신소재의 개발과 활용

판서 조직도

 

1. 물질의 분류

 

원자는 다른 원자와 결합하여 물질을 구성합니다. 물질의 물리적 성질은 원자들의 결합 방법이나 결합의 규칙성에 따라 결정돼요.

 

물질에 따라 전기가 잘 통하거나 통하지 않는데 이와 관련된 물질의 성질을 전기적 성질, 자성을 나타내는 성질을 자기적 성질이라고 합니다.

 

1) 전기적 성질에 따른 분류

 

도체: 전기 저항이 작아 전류가 잘 흐르는 물질이다. ex) 철, 구리, 알루미늄

 

반도체: 도체와 절연체의 중간 정도의 전기적 성질을 갖는 물질로써 다른 물질을 첨가하거나 온도를 조절하여 전기 저항을 급격하게 변화시킬 수 있습니다. ex) 실리콘(규소), 저마늄

 

부도체(=절연체): 전기 저항이 매우 커 전류가 잘 흐르지 않는 물질이다. ex) 고무, 유리, 플라스틱

 

2) 자기적 성질에 따른 분류

 

상자성체: 자석 근처에 두면 자석에 약하게 끌려오고, 외부 자기장을 제거하면 자성이 즉시 사라지는 물질이다. ex) 종이, 알루미늄, 마그네슘

 

반자성체: 자석 근처에 두면 자석에 밀려나고, 외부 자기장을 제거하면 자성이 즉시 사라지는 물질이다.

ex) 구리, 유리, 플라스틱, 물, 금

 

강자성체: 자석 근처에 두면 자석에 강하게 끌려오고, 외부 자기장을 제거해도 자성이 유지되는 물질이다.

ex) 철, 니켈, 코발트

 

2. 신소재의 종류와 활용

문명의 발달과 궤를 같이하는 소재의 발달

 

세상에는 세 종류의 자원이 존재합니다. 원재료(=소재), 에너지 그리고 지식이죠. 원재료와 에너지는 고갈돼요. 반면 지식은 성장합니다. 지식은 사용하면 할수록 늘어나요. 더욱이 지식의 총량을 늘리면 그 지식은 우리에게 새로운 소재를 줍니다.

뗀석기, 간석기

 

고대 사람들은 자연에서 얻은 물질을 그대로 사용하거나 모양을 변형하여 사용했습니다.

토기, 청동기 유물

 

이후에 불의 사용법을 터득한 인류는 물질의 성질을 변화시켜 새로운 물질을 만들어내기 시작했어요. 진흙에 열을 가하여 토기를 만들거나 광석에 열을 가하여 청동이나 철을 얻었죠. 지식의 확장이 없었다면 불가능했을 일입니다. 이처럼 문명의 발달은 새로운 종류의 소재를 발견하게 해주었습니다.

반도체, 초전도체, 탄소동소체 신소재(풀러렌/탄소 나노 튜브/그래핀)

 

과학의 눈부신 발전으로 고도의 문명을 이룩한 인류는 기존 물질의 원소 결합 구조를 변경하여 기존 물질보다 더 뛰어난 성질을 가지거나 새로운 성질을 가지는 물질, 신소재를 얻을 수 있게 되었습니다.

 

1) 기존의 소재를 변형한 신소재

① 불순물 반도체, 다른 원소를 첨가

 

전류를 한 방향으로만 흐르게 해주는 다이오드와 LED 및 트랜지스터에 이용됩니다. 스마트 기기에 들어가는 CPU, GPU 등의 칩들은 트랜지스터가 모인 집적 회로라 보면 돼요.

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지금은 규석기 시대

 

20세기, 원자와 고체라는 무미건조한 물체에 대한 연구가 없었다면 반도체는 존재할 수 없었고, 반도체가 없었다면 컴퓨터와 스마트폰을 비롯한 IT 기기는 이 세상에 모습을 드러낼 수 없었을 겁니다.

 

우리의 삶과 떼려야 뗄 수 없는 IT 기기의 중요성과 동시에 그 안에 들어가는 반도체의 재료가 '규소'라는 사실을 상기한다면 지금 우리는 규석기 시대를 살아가고 있다고 해도 과언이 아니에요. 그렇다면 반도체는 어떤 특성을 지녔기에 규석기 시대를 장악한 핵심 아이템이 되었을까요? 그 답은 바로 디지털(=이진법)에 있습니다.

반도체와 이진법

 

반도체는 회로에서의 전류의 흐름 여부를 정보의 최소 단위인 0과 1의 비트로 표현하여 저장하거나 제어합니다. 이로써 반도체는 정보를 저장하고 연산을 수행하는 일종의 두뇌 역할을 함으로써 스마트폰이나 컴퓨터를 비롯한 IT기기, 냉장고나 세탁기를 비롯한 생활 가전과 자동차까지 들어가지 않는 곳이 없습니다.

 

② 초전도체, 다른 원소를 첨가 및 열을 가하기

 

초전도체는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 성질을 가지고 있기에 강한 전자기적 상황을 연출할 수 있습니다. 이를 활용한 의료기기가 MRI입니다. 더불어 임계 온도 이하에서 반자성체가 되는 초전도체의 성질을 활용한 것이 자기 부상 열차입니다. 

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대한민국의 도약, 양자컴퓨터와 초전도체

 

2022년 노벨물리학상은 양자 얽힘 현상을 실험으로 규명하면서 양자컴퓨터 개발을 가능하게 한 과학자 세 명에게 돌아갔습니다.

 

양자컴퓨터는 ‘꿈의 컴퓨터’로 불려요. 신약 개발을 비롯해 인공지능, 획기적인 신소재 개발 등에서 현재 슈퍼컴퓨터보다 수십만 배 이상 빠른 연산이 가능하여 IT 산업의 판도를 뒤흔들 '게임 체인저' 기술이 될 것으로 전망합니다. 인텔, 구글, 마이크로소프트 등 굴지의 IT 기업들이 뛰어들어 상용화에 속도를 내고 있죠.

 

기존 컴퓨터와 양자컴퓨터의 원리적 차이

 

이름이 양자컴퓨터라서 양자역학이 적용되는 컴퓨터라고 생각하기 쉬운데 사실 우리가 지금 쓰고 있는 기존 컴퓨터에도 양자역학이 적용되고 있습니다. 그렇다면 양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터와 어떤 차이가 있을까? 컴퓨터는 정보의 최소 단위인 0과 1의 비트를 전류와 전압으로 표현해 저장하거나 제어하는 장치인데, 저장 및 제어 역할을 하는 핵심 소자가 바로 '반도체'입니다. 기술이 개발됨에 따라 반도체의 크기는 센티미터(=100분의 1m) 단위에서 점점 작아지더니 이제 나노미터(=10억 분의 1m)까지 작아졌죠. 디지털 정보는 0과 1이 분명해야 하는데, 매우 작은 나노 세계에서는 '불확정성 원리'를 비롯한 양자 현상에 의해 0과 1의 구분이 불분명해지면서 디지털 정보 처리에 애로사항이 발생합니다. 그러한 구조적 한계를 역으로 이용해 데이터를 저장 및 처리하는 장치가 바로 양자컴퓨터인 셈이죠.

 

 

기존 컴퓨터는 0 아니면 1의 값을 갖는 비트 단위로 정보를 처리하지만, 양자컴퓨터는 0과 1이 동시에 될 수 있는 ‘큐비트(qubit)’ 단위로 연산합니다. 여러 연산을 병렬적으로 처리하는 이런 특성에 힘입어 연산 속도가 슈퍼컴퓨터보다 수백만 배 이상 빨라질 수 있어요. 이러한 양자역학적 중첩, 큐비트를 구현하는 데에는 전기 저항이 없는 '초전도 상태'가 필요하기 때문에 양자컴퓨터는 극저온에서 보관되어야 합니다. 따라서 그 누구도 감히 예상할 수 없었어요. 무릎 위의 양자컴퓨터, 손바닥 위의 양자스마트폰을. 그러나 그 모든 것들이 가능할 수 있겠다는 희망이 발견됐습니다. 바로 2023년의 대한민국에서.

 

https://www.youtube.com/shorts/tGCZwJMC_KM

 

③ 그래핀, 압력을 가하여 원소 결합 구조 변경

 

그래핀은 사실 우리 주변에 많이 있어요. 특히 연필의 흑연에 다량으로 들어 있죠. 그래핀(Graphene)은 '흑연(Graphite)에서 생겨난 탄소 화합물'이라는 뜻입니다. 눈으로는 보이지 않지만 현미경으로 보면 흑연은 여러 겹의 탄소 원자층으로 이루어져 있습니다. 그중에서 한 겹의 원자층으로 된 것이 바로 그래핀이에요. 만약 1mm의 두께로 만들려면 약 500만 개의 그래핀을 쌓아야 해요. 초창기에 그래핀은 흑연이나 탄소 나노 튜브 등을 이론적으로 설명하기 위한 일종의 모델로써 이용되고 있었습니다. 계산해 보니 여러 모로 흥미롭긴 한데 실제로 만들지는 못할 거라는 의견이 대세였어요. 일반적으로 2차원 결정은 불안정하기 때문이죠. 

 

 

그런 와중에 2004년, 안드레 가임이 스카치테이프를 사용해서 처음으로 흑연에서 그래핀을 분리해 내는 데 성공합니다. 스카치테이프에 흑연을 붙인 후 테이프를 붙였다 떼었다 한 뒤 두께를 확인한 결과, 뜬금없이 단일 원자 두께의 그래핀이 분리되어 있는 것을 발견한 거죠. 정말 터무니없이 단순한 원리가 아닐 수 없습니다. 골 때리는 건, 그래핀을 합성하기 위한 테크니컬한 방법이 수없이 개발됐지만 테이프로 붙였다 떼는, 소위 날로 먹는 테이프 신공으로 추출된 그래핀이 그 어떤 방법으로 만드는 그래핀보다도 질적으로 우수하다는 것입니다. ㄷㄷㄷ

 

그래핀의 활용

 

흑연에서 그래핀을 떼어내는 것이 뭐가 대단하냐는 의견도 있는데, 그래핀 자체의 가능성은 매우 무한합니다. 일단 0.2나노미터 두께로 엄청 얇지만 강철보다 200배 단단하기 때문에 초경량 고강도 소재로 활용될 전망입니다. 전기 전도도와 열 전도도 또한 우수해서 기존의 반도체가 갖는 발열 문제를 해결할 수 있을 것으로 전망됩니다. 또한 그래핀은 이론물리학자들에게 좋은 떡밥이 되기도 해요. 그래핀 내의 전자가 빛처럼 행동해서 상대론적인 효과를 편하게 관찰할 수 있기 때문이죠.

 

그래핀 필터

 

그래핀은 의료 분야에서도 활용 가치가 있어요. 아주 작은 원자와 분자도 투과할 수 없도록 막거나 걸러주기 때문에 바이러스나 박테리아 등 미생물을 막아낼 것으로 전망합니다. 또한 수소 분자 분리나 해양 오염물질 제거 등 여러 분야에서의 필터로써 활용 가치가 있죠.

 

플렉서블 액정

 

그래핀의 응용 가능성이 무한하나 당장 가시권에 있는 분야는 디스플레이입니다. 그래핀은 높은 강도에도 불구하고 매우 유연하기 때문에 잘 휘어지고 쉽게 끊어지지 않습니다. 따라서 터치 스크린과 플렉서블 액정 시장에서 두각을 나타내요.

 

2) 자연을 모방한 신소재

 

모르포 나비의 날개 구조를 모방한 분광기

우주는 인류가 극복하기 만만치 않은 거대한 공간적 장벽으로 가로막혀 있습니다. 그러나 페트리 접시의 미생물을 현미경으로 볼 수 있듯이 분광기를 이용한다면 우주를 페트리 접시에 올려놓을 수 있습니다.

 

분광기를 이용해 색을 보는 능력이 발전함으로써 빛은 우리의 주요 에너지 원천일 뿐 아니라, 동시에 지구상에서 가장 중요한 데이터 자원이 되었습니다. 별들의 알록달록한 스펙트럼은 우주의 발생과 발전에 대한 가설을 정립하고, 무한한 공간에서 생명체의 흔적을 기대할 수 있게 해 주었죠.

 

으라차차 - 럼블피쉬

https://www.youtube.com/watch?v=BD1vBKdL3AA

 

깃털보다 가볍고 강철보다 단단한 역설의 신소재, 그래핀

외유내강

 

그래핀은 가벼움과 단단함이라는 대조적인 성질을 지니고 있어요. 이러한 성질들은 서로 견제하고 조화를 이루어 그래핀을 지구상 최강의 소재로 만들죠. 이러한 특성은 단지 그래핀에만 국한된 것이 아닙니다. 우리 삶에서도 가벼움과 단단함이 서로 조화롭게 배치될 때 더 멋진 삶이 관찰됩니다. 실패가 짓누르는 삶의 무게는 가볍다는 듯이 훌훌 털어버리고, 어떠한 고난과 역경에도 굴하지 않고 갈 길 가는 단단함으로 무장한 채 으라차차 힘을 내어 보아요 우리.