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인류의 역사를 흔히 석기시대, 청동기시대, 철기시대로 구분한다. 이러한 구분방식은 인류가 어떤 재료를 주로 사용하였는가에 의한 시대구분이라 할 수 있다. 우리가 살고 있는 이 시대는 철강과 같은 구조재료를 많이 활용하여 다양한 문명을 만들어 가는 산업혁명 말기시대라고 여겨진다.
다가오는 미래사회에는 지식혁명에 의한 지능형 첨단소재들이 개발되어 지금의 우리가 생각하지도 못한 새로운 시대가 열릴 것이다. 과학과 기술의 진보에 의해 만들어지는 미래사회는 혁신적 신기술이 제품에 광범위하게 적용됨으로써 인류의 생활이 현재보다 훨씬 더 풍요로워질 것으로 예측된다.
 첨단소재의 특성
자동차, 비행기, 전화 등과 같은 다양한 시스템들은 미래사회에서도 과학기술의 발전과 함께 인간공학적이고 환경조화적인 면에서 보다 편리한 형태로 개선되면서 지속적으로 사용되어질 것이다. 또한 컴퓨터가 현대사회에서 필수품이 된 것처럼 우리가 생각하지도 못한 지능로봇, 우주선, 생체기계 등과 같은 새로운 형태의 부품과 시스템이 개발되어 지금의 생활과는 전혀 다른 새로운 삶을 상상해 볼 수도 있다. 새로운 미래사회를 만들어 가는데 필요한 성능을 발현하는 부품과 시스템을 만들기 위해서는 각각의 특성을 구현할 수 있는 첨단소재의 개발이 필수적이다.
미래사회에 사용될 첨단소재는 제조에서부터 부품 또는 시스템 전반에 이르기까지 전 과정에서 무게로는 아주 작은 부분을 차지하지만 기능적인 면에서는 핵심요소가 될 것이다. 따라서 첨단소재는 지금 광범위하게 사용되고 있는 기존소재에 비하여 고도의 혁신성과 기능성을 지니게 된다. 이러한 첨단소재는 전체 시스템과 연계하여 새로운 가치창조를 주도하기 때문에 다양한 전공분야와 제조업체간의 연계 및 융합에 의하여 개발될 것이다.
미래사회에서 사용되는 첨단소재 연구개발은 새로운 물성을 발현하는 신소재의 개발과 기존의 한계 물성을 상회하는 첨단소재를 실생활에 사용되는 시스템에 적용할 수 있도록 맞춤 가공하고, 제조된 소재의 물성과 내구성을 특성평가하여 경제적인 부품을 만드는 연구를 수행하는 것이 될 것이다.
보다 편리하고 발전된 미래 생활을 위해서는 다음과 같은 첨단소재의 개발이 선행되어야 한다.
정보처리, 정보통신, 정보표시용 첨단소재, 특수한 기계적·전자기적, 광학적 기능을 수행하기 위한 첨단소재, 독특한 센서기능을 수행하기 위한 첨단소재, 고온 및 내부식성과 같은 열악한 분위기에서 높은 견고성과 내구성을 지니는 첨단소재, 현재 사용되는 소재의 강도/경도/내마모성 등의 기계적 물성 사용한계를 초월하는 구조용 첨단소재, 복합구조에 의한 복합첨단재료, 생체모사 구조와 기능을 가지는 다기능성 첨단소재, 생체적합성을 가지는 생체용 첨단소재, 경제적인 제조공정과 환경조화 공정기술, 고도의 자가진단이 가능한 스마트 첨단소재, 재활용과 리사이클링이 가능한 환경친화 첨단소재 등의 특성을 가지는 소재가 개발돼야 한다.
첨단재료의 활용
- 나노
나노기술은 머리카락을 10만 번 쪼갠 크기의 물질을 관찰하고 조립 및 조작하고, 물성을 제어하여 첨단소재나 시스템에 적용하여 전자, 에너지, 생체의료 등 모든 산업분야의 첨단소재 부품을 만들 수 있다.
전통적으로 신소재를 개발하기 위해서는 재료의 화학조성을 변화시키는 화학적 방법을 사용해 왔다. 그러나 같은 화학조성을 가지는 재료라도 분자단위의 나노 크기로 변화시키면 물리적으로 뉴턴역학의 영역에서 양자역학이 지배하는 영역으로 변화하면서 새로운 물성이 발현된다. 즉 어떤 물질이든 더 작게 나뉠수록 표면적이 증가하여 반응 면적이 증가하게 되고, 재료 내 원자들의 전자운동역학도 변화되어 새로운 물성이 발현된다.
나노 첨단소재를 이용한 나노 기계를 이용하여 DNA 조작과 같은 새로운 치료방법과 암과 같은 특정부위에 선택적으로 약물을 투여하는 선택적 치료가 가능해져 의료분야에 획기적이 전기가 마련될 것이다. 또한 전자제품의 성능이 월등히 향상될 수 있을 뿐만 아니라 새로운 물성을 가지는 다양한 전자제품 개발도 실현될 것이다.
- 에너지
인류 역사상 나무, 석탄, 석유 등과 같은 탄소연료가 주 에너지원으로 사용되어 왔다. 그러나 자원의 한계로 인하여 기존의 탄소연료뿐만 아니라 식물성 기름과 같은 저탄소연료나 지구상에 무진장으로 존재하는 연료(수소)와 산화제(산소)를 반응시켜 전기 에너지를 얻는 연료전지, 풍력이나 조력을 변환시켜 얻어지는 재생 에너지 또한 원자력 발전 못지않게 차세대 에너지원으로 각광을 받고 있다. 에너지를 저장하기 위한 차세대 전지용 첨단소재도 박막화, 소형화, 대용량화, 저체적화가 요구되고 있다. 이를 위해 에너지를 발생, 저장, 변환, 고효율 화에 소요되는 시스템에 핵심적으로 이용되는 에너지용 첨단소재가 필요하다. 최근에는 에너지의 발생이 환경문제와 직접적으로 관계돼 기존의 소재보다 에너지 발생을 극대화하고 저장효율을 높이고, 생성된 에너지의 변환과 전환에 필요한 첨단소재가 요구된다.
- 수송기기
국경 없는 세계화로 인구유동에 따른 에너지 절감과 환경개선의 관점에서 자동차, 고속전철, 선박, 항공기, 우주선에 이르기까지 미래에도 다양하게 이용될 교통시스템에 소요되는 수송기기용 첨단소재가 필수적이다.
첨단소재의 사용으로 교통시스템의 무게가 감소되면 에너지 절감과 함께 소음과 진동도 감소하여 안정성도 향상된다. 이를 위해서는 설계변경에 의한 구조물의 경량화와 이에 상응하는 재료의 경량 고강도와 견고성, 신뢰성이 향상된 구조용 금속, 플라스틱, 복합재료와 같은 첨단소재가 요구된다. 이러한 첨단소재의 개발로 항공시간이 단축되고, 우주여행이 실생활화 되며 사고 없는 무인자동차와 편리한 바다여행이 가능해짐에 따라 온 세상이 하루 생활권내 지구인이라는 개념으로 살아가게 될 것이다.
- 의료
의료기술의 발달에 따른 인류 삶의 질 향상과 장수명화, 경제성장에 따른 스포츠와 레저의 증가에 의해 질병과 사고의 예방, 진단과 치료, 정형과 재활에 소요되는 생체의료용 첨단소재의 수요도 증가하고 있다. MRI, 초음파 장비, 방사선 치료기, 토모그라피 등과 같은 의료기계의 발전은 이에 상응하는 특성을 가지는 첨단소재의 개발이 필수적이다. 의료기술 분야에 소요되는 첨단소재는 장기적으로 이식된 생체재료에 대한 거부반응을 최소화하는 생체재료의 개발과 조직공학적 생체적응성이 요구된다. 뼈를 대체하기 위한 구조재료나 장기를 대체하기 위한 폴리머와 같이 인체 내에 삽입되는 첨단소재, 진단이나 치료에 사용되는 의료기기를 제조하는데 소요되는 전자재료, 고도의 자가진단이 가능한 스마트재료 등과 같은 다양한 첨단소재가 요구된다.
신산업의 발전은 새로운 기능을 가지는 첨단소재의 개발이 우선해야 가능하다. 이러한 관점에서 첨단소재는 전체 시스템의 핵심부분을 담당하면서 가치창조 전 과정에서 무게로는 아주 작지만 필수적인 핵심이 될 것이다. |
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| 출처)
이용태 ‘첨단소재가 만드는 미래사회’ [기계와재료] 제19권 3호 |
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