신소재란 무엇인가?

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21세기를 맞이하면서 우리 앞에 열려진 세계는 한치 앞도 내다보기가 힘들게 되었다. 요즈음 우리는 머리를 감는 삼푸에서 부터 신발바닥을 이루는 폴리우레탄까지 온통 첨단화학이 개발한 신개발품 속에서 살고 있다 그러면서도 '그 물질의 특성은 무엇이며 어떻게 이용하면 좋을까'하는 문제는 몇몇 과학자나 상품 개발자들에게만 맡겨 놓고 있다.
 

신소재인 세라믹을 이용해 만든 자동차엔진신소재인 세라믹을 이용해 만든 자동차엔진
 

문제

(1) 궁금이 아빠는 다 해지지도 않은 운동화를 사달라고 조르는 궁금이에게 다음과 같은 얘기를 해 주었다. "불과 얼마 전까지만 해도 생일이나 돼야 검정고무신 한켤레를 사 신을 수 있었단다." 궁금이는 "정말 그랬을까"라는 생각이 들어 우리에게 이렇게 좋은 신발을 만들어 준 과학은 언제부터 시작됐는지를 화학공장에 다니는 삼촌에게 물어 보았다. 그랬더니 삼촌은 "너는 아주 원시시대에 살고 있구나"라고 말하면서 신발 뿐 아니라 여러가지 영역에서 펼쳐지는 신소재에 대해 설명해 주었다. 궁금이는 삼촌에게 들은 말을 깔끔이에게 자랑스럽게 얘기해 주었다. 다음중 잘못 생각을 한 것은?
① 고순도의 천연무기물 또는 인공적으로 합성한 무기화합물을 원료로 삼아 종래의 세라믹스에 없는 고도의 기능을 갖게 한 것을 파인세라믹스라고 한다.
② 바이오세라믹스는 새로운 물질의 특성을 이용, 일정한 온도가 되면 일정한 모양을 갖도록 만든 물질이다.
③ 순간적인 냉각법을 이용해 만든 아몰퍼스 금속은 보기에는 보통의 금속과 구별이 되지 않으나 인장강도 내마모성 자기특성이 뛰어나 태양전지 반도체 전극 등에 이용된다.
④ 전선이 전류로 신호를 전하는 것과 같이 광섬유는 빛을 신호로 정보를 먼 곳까지 전송한다.

(2) 궁금이는 93년에 있을 대전엑스포를 너무너무 고대하고 있다. 우리나라에서도 자기부상열차를 탈 수 있기 때문이다. 실제생활에 이용되기까지는 시간이 좀 더 걸릴테지만 서울에서 부산까지 단 50분 안에 갈 수 있는 초고속 전철은 궁금이가 꿈꾸어 오던 주말여행을 가능하게 할 것이다. 여기에 초전도체라는 물질이 사용된다고 하는데 그렇다면 초전도체란 어떤 물질을 말하는 것일까?
① 전자기장을 이용해 레일 위를 떠서 달리는 물체를 말한다.
② 유해전자파를 완전히 차단할 수 있는 물질을 말한다.
③ 어떤 물질이 일정온도 아래에서 전기저항이 0이 되는 물질을 말한다.
④ 한번 전기가 들어가면 영원히 빠져 나올 수 없는 물질을 말한다.

(3) 아빠를 졸라 컴퓨터를 구입한 궁금이는 너무 신나 방을 온통 컴퓨터 오락실로 만들기로 마음 먹었다. 그러나 오락프로그램을 대주기로 한 사촌형과의 약속때문에 고민이 여간 아니다. 공대 전자공학과에 다니는 사촌형이 컴퓨터의 기본원리를 하나씩 알아 맞춰야만 오락프로그램을 주겠다고 했기 때문이다. 그 첫 문제는 컴퓨터의 재료를 맞추는 것이었다. 사촌형은 힌트로 금속과 비금속이 아닌 중간 형태(반도체)라는 것만 가르쳐 주었다. 어떤 항목을 골라야 궁금이는 오락을 할 수 있을까 ?
① 실리콘 몰리브덴
② 카드뮴 몰리브덴
③ 실리콘 게르마늄
④ 몰리브덴 게르마늄

(4) 컴퓨터를 조금 공부하게 된 궁금이는 사촌형을 따라 문제를 풀다 보니 어느 새 컴퓨터공부에 재미를 붙이게 됐다. 특히 컴퓨터박물관에서 본 컴퓨터의 역사는 컴퓨터를 다시 한번 돌아보게 된 계기가 되었다. '컴퓨터는 사용된 반도체 소자의 종류에 따라 세대를 구분한다'는 것을 배운 궁금이는 노트에 다음과 같이 기록했다. "제1세대 컴퓨터는 진공관을, 제2세대 컴퓨터는 트랜지스터를, 제3세대 컴퓨터는 집적회로(IC)를, 제4세대 컴퓨터 초대규모집적회로(VLSI)를 사용했다." 이렇게 쓰다 보니 '미래의 컴퓨터, 즉 제5세대 컴퓨터가 갖추게 될 기능은 어떤 것일까'라는 궁금증을 갖게 되었다. 다음중 궁금이가 잘못 예측한 것은?
① 갈륨비소 반도체를 이용, 속도를 훨씬 빠르게 할 것이다.
② 컴퓨터언어를 모르는 사람도 쉽게 접근할 수 있도록 음성이나 도형을 그대로 입력, 출력할 수 있는 형태로 발전할 것이다.
③ 새로운 상황을 스스로 판단할 수 있도록 하는 방향으로의 발전이 기대된다.
④ 적은 양의 전력으로도 움직일 수 있게 될 것으로 기대된다.

(5) 깔끔이는 술을 즐기는 큰아버지가 간염으로 입원했다는 말을 전해 듣고 병 문안을 가게 되었다. 간염도 바이러스에 의해 감염된다는 말을 듣고 깔끔이는 깜짝 놀랐다. 더욱 놀라운 것은 간염바이러스가 단 한마리라도 몸에 있으면 검출할 수 있는 방법이 있다는 의사의 얘기였다. 학교 생물시간에 배운대로라면 바이러스는 거름종이도 빠져나갈 정도로 작은 생물인데 어떻게 검출이 가능할까. 그래서 검사실 요원에게 물어 보았다. 그랬더니 동위원소를 이용한다고 했다. 조금 어렵긴 했지만 검사요원의 친절한 설명으로 깔끔이는 동위원소에 대해 많은 것을 알 수 있었다. 집으로 돌아 온 깔끔이는 궁금이에게 병원에서 배운, 동위원소가 사용되는 예에 대해 얘기를 해 주었다. 잘못 예를 든 것은?
① 생물체 안에서 일어나는 물질의 이동을 조사하는데 이용된다.
② 오래된 유물이 얼마나 오래된 것인지 알아 내는데 이용한다.
③ 같은 원소로 이루어진 산소와 오존을 구별 하는데 이용된다.
④ 작물에 방사성동위원소를 쬐어 작물의 품종개량에 사용한다.

(6) 깔끔이할머니는 늘 이 때문에 고생을 했다. 그래서 어느날 외삼촌이 경영하는 치과에 갔다. 그곳에서 할머니는 멋있는 의치를 해 넣고 이제는 갈비도 잘 드신다. 어느 날 집에 온 외삼촌은 바이오세라믹스로 만든 인공치근 덕분이라고 얘기했다. 궁금해진 깔끔이는 금세 "바이오세라믹스란 무엇이죠', 하고 물었다. 다음 중 외삼촌이 설명한 것으로 보이지 않는 것은 ?
① 바이오세라믹스는 세라믹의 특수구조를 이용, 스스로 움직일 수 있도록 만든 복합재료를 말한다.
② 바이오세라믹스는 인공피부나 인공신장처럼 대표적인 의료용 재료중 하나다.
③ 바이오세라믹스의 주재료는 알루미나 탄소 질화규소 인산3칼슘 수소 아파타이트 등 이다.
④ 바이오세라믹스로 만든 인공치근은 금속 보다 강하고 산이나 알칼리에도 강할 뿐더러 지금까지의 의치와는 달리 맛도 알아낼 수 있다.

해답

(1) ② 종래의 금속 비금속 고분자 등에는 없는 뛰어난 특성을 갖는 소재를 총칭해 신소재라고 한다. 이를테면 일반적으로 절연체라고 알려진 고분자재료가 전기를 통하면 그것이 신소재다. 그리고 종래의 세라믹스에는 없었던 내고온성 내마모성 등을 갖춘 신소재도 나오고 있다. 현재 개발 중인 신소재를 보면, 핵융합로 인공뼈 자동차엔진 등에 이용되고 있는 뉴세라믹스 파인세라믹스가 선두주자다. 또 선택흡수성 전도성 압전성이 뛰어난 기능성 고분자재료가 있고 플라스틱에 금속이나 유리섬유를 보강, 강도 전도성을 높이고 중량은 낮춘 복합재료 등을 들 수 있다. 일정한 온도가 되면 본래의 모습으로 돌아가는 금속은 바이오세라믹스가 아니고 형상기억합금이라고 봐야 할 것이다.

(2) ③ 초전도현상은 1911년 네덜란드의 물리학자 오네스(H.K. Onnes, 1853년~1926년)가 발견했다. 도선에서 전류가 흐를 때 반드시 전기저항이 생긴다. 이 저항 때문에 도선을 통해 흐르는 전류중 상당량이 열로 변해 손실되는데 초전도현상은 저항이 거의 0에 가깝게 되는 현상이다. 이렇게 되면 전류 손실이 전혀 없이 100%를 송전할 수 있다. 또 전류가 흐르는 도선주위에는 자기장이 형성되므로 강력한 초전도 자석을 이용, 자기부상열차를 만드는데 이용할 수 있다.

(3) ③ 반도체는 전기를 잘 통하는 도체와 전기를 통하지 않는 절연체의 중간적 성질을 띤 물질이다. 도체가 전기를 띠고 있는 까닭은 자유전자를 갖고 있기 때문인데, 반도체는 평상시에는 자유전자가 없으나 온도를 올려주면 자유전자가 발생한다. 보통 원소주기율표에서 가운데에 있는 원소들이 이런 반도체의 성질을 나타낸다. 우리가 흔히 사용하고 있는 반도체는 규소(실리콘) 단결정의 원자중 하나를 인이나 붕소 같은 원자와 바꾼 것이다. 특히 요즘은 전자의 이동속도를 더욱 빠르게 할 수 있는 갈륨-비소 반도체가 나와 각광을 받고 있다.

(4) ④ 제5세대의 컴퓨터는 갈륨-비소 반도체나 조셉슨소자를 사용할 것으로 예측된다. 갈륨-비소반도체를 사용하면 훨씬 빠른 속도를 얻을 수 있고 조셉슨소자를 활용하면 더욱 빠른 속도의 컴퓨터를 만들어낼 수 있을 것이다. 조셉슨소자는 약간의 자장변화로 약 1천억분의 1초라는 짧은 시간에 전기신호가 바뀌는 초고속 동작이 가능하다. 또 장차 컴퓨터개발의 방향은 컴퓨터를 잘 모르는 사람도 쉽게 사용할 수 있도록 보다 인간과 친밀하게 느껴질 수 있는 기술개발에 초점이 모아질 것이다.

(5) ③ 원소의 성질은 그 원소의 원자 속에 들어 있는 양성자의 수에 따라 달라지게 된다. 그런데 자연계에 존재하는 원소의 원자들 중에는 양성자나 전자의 수는 같아도 중성자의 수가 달라 질량수가 다르게 된 원소들이 있다. 이 원소들을 동위원소라고 한다. 이 동위원소는 시간이 흐름에 따라 자연계에 존재하는 존재비가 달라진다. 특히 방사성원소의 경우, 반감기를 이용하면 미지의 유물이 얼마나 오래된 것인가를 알게 된다. 또한 방사성 동위원소가 갖고 있는 방사성을 이용하면 생물체 안에서 움직이는 원소를 추적할 수도 있다. 아울러 방사성 동위원소에서 발생하는 방사선을 작물의 품질개량에도 이용하고 있다. 한편 같은 원소를 가진 서로 다른 물질을 동소체라고 하는데 이것과 혼동하는 일이 없어야 한다.

(6) ① 바이오세라믹스는 바이오라는 용어 때문에 '세라믹의 특수구조를 이용 해 스스로 움직일 수 있는 것'이라고 착각하는 사람이 많다. 그러나 바이오세라믹스란 인공피부나 인공신장처럼 대표적인 의료용 재료중 하나로 이용되는 복합재료를 말한다. 그 주재료는 알루미나 탄소 질화규소 인산3칼슘 수소 아파타이트 등이고 구조도 단(單) 결정 다(多)결정 다공질체(多孔質體) 등 다양하다. 이들은 장기간 체내에 있어야 하기 때문에 이물반응을 일으키지 않아야 하고 물리적 힘에 견디야 하고 내구성이 있어야 한다. 인공뼈의 고응력 부위에는 인산3칼슘 수산 아파타이트가 유망하다. 바이오세라믹스로 만든 인공치근은 금속보다 강하고 지금까지의 의치와는 달리 맛도 알아낼 수 있다.

글 : 현종오 교사
과학동아 1991년 08호


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