소원자와 산소원자는 각각 부분적으로 양 전하, 음 전하를 띤다. 이유는 산소 원자는 전자를 잘 끌어 당기는 특성이 있어 상대적으로 산 소원자 주위에 전자가 더 많이 쏠리게 되기 때문이다. 따라서 한 개의 분자 안에 부 분적으로 양 전하, 음 전하를 가진 물 분자는 ‘극성을 띤 분자’라고 한다. 극성을 띤 물 분자들은 서로 이웃하고 있는 분자들끼리 서로 잘 끌어당긴다. 물이 극성을 띠기 에 극성을 띠는 이온이나 분자들은 물에 잘 녹는다. 반면에 극성이 매우 약하거나 없 는 분자 들의 경우 당연히 물에 녹지 않는다. 예를 들면 기름 분자들은 극성이 없어 극성 용매인 물에는 잘 녹지 않음을 일상 속에서 알 수 있다.

……

3) 기체

4) 플라즈마

5) 초임계

본론2

1. 신소재의 종류

1) 신금속재료

2) 비금속 무기재료

3) 신고분자재료

4) 복합재료

2. 여러 가지 신소재들

1) 그래핀

2) 형상기억합금

3) 탄소섬유강화플라스틱

4) 바이오센서

본론3

1)

2)

3)

결론

1)

2)

<참고 문헌>

교과서

사이트

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네이버 지식백과-화학백과

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662736&cid=62802&categoryId=62802
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5663054&cid=62802&categoryId=62802

논문

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