신소재 보고서 6차 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-과학 교과서

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

⦁산소

-산소는 우리가 살아가는 데 있어 필수적인 요소들 중 하나이다. 산소의 원소기호 O, 원자번호 8번으로 적색 거성의 내부에서 탄소의 핵이 헬륨의 핵인 알파입자와 융 합해서 만들어진 원소이다. 산소는 수소, 헬륨에 이어 우주에서 세 번째로 풍부한 원 소이다. 산소 기체(O2)는 지구 대기의 20% 정도를 차지한다. 산소는 우리 체중을 포 함해서 대부분 생명체 질량의 2분의 3 정도를 차지한다.

-산소는 많은 물질들과 결합할 수 있는데, 원자가 2인 산소 원자가 양쪽으로 수소와 결합하면 물이 된다. 탄소가 양쪽으로 산소와 이중 결합하게 되면 지구온난화의 주범 인 이산화 탄소가 된다. 이 이산화 탄소는 C=O 결합의 극성이 양쪽으로 상쇄된 무극 성 분자이고 상온에서 기체이다. 산소는 탄소보다 반지름이 상당히 큰 실리콘(규소)과 는 전자 밀도의 중첩이 크지 않아서 이중 결합을 잘 만들지 못하고 대신 단일 결합 으로 이루어진 이산화 실리콘은 분자 결정으로 지각의 주성분 역할을 한다.

⦁메탄(Methane)

-메탄은 가장 간단한 유기 화합물로 화학식은 CH4이고 천연 가스의 주성분이다. 무색 무취인 가연성 기체로서, 끓는 점이 –164도로 매우 낮기에 액화가 어려운 기체이다. 메탄의 구조는 정사면체의 중심에 탄소가 있고 정사면체 꼭짓점에 수소가 있는 모양이다. 대칭 구조이므로 무극성을 띠고, 물에 용해되기 어렵다. 메탄 분자를 구성하는 탄소 원자와 수소 원자의 결합이 비교적 안정적이기 때문에 쉽게 반응하지 않지만, 자외선을 쬐면 탄소와 nth의 결합이 끊어지면서 탄소와 염소의 결합이 형성된다.

-앞서 언급했듯이, 메탄은 천연 가스의 주성분이고 도시 가스의 88%를 차지한다.석유의 트래킹에 의해서도 생성된다. 깊은 바다 속에서도 고압으로 인하여 얼음처럼 고체화된 상태로도 존재하는데, 이것은 하이드레이트라고 한다. 독도 근처에서도 상당량 매장되어 있는 것으로 보고되며, 미래의 연료원으로 연구되고 있다.

⦁헬륨

-원소기호 He, 원자번호 2번의 헬륨은 빅뱅 이후 2번째로 만들어진 원자이다. 빅뱅 3분 후에 양성자 2개와 중성자2개의 결합으로 헬륨 원자핵이 만들어졌고, 약 38만년 후에 전자 2개와 결합하여 헬륨 원자가 만들어졌다.

-헬륨은 무색과 무취의 단분자 기체이면서 독성을 띠지 않고, 주기율표의 마지막 족의 맨 위에 위치한다. 원소 중에서 끓는점이 가장 낮으며 우주에서 수소를 제외하면, 가장 가볍고 풍부하며 질량비로 약 24%를 차지한다. 우주에 있는 헬륨은 대부분 4He이다. 이것들은 거의 모두 빅뱅으로부터 형성된 것이고, 새로 만들어진 헬륨 대부분은 별에서 수소의 핵융합 시 발생한 것들이다.

-공식적인 헬륨 원소의 발견은 1895년에 스웨덴 화학자 클레베(P. T. Cleve)와 랭글렛이 우라늄 광석인 클레베아이트로부터 발생하는 헬륨을 포착함으로써 이루어졌다. 하지만 램지 경은 이 광석으로부터 헬륨을 최초로 정제 분리하였다.

-헬륨은 산업적으로 주로 초전도 자석의 극저온 냉각제로 사용되고, 용접이나 누출 감지에 쓰인다. 실생활에서는 공기보다 밀도가 작아 풍선이나 비행선에 주입하거나, 순간적인 목소리 변조에 쓰인다(ex)배성재 아나운서의 헬륨 목소리 오프닝).

-현재 지구 대기에 헬륨은 비교적 적게 분포된 편으로 부피 비로 5.2ppm도를 차지한다. 이들 대부분은 방사성 원소의 자연 방사성 붕괴에 의해 방출되는 알파 입자가 4He 핵으로 이루어져 있기에 생성되는 것이다. 예전에 제구에서 헬륨이 일단 대기 중에 방출되면 우주로 날아가기에 재생할 수 없는 물질로 여겨졌다. 따라서 고갈될 것으로 여겨졌으나, 최근 연구에 의하면 방사성 붕괴에 의해 지구 깊숙이에서 생성된 헬륨은 기대보다 더 많이 존재하며 여기에는 화산 활동에서 방출되는 것도 있다고 한다.

4) 플라스마(Plasma)

1. 플라스마의 정의 및 구성

-플라스마란 용어는 1928년 미국 GE사의 물리학자, Langumuir가 기체방전을 연구하면서 처음으로 사용하기 시작했다. 플라스마는 “기체 중 이온과 전자가 동일하게 고밀도로 공유하는 상태”라고 정의한다. 다른 말로, 이온화 된 상태의 기체라고 표현할 수 있다.

플라스마는 자유전자, 이온, 중성 입자로 구성된다. 자유전자는 음의 전하를 가지고, 이온은 양의 전하를 가지며, 자유전자 전체의 전하량과 양이온 전체의 전하량은 같다. 따라서 플라스마 평균 전하량은 거의 0 이다.

우주 플라스마의 화학 조성은 대개 비슷하다. 구성하는 원소 중 가장 많은 것은 수소이다. 전체 원자 수의 90%를 차지하며, 그 다음으로 헬륨이 약 9%를, 나머지 1%는 헬륨보다 무거운 원소들이 차지한다.

2. 플라스마의 종류

-플라스마는 밀도와 온도에 따라 매우 다양하다. 우리가 일상 생활에서 흔히 접하는 불, 번개, 형광등, 네온사인은 모두 플라스마이다. 핵융합 실험을 위해 자기장으로 밀폐시킨 고온 기체는 전형적인 실험실 플라스마도 있다. 대표적 ‘우주 플라스마’로는 오로라, 태양 코로나, 태양풍이 있다. 또 우주에서 밝은 빛을 내는 ‘항성’, ‘항성풍, ‘기체로 된 성운(HII영역이나 행성상성운, 초신성잔해)은 대부분 플라스마이다. 우주에 있으나 밝게 빛나지 않는 저온 기체는 대부분 중성 입자로 구성되어 있지만 자유전자를 함유하고 있어, 종종 플라스마로 간주되기도 한다. 따라서 우주에 있는 거의 모든 기체는 <플라스마>로 볼 수 있다.

<사진 출처> 한국천문학회

3. 플라스마의 성질

플라스마는 몇 가지 점에서 보통 기체와 다르다. 일반 기체도 빛을 내지만, 플라스마는 빛, 곧 전자기파를 더 잘 낸다. 고온 플라스마는 가시광이나 자외선, 극자외선, 엑스선을 낸다. 플라스마는 전자기파의 진행에도 영향을 준다. 플라스마를 구성하느 자유전자는 모든 전자기파를 산란시켜, 전자기파의 자유로운 진행을 방해한다. 또한 양이온에 가까이 있는 자유전자는 <자유-자유 흡수(free-fee absorption) 과정>에 의해 전자기파를 흡수할 수 있다. 플라스마는 특히 전파의 진행에 영향을 준다. 전파의 진행 속도 변이, 흡수, 반사 등에 영향을 준다. 지상 간 전파 통신 및 지상과 위성 간의 전파 통신은 지구 전리권의 상태 변화에 따라 큰 영향을 받는다.

5) 초임계유체

-물질은 온도와 압력에 따라 기체, 액체, 고체와 같은 여러 가지 상(phase)를 가진다. 임계점이란 열역학에서 상평형이 정의될 수 있는 한계점이다. 초임계유체는 액체기체 임계점과 임계 온도, 임계 압력보다 높은 온도, 압력 조건에 존재하는 물질의 상태를 말한다.

초임계유체는 고압 용기에 액체를 채우고, 온도와 압력 모두를 임계점 이상으로 올려서 만드는 것이 가능하다. 우리가 자주 마시는 물의 임계점은 374.4°C, 229.8 bar이고, 초임계로 많이 이용되는 이산화탄소의 임계점은 31.3°C, 73.9 bar이다.

2. 초임계유체 성질

-초임계유체 상태 물질의 밀도는 액체에 가깝지만, 점도는 기체에 가까운 특징을 가진다. 유체의 압력과 온도를 미세하게 변화시킴으로써 초임게유체의 물성을 보다 액체에 가깝게 하거나, 기체에 가깝게 조정할 수도 있다. 초임계유체의 특성 중 ‘용매로 사용할 때의 용해도’는 중요하게 여겨진다. 초임계유체 용매의 용해도는 기체 용매보다 월등히 높다. 일반적으로 초임계유체의 밀도는 압력에 따라 변화한다. 따라서 물질의 용해도도 압력 조정을 통해 변화시킬 수 있다. 초임계유체에는 액체-기체 경계면이 존재하기 않기에, 표면 장력이 거의 없고, 액체보다 빠른 확산속도를 가지므로 시료 침투성이 좋은 특징도 존재한다.

3. 초임계유체의 활용

-초임계유체의 <액체와 기체의 특성을 동시에 가지는> 점을 이용해, 혼합물에서 특정 성분을 추출 및 분리하는 공정에서 많이 사용되고 있다. 초임계유체는 기체에 가까운 점성도로 인해 확산 및 침투 속도가 빠르고, 액체에 가까운 밀도로 인해 용해력이 높다. 이 공정을 초임계유체 추출법(supercritical fluid extraction)이라 부른다. 예시로 커피에서 카페인을 제거해 디카페인 커피, 드라이 클리닝, 초임계유체 크로마토그래피, 염색 등이 있다.

󰋼디카페인 커피 제조

초임계유체 추출법을 가장 먼저 상용화한 분야이다. 이산화탄소 초임계 유체는 원두에서 카페인을 추출하여 디카페인 커피를 만드는 데 사용된다. 이산화탄소는 임계온도가 상온으로 비교적 낮아, 초임계유체를 쉽게 만들 수 있다. 또한 인체에 안전하며 가격도 저렴하기에 식품을 대상으로 한 추출에 이상적이다.

이산화탄소는 같은 비극성물질인 카페인 등은 잘 녹여내면서 식품의 향미와 관련 있는 펩타이드나 탄수화물 등 극성물질은 남겨두는 추출 용매로 사용된다.

󰋼초임계유체 크로마토그래피

초임계유체를 이동상으로 사용하여 사료를 분리하는 크로마토그래피 방법을 초임계 유체 크로마토그래피(SFC)라고 한다. SFC는 기체 크로마토그래피와 액체 크로마토그래피의 장단점을 보완하여 사용할 수 있다.

󰋼초임계유체 크로마토그래피

염색은 추출의 역과정으로 생각할 수 있다. 최근에는 폴리에스터, 나일론 등의 합성 섬유를 염색할 때, 물이나 유기용매 대신 초임계유체 이산화탄소를 활용하는 공정이 검토되고 있다. 염료와 섬유를 초임계유체에 녹이면 염료가 섬유 속까지 골고루 잘 침투하고, 그 후 초임계유체를 기화시키면 잘 염색된다.

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

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=4390064&cid=60217&categoryId=60217

네이버 지식백과-화학백과-천문학백과

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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