[강신종 쌤의 ‘재미있는 과학이야기’(12)] 신소재

OLED·초전도체·거미줄·동물 피부·탄소나노
전기·자기적 성질 이용해 신소재로 만들죠

우리는 아주 오래전부터 철(Fe)이나 구리(Cu)와 같은 금속을 농기구나 교통기관의 소재로 사용해 왔다. 플라스틱은 가볍고 유리는 투명해 이런 소재를 주변에서 널리 사용하고 있다. 산업과 첨단과 학 재료를 연구개발하는 분야를 공부하는 학과 중에 신소재공학과가 있다. 신소재공학과에서는 재료를 효과적으로 이용하기 위해 물질의 구조와 성질을 배우고, 이를 통해 일상생활이나 산업 분 야에 활용할 수 있는 성질을 지닌 물질을 찾거나 설계한다. 대학들은 오래전부터 신소재공학과를 개설해 4차 산업혁명에 대비하고 있다.

대학에 있는 신소재공학과

신소재에는 크게 전기적 성질 또는 자기적 성질을 이용한 것이 있다. 최근에는 그래핀, 탄소 나노튜브와 같이 원자의 결합 구조나 배열을 변화시킨 신소재가 많은 관심을 받고 있다.

전기적 소재를 이용한 신소재는 거실에 설치된 TV다. 독일의 칼 브라운 박사가 브라운(음극선)관을 발명한 이래로 디스플레이는 발전을 거듭해 현재 OLED(유기발광다이오드)까지 진화했다. OLED를 이용한 디스플레이는 자체에서 빛을 내기 때문에 별도의 광원이 필요한 LCD보다 얇고 가볍게 만들 수 있다. 휘어지는 디스플레이를 개발할 수도 있다. 요즘 광고에 등장하는 QLED(양자점발광다이오드)는 퀀텀닷 입자 하나하나가 스스로 빛과 색을 내도록 해 큰 폭의 화질 개선 효과를 낼 수 있는 기술이다.

물질이 지닌 성질을 살펴보자

자기적 성질을 이용한 신소재로는 초전도체가 있다. 1911년 네덜란드의 물리학자인 헤이커 카메를링 오너스가 액체 헬륨을 통해 약 4K(-269도)에서 수은의 전기 저항이 0이 되는 현상을 발견했다. 이 현상을 초전도 현상이라 한다. 초전도체는 일정한 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되면서 전류의 손실을 줄여 더 많은 전류를 전송할 수 있고, 자기적 성질을 띠게 된다. 이런 성질로 인해 초전도체는 자기부상열차, 입자가속기, 자기공명영상(MRI) 장치 등에 이용되고 있다. 초전도체의 문제점은 아주 낮은 온도를 유지해야 하기 때문에 비용이 많이 든다는 데 있다. 지금까지 임계온도가 가장 높은 초전도체는 약 203K(-70도)에서 전기저항이 완전히 없어지는 황화수소(H2S)지만 이 또한 매우 높은 압력하에서 나타나는 임계온도다. 실용적으로 활용할 수 있으려면 임계온도가 높은 초전도체를 발견할 필요가 있다. 과학자들은 임계온도가 높은 초전도체를 발견하기 위해 노력하고 있다. 미래의 과학자들도 임계온도가 높은 초전도체의 발견에 큰 힘을 보탤 것이라 믿는다.

원자의 결합 구조나 배열을 변화시킨 신소재로는 그래핀이 대표적이다. 그래핀은 전기가 잘 통하고 플라스틱처럼 유연성이 있기 때문에 휘어지는 디스플레이의 투명한 전극 소재로 사용되기에 알맞다.

탄소 나노 튜브 역시 열과 전기를 잘 전달하는 성질이 있으며 가볍고 매우 단단하다. 나노 핀셋, 금속 등에 섞어 강도를 높인 복합 재료로 활용할 수 있다. 그래핀, 탄소 나노 튜브는 다이아몬드, 흑연과 동소체 관계에 있다. 동소체란 구성 원소는 같지만 배열 등의 차이로 다른 성질을 나타내는 관계를 말한다.

이 외에도 생물체의 구조를 모방한 다양한 신소재가 나오고 있다. 생명공학, 생물공학, 생체모방공학 등은 거의 같은 의미로 사용되며 자연계에서 특별한 능력을 지닌 생명체의 기능을 연구해 인간에게 편리한 도구를 개발하는 데 이용되는 학문이다.

상어피부 본떠 만든 수영복

상어 피부를 모방해 만든 수영복, 거미줄처럼 강하고 탄성이 좋은 인공섬유, 홍합이 바위에 붙어 있는 접착력을 이용해 물속에서도 접착이 되는 접착제 등이 있다.

이처럼 신소재는 교통, 의료, 정보통신, 스포츠 등 폭넓은 분야에서 이미 사용되고 있다. 이런 모든 건 과거에 불가능하다고 생각했던 것들이다. 새로운 영역의 신소재가 미래 과학자인 여러분의 발견을 기다리고 있을 것이다.

◆통합과학 성취기준

이 글은 고등학교 1학년 학생이 배우는 통합과학 중심으로 구성 됐으며 이번 호는 ‘물질의 다양한 물리적 성질을 변화시켜 신소재 를 개발한 사례를 찾아 그 장단점 을 평가할 수 있다’는 성취 기준을 주제로 했습니다.

강신종 < 용화여고 교사 >