3장 기지재료 3.1 고분자 기지 고분자(高分子, Macromolecule)에 대한 명확한 정의는 존재하지 않으나 일반적으로 분자량이 1만 이상인 큰 분자를 말한다. 100개 이상의 원자로 구성되어 있다. 대개 중합체(Polymer)이다. 물질의 성질로서는 첫 번째로 분자량이.

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1 3장 기지재료 3.1 고분자 기지 고분자(高分子, Macromolecule)에 대한 명확한 정의는 존재하지 않으나 일반적으로 분자량이 1만 이상인 큰 분자를 말한다. 100개 이상의 원자로 구성되어 있다. 대개 중합체(Polymer)이다. 물질의 성질로서는 첫 번째로 분자량이 일정하지 않아 녹는점과 끓는점이 일정하지 않고, 두 번째로 액체 또는 고체로 존재한다. 세 번째로는 반응을 잘 하지 않아 안정적이다. 고분자의 종류로는 크게 합성 고분자와 천연 고분자로 나눌 수 있다. 천연 고분자의 예로는 탄수화물에서 알파 포도당이 축합반응을 하여 생성된 녹말, 베타 포도당이 축합반응을 하여 생성된 셀룰로스가 있다. 단백질도 천연고분자이다. 중합의 분류 축합중합 : 이 공정에서는 분자들의 순차적인 반응이 일어나고 각 단계에서 부산물로서 간단한 화합물을 형성한다. 흔히 쓰이는 축합 중합 고분자는 폴리 아마이드, 폴리 에스터, 우레탄, 베이크라이트 등이다. 2) 첨가중합 : 이중결합 또는 삼중결합을 가지는 단위체가 같은 종류의 분자와 첨가반응을 반복하여 중합체를 생성하는 반응이다.(부산물 형성 없다.) 첨가중합은 촉매가 존재할 때 수행된다.

2 a b c d a.선형고분자 선형고분자(linear polymer)는 치환기가 붙은 골격원소 들의 긴 사슬로 이루어져 있다.
폴리에틸렌(-CH2-CH2-CH2-CH2-)n 이 그 중 가장 간단한 예이다. 선형 고분자들은 보통 용메에 녹으며, 일반적인 온도하의 고체상태에서 고무상이나 유연한 물질 또는 유리의 열가소성 플라스틱으로 존재한다. 폴리에틸렌(PE)외에 전형적인 선형 고분자로는 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴 , 나일론66등이 있다. b. 가지고분자 가지고분자(branched polymer)는 선형 고분자에 가지가 붙어 있는 구조로서, 가지는 주사슬과 동일한 기본구조를 가지고 있다. 가지고분자들은 선형고분자들의 용매와 같은 용매에 녹는다. 이런 점에서 가지고분자는 선형고분자와 유사한 성질을 지니고 있다고 볼 수 있다. 그러나 선형 고분자와 다른 성질은 결정화 경향이 낮고, 용액의 점성도가 다르며, 광산란성이 있다는 점 이다. 매우 가지가 많은 고분자의 경우는 특정한 액체에 팽윤하며, 완전히 용해하지는 않는다. c. 가교고분자 가교 또는 망상고분자(crosslinked or network polymer)는 사슬들 사이에 존재한다. 그러한 물질들은 ‘용매’에 의해 팽윤되나, 용해하지는 않는다. 실제로는 이러한 비용해성이 가교구조를 측정하는 중요 기준으로 사용되고 있다. 액체에 의해 팽윤되는 양은 가교밀도에 따라 다르다. 즉, 가교가 많을수록 팽윤량은 적어지게 된다. 가교도가 충분하면 고분자는 매우 단단해지며, 고융점을 갖고, 팽윤도 잘 안되는 다이아몬드와 같은 물질이 된다. 약하게 가교된 사슬은 고무상인 탄성테의 성질을 갖는 물 질을 형성한다. d. 사다리형 고분자 사다리형 고분자(ladder polymer)는 두 개의 주사슬들이 가교에 의해 일정하게 연결되어 선형고분자들보다 더욱 단단한 분자구조를 갖고 있으며, 용해도가 낮다. 그러나 대체로 매우 양호한 열 안전 성을 나타내는데, 그것은 분자량 감소가 각 끊김점에 있는 두 개의 결합이 깨지기 전에 일어나기 때문이다. a b c d

3 유리 전이온도 Tm 용융 온도 용융온도는 고체상태에서 유동성 액체 상태로 변화하는 온도로서, 결정부분의 유동이 시작되는 온도를 말한다. 열사소성 수지는 온도상승에 따라 유연해 지며 일정 온도 이상으로 온도를 올리면 유동이 시작되며 점도가 낮아진다. 이는 상승된 온도로 인하여 수지내 분자들의 운동에너지가 증가하여 고분자 사슬간의 간격이 멀어짐으로 인하여 부피의 변화와 더불어 흐르게 된다. Tg 유리전이온도 결정수지와는 달리 결정영역이 희박한 수지는 용융온도 대신에 유리전이 온도가 존재한다. 유리전이 온도의 정의는 용융온도와 동일하며 유리전이온도 이하에서는 유리같이 딱딱하고 깨지기 쉬운 거동(Brittle mode)을 보이는 반면 유리전이온도 이상에서는 고무처럼 질긴 거동(Ductile mode)을 보인다. 일반적으로 모든 고분자는 부분결정을 가지므로(Semi-crystalline polymer) 원칙적으로는 용융온도와 유리전이온도를 동시에 가지고 있다. 그러나 세기가 너무 미약하여 결정성고분자에서는 유리전이온도가, 비결정성고분자는 용융온도의 영향이 없는 것처럼 보인다. Tg Tm 비 체 적 온도 준결정질 고분자 비정질 고분자 비정질과 준결정질 고분자의 비체적 대 온도곡선

4 열가소성수지(Thermoplastic resin)
열가소성 수지란 가열하면 연화하여 가소성을 나타내고, 냉각해서 고화되는 플라스틱을 총칭해서 말한다. 가열공정에 있어서 약간의 산화반응이 열분해반응을 동반하는 경우가 있지만 본질적인 분자구조의 변화는 없다.  성형가공의 원리는 열경화성수지와 다르고 가열시켜서 연화상태로 된 사이에 형상을 성형한 후 즉시 냉각시켜서 고화된 제품을 얻는 것이다.  그렇기 때문에 성형사이클은 인반적으로 열경화성수지의 경우보다도 짧고 동일형상의 성형품의 대량생산에 적용할 수 있으며, 스크랩이나 성형불량품을 재사용 하는 것도 가능하다. 열가소성 수지에 속하는 대표적인 플라스틱에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염화비닐수지, 초산비닐수지, 폴리스티렌, ABS수지, 아크릴수지 등이 있다. <수지의 종류 및 용도 > - 폴리에틸렌 (PE : Polyethylene)    Polyethylene은 가볍고 유연하며 내약품성과 우수한 강도를 나타내며 절연성과 가공성도 좋으므로 포장재료, 가정용품 및 건축 재료 등에 널리 사용된다. PE의 화학구조식은 ...-CH2-CH2-...으로 ethylene 단위가 반복되는 고분자 물질이다. PE의 분자구조는 중합방법에 따라 선형 일수도 있고 가지형 고분자 형태를 취하게 되는데, 고분자의 밀도에 따라 고밀도PE(HDPE), 선형저밀도PE(LLDPE), 저밀도 PE(LDPE)등으로 분류할 수 있다. (사용용도) 각종 용기(容器), 포장용 필름, 섬유, 파이프, 패킹, 도료, 공업약품용 용기, 액체세제 용기, 공업용 로프, 포장용 필름 

5 - 폴리프로필렌 (polypropylene, PP) 프로필렌을 중합시켜 얻어지는 폴리머로 분자량 4만 정도 이상의 것이 시판되고 있으며, 밀도는 0.90으로 인장강도, 내열성 등이 비교적 우수한 폴리머이다. 대부분의 성질은 폴리에틸렌과 유사하지만 stress crack에 잘견디고 투명성도 상당히 우수하다.  내충격성을 개량하기 위해 다른 단량체와 공중합시킨 것이나 폴리이소부틸렌 등을 블렌드한것, 석면 이나 유리섬유를 배합한 재료 등도 시판되고 있고, 자동차부품의 공업적 용도나 각종용기, 필름 등에 이용되고 있다. (사용 용도) 맥주상자, 콜라상자, 소주상자, 보석상자, 용기류, 만년필, 고주파 절연부품, 시트류, 브라운관, 약품용기, 포장필름, 파이프,  폴리프로필렌섬유, 바닥인조피혁, 정부미 포대, 포장끈, 쓰레기통, 쓰레받이, 물바가지, 욕조, 천막등

6 있고 170℃이상에서 용융된다. 내산성, 내알카리성이 우수하고 무독, 난연성이며 전기절연성도 좋다.
- 폴리염화비닐 (polyvinylchloride, PVC) 염화비닐의 중합에 의해서 얻어지는 폴리머로 비중 1.45의 65∼85℃에서 연화되고, 120∼150℃에서 가소성이 있고 170℃이상에서 용융된다. 내산성, 내알카리성이 우수하고 무독, 난연성이며 전기절연성도 좋다. 알코올, 유기산 지방족 탄화수소에는 용해되지 않는다.   방향족 탄화수소(벤젠, 톨루엔)에는 swelling하고 케톤류(사이클로 헥사논, 메틸 이소부틸 케톤), 옥시란 화합물 (테트라하이드로퓨란, 디옥산), 니트로 벤젠에는 잘 녹는다.  뜨거울 때는 염산을 유리하면서 분해되지만 190℃이상되면 분해가 심해진다.   이 폴리머에 각종 첨가제를 배합한 것이 염화비닐수지로서 다량으로 사용되고 있다. (사용 용도) 경질 파이프, 빗물홈통, 물받이, 경질필름, 두꺼운 시트, 패널판, 수도관, 전선관, 조인트, 화학공장배관, 플라스틱 창틀 연질 호오스, 시이트, 인조피혁, 케미슈즈, 농업용필름, 전선피복, 쓰레받이, 의자커버, 식탁보, 가방, 연질화비닐병, 식품의 인스턴트용기, 식품 포장용기, 저금통, 장판

7 - 폴리스티렌 (polystyrene, PS) 스티렌의 단독 중합체로서 무색투명이며 가시광선 투과율은 메타아크릴 수지 다음으로 큰 유리와 같은 정도이고 인장강도,  탄성율은 열가소성수지 중에서 상위에 위치하지만 충격강도는 작다. 전기적 성질은 매우 우수하며 플라스틱 중 최고의 부류에 속한다. 내광성이 약해서 직사광선 하에서 노랗게 변하고 약해지지만 자외선 흡수제, 항산화제를 배합한 내광성 grade는 실용상 큰 장점을 지닌다. 방향족 또는 염소화탄화수소, 케톤, 에스테르 등에 녹지만 내수, 내산, 내 알카리성이 우수하다. 또한 열분해 온도가 높아 녹을 때의 열안정성, 유동성도 함께 우수하므로 성형가공성이 우수하고 특히 사출성형이 용이한 것이 큰 특징이다. 성형은 주로 사출성형에 의존하는데 성형수축이 작아 성형품의 크기 안정성, 표면광택과 함께 우수하다. 용도는 각종 용기, 가정용품, 완구, 사무용품 등의 잡화용과 각종 약전기기(弱電機器)부품, 하우징 등의 공업용으로 크게 나뉜다. (사용 용도) 인스턴트 컵, 식기, 칫솔대, 사무용품, 전기기기케이스, 파이프, 절연홀더, 도료, 이온교환수지, 포장용패킹재료, 보온재료, 발포폴리스티렌, 우유통, 요쿠르트병, 완구병, 합성목재

8 SAN(AS)수지 (SAN : Styrene Acrylonitrile Copolymer)  스티렌과 아크릴로니트릴의 공중합체로 강성이 크고 표면경도도 커서 상처가 잘나지 않는다.  (사용 용도) 전기기기 부품, 일용품, 자동차부품, 악기 및 기타부품 - ABS 수지 (아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지:ABS resin) 아크릴로니트릴 부타디엔 및 스티렌의 3성분으로 되는 내충격성 수지로 이들 3성분의 머리글자를 따서 ABS수지라고 한다.  ABS수지에는 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체와 NBR과의 폴리머블렌드에 의한 블렌드형과 BR, 또는 SBR 라텍스의 공존 하에 스티렌과 아크릴로니트릴을 그래프트 공중합해서 얻어지는그래프트형의 2종류가 있는데 현재의 ABS수지는 그 대부분이 그래프트형이다.  이 수지의 자연색은 염황색으로 보통 불투명한데 현재에는 투명품도 개발되어 있다.  ABS수지의 특징은 넓은 온도범위에 걸쳐서 우수한 내충격강도를 가짐과 동시에 우수한 인장강도, 강성, 내열성을 함께 가진다. 그외에 전기적 성질, 내유성, 내약품성, 내오염성이 우수해서 사출, 압출, 캘린더 가공 등 모든 성형법이 적용 되고 성형수축도 작다.  성형품은 아름다운 광택과 우수한 치수 안정성, 내크리이프성이 있고 또 진공성형, 도장, 금속도금 등의 2차가공도 용이하다.  용도는 각종 가연 전기 등의 약전기기 부품이나 캐비닛 하우징류를 중심으로 기타 일반기기의  하우징, 자동차의 내외장부품, 완구, 잡화, PVC의 개질보강재 등 광범위에 미친다. 초광폭압출 시트에 의한 대형 진공 성형품이나 저배율 발포체도 있다. 

9 엔지니어링플라스틱 - 폴리메틸메타아크릴레이트 (polymethyl methacrylate, PMMA) PMMA는 투명성이 우수하며 가볍고 견고한 플라스틱이다. 얇게 가공이 되면 유연성도 우수 하지만 내습성과 UV에 대한 저항성도 매우 우수하다. 극성용매에 녹지만 내산성 및 내알카리성은 아주 우수하며 molding, 압출, film또는 판상으로도 제품가공이 용이하다. 따라서 비행기 유리창 등 투명성과 견고성을 요하며 경량성도 필수적인 제품에 많이 사용된다.   PMMA는 bulk, 용액, emulsion, suspension등의 중합에 의하여 제조가 가능하나, casting제품에는 주로 bulk 중합법이 많이 사용되며, 코팅 및 접착제로 사용시는 용액중합법, molding용에는 작은 알맹이 상태로 supension중합법에 의하여 얻어지고 있으나, 공업적으로 많이 사용되는 주요 중합법은 emulsion중합법이라 할 수 있다. 

10 열경화성수지 (Thermosetting resin)
열경화성이 있는 수지를 말하며 대표적인 것으로서 페놀수지, 우레아수지, 멜라민수지, 불포화폴리에스텔수지, 에폭시수지, 폴리우레탄수지, 폴리이미드수지 등이 있다. 이것들은 경화전에는 비교적 저분자량물질(액상 또는 고상)에서 이루어지고 실온에서 혹은 가열에 의해서 유동성(가소성)을 나타내는데 경화제나 촉매 또는 열의 작용에 의해 화학반응(경화반응)을 일으키고, 불융성의 경화수지(thermoset resin 또는 cured resin)로 변화한다. 따라서, 성형, 접착 도장등의 가공조작을 이들의 수지재료가 유동성을 잃지 않는 한도내에서 행해진다. 경화수지는 일반적으로 내열성, 내약품성이 풍부하고, 경도가 높아서 기계적 전기적 성질이 우수하기 때문에 공업재료나 식기 등으로서 각종용도에 쓰인다.

11 <종류> 폴리우레탄 (polyurethane, PU) 특징  폴리우레탄에는 열가소발포성과 열경화발포성이 있다. 열가소성은 내유, 내마모성이 있고 고무상으로 되어 있다. 발포체는  경질과 연질이 있으며 어느 것이나 고발포로서 연질은 탄성체, 경질은 단열재 로써 이용된다. 성형은 RIM(반응사출성형) 등의 성형방법에 의거 각종 성형품을 고속으로 성형을 한다. 용도  ⑴ 건축재 : 섀시, 세면화장대, 싱크대 유닛, 도어, 천장재료, 배기· 배수부품 장식, 목공부품  ⑵ 가구 : 책상, 의자, 병박스, 목조품, 매트리스, 쿠션  ⑶ 사무기기 : 컴퓨터, 타이프라이터, 복사기하우징, 책상, 의자 ⑷ 전기기기 : TV캐비넷, 라디오, 스피커박스, 냉장고 도어, 자판기  ⑸ 자동차 : 인터트루먼트 패널, 범퍼, 펜더, 각종 콤포넨트 프런트 및 리어앤드, 후드, 루프 팬류 ⑹ 스포츠용품 : 스키재료, 구두밑창, 게임머신, 베드, 라켓프레임, 낚시대 ⑺ 의료 : 각종 튜브 ⑻ 접착제 : 도료, 스폰지

12 페놀수지 (phenol resin) 특징  페놀수지는 내열성이 뛰어나며 활제, 목분, 운모(Mica), 유리섬유등의 충전제에 의해 여러 가지 목적에 적합한 성형재료로 활용된다. 비교적 고온 아래서도 치수 안정성이 양호하며 넓은 범위의 온도 및 습도에서도 기계적 특성, 전기적 성질의 변화가 적으며 내약품성, 내용제성, 내수성이 뛰어나며 내절연성이 양호하다. 용도  ⑴ 성형품 : 전기·전자, 기계, 선박, 차량부품   ⑵ 적층품 : 전기단열판, 회로판 ⑶ 기타 : 단열재, 연마제, 합판 등의 접착·점착제, 주물공업용 모래주형(Shell Mold) 등 멜라민수지 (melamine resin) 특징 멜라민은 무색으로 충전재, 안료, 염료 등으로 착색된다. 표면은 견고하고 중량감이 있어 도자기와 같은 촉감이 있다. 또, 흡습성이 적고 저주파 전기절연성이 뛰어나고 유기용제에 안정하며 강산이나 강알카리 이외에는 침해되지 않는다. 용도  ⑴ 전기특성과 흡수성이 대단히 작으며 무독이므로 각종 식기, 커피접시, 컵등의 식기류와 일용품  ⑵ 전기기구, 배선기구  ⑶ 멜라민수지를 섬유, 종이, 면포 등에 함침시킨 것은 방수성이 있어, 젖어도 찢어지지 않으므로 양호한 섬유종이가 된다.  ⑷ 에폭시, 페놀, 우레아 등의 각종 수지와 변성시켜 소착도료, 접착제 등의 용도로 쓰인다. 또한 표면경도가 대단히 크므로 튼튼한 도장막을 얻을 수 있다. 

13 알키드수지 (alkyd resin) 알키드수지는 낮은 가격과 비교적 쉬운 도장의 장점이 있다. 알키드는 반응물질과 반응물질의 비, 변형제를 포함시킴 등으로 인하여 최종 사용자의  용도에 맞도록 제조될 수 있다.   알키드의 가장 흔한 형태는 프탈산 무수물, 톨유 지방산, 글리세롤 또는 펜타에리트리톨로 이루어진 것이다. 알키드수지는 400~500종의 수지가 있으며 이들은 경화 과정에서 가교를 이룰 수 있는 탄소-탄소 이중결합을 가진폴리에스테르이다.  이들은 도료에 있어서 여러가지 용도에 사용되며 그들의 다양한 특성을 특정한 용도에 맞출 수가 있다. 장점 ⑴ 도장하기 쉽다. ⑵ 평평하고 반광택 또는 높은 광택의 마무리 처리용으로 활용된다.  ⑶ 콘크리트나 석회(알칼리성)를 제외하고는 모든 표면에 유용하다. ⑷ 색보존성이 우수하고, 무취(일부)이다.

14 3.2 금속기지 면심입방구저(fcc) 체심입방구저(bcc) 육방조밀(hcp)
금속은 가장 다양한 엔지니어링 재료로 강하고 인성이 크다. 또한 소성변형이 가능하며, 전위라 불리는 선형결함 운동의 방향에 의해 다양한 방법으로 강화된다. 금속의 결정구조는 다음과 같다. 면심입방구저(fcc) 체심입방구저(bcc) 육방조밀(hcp) 금속은 결정질이지만 완전한 결정은 존재할 수 없다. 그러므로 금속은 다음과 같은 여러가지 결정 결함을 포함하고 있다. 점결함(0차원) 선결함(1차원) 면 또는 면간결함(2차원) 체적결함(3차원)

15 금속의 결정이란 원자의 배열상태를 일컫습니다
금속의 결정이란 원자의 배열상태를 일컫습니다. 배열 규칙에 따라 결정의 종류도 다양하지만 어떠한 형태로든 Standard하게 배열되어 있으면 그 결정은 결함이 없는 상태라고 볼 수 있습니다. 결정의 결함은 크게 차원적으로 구분할 수 있습니다. 0차원적 결함(점결함; Point Defect)   ① 공공(Vacancy) - 결정에서 원자가 차지하는 자리에 원자가 빠져서 생긴 빈 공간    ② 침입형 원자(Interstitial Atom) - 원자와 원자 사이에 다른 원자가 침입   ③ 치환형 원자(Substitutional Atom) - 원래 원자의 자리에 다른 원자가 대신 들어간 곳 1차원적 결함(선결함; Line Defect)   ① 전위(Dislocation) - 원자배열을 여러 선으로 나타내었을때, 중간의 어떤 한 원자배열이 중간에 끊겼다면, 그 끊어진 원자배열 선을 전위라고 합니다. - 아주아주 중요함   2차원적 결함(면결함; Plane Defect)    ① 적층결함(Stacking fault) - 2차원적인 전위로써 원자배열 면이 규칙적이다가 불규칙하게 적층되는것       예를들면, 모든 햄버거에 (빵-야채-고기-야채-빵)이 같은 크기로 들어가는데, 어떤 한 햄버거에 고기가 안들어갔거나 반쪽짜리 들어간것.   ② 쌍정(Twin) - 결정의 배열이 어떤 선(쌍정면)을 기준으로 대칭으로 배열되었을때 쌍정이라 합니다.     ③ 결정립계(Grain Boundary) - 결정립계도 일종의 면결함 3차원적 결함(체결함; Volume Defect)   ① 석출물(Precipitate) - 예를들어 소금물은 그냥 물처럼 보여야하는데 갑자기 소금 한 알갱이가 물에 떡하니 있다면 그것이 석출물입니다. 금속은 금속끼리 고체상태에서 녹아들어가고(고용) 소금물처럼 온도에 따라 고용도가 달라지므로 금속 내부에서 위와같은 현상이 일어납니다.

16 섬유강화 금속복합재료 휘커스(Whisker)등의 섬유를 Al,Ti,Mg등의 연성과 인성이 높은 금속이나 합금 중에 균일하게 배열시켜 복합화한 재료를 섬유강화 복합재료(FRM: Fiber Reinforced Metals)이다. 특히 Al 및 Al합금이 기지금속으로 가장 많이 쓰이며, 이외에 Mg, Ti, Ni, Co, Pb 등이 있다. 강화섬유위 종류: 비금속계 : C, B, SiC, Al2O3, ZIN, ZrO2 등 금속계 : Be, W, Fe, Ti 및 그합금 특징 : 경량이고 기계적 성질이 우수 고내열, 고인성, 고강도를 가짐 주로 항공 우주산업이나 레저 산업 등에 사용 분산강화 금속복합재료 기지금속 중에 0.01 – 0.1um 정도의 산화물 등 미세한 입자를 균일하게 분사시킨 재료로 기지금속으로는 Al, Ni, Ni-Cr, Ni-Mo, Fe-Cr 등이 이용된다. - 고온 크리프 특성 우수 - 분산된 미립자는 기지 중에서 화학적으로 안정하고 융점이 높다. - 복합재료의 성질은 분산입자의 크기, 형상, 양에 따라 변한다. 3) 입자강화 금속복합재료 1-5um 정도의 입자가 금속이나 합금의 기지 중에 분산되어 있는 것으로 서멧 이라고 한다. 경도,내열성, 내산화성, 내마멸성 금속과의 인성을 겸비한 복합재료이다.

17 종류 : - 탄화물계 : WC-Co계, TiC-Co계, Cr3C2-Ni계 등 - 산화물계 : Al2O3-Fe계, Al2O3-Cr계 등 - 질화물계 : Tin – Cr계, - 붕화물계 : ZeB2계, CrB, TiB2 등 - 규화물계 : MoSi2, TiSi2, CrSi2 등 - 용도로는 공구용재료, 내마멸용 재료로 사용

18 3.3 세라믹 기지재료 세라믹의 정의 이 세상의 물질을 크게 구분하면 금속, 세라믹, 폴리머 등 이렇게 3가지로 구분할 수 있다. 첫 번째, 금속은 모두 잘 알고 있듯이 철과 같은 금속원소들이 규칙적으로 배열하여 결정 구조를 이루는 무기물질이다. 두 번째, 세라믹은 원소주기율표상의 비금속원소(ex.산소, 질소, 붕소, 탄소, 규소 등)만으로 이루어져 있거나, 또는 비금속원소와 금속원소로 이루어져 있는 물질을 말한다. 마지막으로, 폴리머는 플라스틱과 같이 주로 탄소나 수소로 결합된 긴 분자사슬들로 이루어진 비결정 탄화수소 물질을 말한다.     1. 세라믹의 특성 경도- 세라믹의 큰 특징은 “딱딱하다”이다. 세라믹은 지구상에서 가장 딱딱하다는 다이아몬드다음으로 딱딱한 물질이며, 공장에서 금속을 자르거나 하는 절삭 공구 등에서도 사용되어 진다. 일반적으로 알루미나 세라믹스의 경도가 스텐레스강철의 약 3배에 달한다. 강성- 세라믹은 변형하기 어려운 일, 즉 강성이 높다. 강성은 그 소재로 하중을 걸쳐 소재가 구부러진 양을 측정하는 것으로 알 수 있는데 세라믹의 경우에는 강성이 스텐레스강철의 약 2배 가까이 된다. 내열성- 구워서 만든 벽돌이나 타일이 열에 강한것과 같이 세라믹은 열에 강한 성질을 가지고 있다. 일반적으로 알루미늄은 약 660도에서 녹기 시작하는데 반해, 파인 세라믹스의 알루미나는 약 2,000도 이상이 되어야만 녹는다. 2. 세라믹의 종류 세라믹의 종류는 크게 파인세라믹스(fine ceramics)와 세라믹스(ceramics)로 나눌 수 있다. 도자기, 유리, 시멘트, 내화물 등 종래의 요업제품을 세라믹스이라고 하는데 반해 이것보다 더욱 정교하게 만든 것을 파인세라믹스라고 한다. 파인이라는 용어는 주로 일본에서 사용하고 유럽 및 기타 나라에서는 뉴세라믹스(new ceramics)라고도 한다. 종전의 세라믹스는 산화알루미늄이나 산화규소 등의 산화물을 원료로 하지만, 파인세라믹스는 질화규소나 탄화규소를 원료로 하는것, 빛이나 전기적인 특수한 성질을 가지고 있는 것도 있다. 아래부터는 크게 세라믹스와 파인세라믹스 및 기타세라믹스의 대표적인 종류에 대해서 알아 보겠다.

19 (1) 알루미나(Al2O3) 파인 세라믹스에서 가장 넓게 이용되고 있는 재료로써 기계적 강도, 전기 절연성, 고주파 손실성, 열전도율, 내열성, 내마모성, 내식성이 양호하다. 사파이어는 알루미나의 단결정이다. (2) 탄화 규소(SiC) 탄화규소는 합성재료로서 비산화물 세라믹스의 대표적인 탄화물이다. 탄화규소는 입방정 결정구조를 갖는상과 육방정 결정구조를 갖는 상이 존재한다. 상은 1400~1800에서 안정하고 상은 2000이상에서 안정하다. 탄화규소의 분자량은 40.1이고 비중은 3.21이며 2500이상에서 분해한다. 탄화규소는 고온강도가 높고, 내마모성, 내산화성, 내식성, 내크립성 등의 특성이 우수하여 고온구조재료로서 주목을 받고 있다. (3) 질화 알루미늄(AIN) 높은 온도에서 알루미늄 가루를 질소 속에서 반응시켜 만든 회색의 무정형 물질로서 1,900정도에서 일부 분해하면서 승화하고, 고체화하면 무색의 육방 정계 모양의 결정이 된다. 그리고 이는 열전도율이 높기 때문에, 방열성이 요구되는 반도체 부품의 패키지 재료 등에 이용된다. (4) 질화 규소(SiN) 규소와 질소로 만드는 재료이다. 물에 녹지 않는 흰 가루의 형태이고 화학 약품, 열, 충격 등에 잘 견디어 내식성, 내열충격성 등이 좋아 엔진의 부재로 최적의 재료이다. 또는, 고온 가스 터빈의 고정 날개에도 쓰인다. (5) 산화 지르코늄(ZrO) 파인 세라믹스중에서 가장 높은 강도와 질긴 성질을 가진 세라믹스이다. 지르코니아라고도 불리는데 인성, 열충격, 마모, 부식에 대한 내성이 좋고 열전도도와 마찰계수가 낮다. 종래에는 세라믹을 칼날이나 가위에 적용하지 못 하였지만 현재는 산화 지르코늄을 이용하여 만들 수 있다. 단결정은 굴절률이 다이아몬드와 비슷하여 보석 장식품에서도 이용되고 있다.

20 (6)이산화 규소(SiO) 일반적으로 실리카라고 불린다. 규소와 산소의 화합물으로써 순수한 것은 무색 투명한 고체이고 분자량은 60.09이다. 규소를 4개의 산소가 둘러싼 정사면체형인 SiO를 기본단위로 하고 사면체 배열을 한다. 이때 배열이 불규칙한 것이 석영유리이며, 결정 이산화규소를 융해하여 냉각하면 석영유리가 된다. 석영유리는 고온에서 잘 견디며 팽창률이 아주 작고 급격한 열변화에 강하기 때문에 내열유리에 주로 쓰인다. (7) 사이알론 사이알론은 알루미늄산화물, 이트륨산화물, 티타늄카바이드 등이 결합된 재료이다. 이는 강도 및 열충격등에 강한 성질을 가지고 있어 절삭공구, 자동차 엔진부품, 요접노즐, 압출다이스 등에 사용된다. (8)유리 세라믹스 보통의 유리와 달리 도자기와 같이 미세한 결정으로 구성된 유리로 결정화유리라고도 한다. 이는 조직이 치밀하고, 높은 내열성과 기계적인 강도가 있으며, 열팽창률도 작다. 사용하는곳은 내열조리기구, 볼 베어링, 기계부품, 미사일 탄두 등에 이용된다. (9)서멧 세라믹중 특이하게 서멧은 세라믹과 금속이 결합된 재료이다. 제조는 금속과 탄화물산화물의 입자조각을 배합하여 프레스후 굳히고, 이것을 금속 쪽이 활발히 확산을 하여 소결할 정도의 온도로 가열한다. 서멧은 수소 속이나 진공 또는 기타 적당한 분위기에서 소결한 것으로서, 세라믹스의 특성인 경도, 내열성, 내산화성, 내약품성, 내마모성과 금속의 강인성, 가소성, 기계적 강도 등을 합한 신재료이다. 주로 제트엔진의 노즐, 비행기의 브레이크 등 고온용 부품으로 만들어 지고 있다. (10) 생체 세라믹스 현재까지 주로 사용되어 온 생체 이식재료는 스텐레스 스틸, 티타늄 합금 등의 녹이 잘 슬지 않는 재료를 사용하였다. 그러나 이러한 재료는 생체조직과 잘 융합되지 않는다. 그래서 실제 뼈의 성분인 칼슘, 칼륨, 마그네슘, 나트륨, 인 등의 원소를 사용하는 재료들이 있는데 이들을 생체활성 세라믹스재료라고 한다. 이러한 생체활성 세라믹은 뼈와 직접 결합함으로 인공치아의 뿌리, 손상된 뼈의 부분을 메꾸거나 보완하는데 이용하고 있다.

21 세라믹 복합재료의 종류- ⒈ 입자분산강화 복합재료(particulate reinforced composite) 입자강화된 세라믹 복합 재료에서는 내마모성과 파괴 인성에 있어서 좋은 결과를 얻을 수 있다. 또한 이것의 커다란 장점은 제조 공정이 간단하다는 것이다. 한편 최근에는 나노 복합재료, 즉, 매우 작은 2차상 입자를 매트릭스의 입내 또는 입계에 알맞게 분산시킨 새로운 복합재료는 약 1,400℃의 고온에서도 강도의 증가가 기대되며 활발한 연구가 이루어지고 있다. ⒉ 섬유강화 복합재료 ① whisker 강화 (whisker reinforced composite) 위스커는 전위가 없는 고순도의 단결정으로 이론강도에 가까운 강도를 갖기 때문에 복합재료의 강화재로 널리 이용되고 있다. 지금까지 SiC, TiC, Si3N4, TiN, Al2O3 위스커 등이 개발되었는데 이 중 강도와 탄성계수 및 열적, 화학적 안정성이 우수한 SiC 위스커가 가장 널리 사용되고 있다. ② 장섬유 강화 (long fiber reinforced composite) 장섬유 강화 복합 세라믹스의 특징은 모노리스재료(단상재료)와 같이 돌발파괴(catastrop-ic)를 나타내지 않으며 매트릭스재에 파괴가 생긴 후에도 섬유에 의해 하중이 받쳐지고 있기 때문에 장섬유로 강화한 복합재료는 최대의 파괴인성이 얻어진다. SiC 장섬유를 알루미노규산리튬(LAS) 결정화 유리와 복합화함으로써 초경합금보다 높은 24MPa m½ 의 초인성이 달성되며 더욱이 이 재료는 약 1,000℃까지 800MPa이상의 고강도를 유지한다.

22 전도성 폴리머를 이용한 새로운 전자-혀

23 한국 연구진은 전도성 폴리머를 이용해서 새로운 전자-혀 센서를 개발하는데 성공했다
한국 연구진은 전도성 폴리머를 이용해서 새로운 전자-혀 센서를 개발하는데 성공했다. 전자-코(e-nose)는 포유류의 후각 시스템을 모방한 전자 장치이다. 더 우수한 전자-코를 개발하기 위해서, 과학자들은 더 우수하고, 더 저렴하며, 더 작은 센서 장치를 만드는 연구를 진행하고 있다. 잘 알려지지 않는 개념 중의 하나로 전자-혀(electronic tongue)라는 것이 있는데, 이것은 센서로 용해성 물질을 인식하는 것이다. 기존의 전자 혀는 폴리머, 인공 멤브레인, 반도체 등과 같은 인공 재료의 어레이를 사용해서 신호를 감지하고 패턴 인식으로 분석했는데, 이것은 식품 및 음료 산업에 적용되었다. 현재의 기술적인 진보에도 불구하고, 전자-혀 방법은 식품 및 음료 제품과 같은 복잡한 혼합물의 분석과 관련해서 인간 혀의 생물학적 특성을 모방할 수 없었다고 이 연구를 이끌었던 서울대학교의 박 태현 교수가 말했다. 이번 연구진은 나노전자 혀로서 쓴 맛을 인식할 수 있는 수용기를 개발했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letter에 게재되었고, 연구진은 인간의 미각 시스템의 선택적 검출을 모방하기 위해서 인간의 미각 수용기를 이용했다. 이번 연구진이 개발한 나노전자 혀의 감지 물질로서 인간의 미각 수용기를 이용했고, 센서 플랫폼으로서 전도성 폴리머 나노튜브 전계 효과 트랜지스터를 이용했다. 특히, 이번 연구팀은 인간의 쓴 맛 수용기인 단백질 hTAS2R38로 카르복시기 폴리피롤 나노튜브 (carboxylated polypyrrole nanotube)를 기능화시켰다. 연구진은 이 장치가 1 펨토몰(femtomole)의 검출 한계와 높은 선택성으로 쓴 미각 자극 물질을 검출할 수 있다는 것을 증명했다.

24 이전 연구에서, 연구진은 인간의 후각 수용기를 사용해서 생체전자-코를 개발했다.
후각 수용기와 미각 수용기는 동일한 구조를 가지고 있기 때문에, 연구진은 인간의 후각 수용 단백질을 사용하는 것과 동일한 방법으로 나노생체전자 혀를 개발할 수 있었다. 이 연구결과를 토대로 해서 인간 혀와 같은 성질을 가진 높은 민감성 및 선택성을 가진 나노생체 전자 혀를 만들 수 있었다. 이 장치는 품질 제어 및 미각 자극 물질 검출이 필요한 식품 또는 음료 시장에 적용될 수 있을 것이다. 쓴맛의 경우에, 나노생체 전자 혀는 커피, 초콜릿 음료, 약물, 한약 등의 쓴맛을 정량적으로 감지하는데 사용될 수 있을 것이다. 이 나노생체전자 혀는 시간이 많이 소모되고 노동 집약적인 기존의 분석 및 품질 평가를 위한 세포 기반의 분석 방법의 대안이 될 수 있을 것이고, 미각 자극 물질 검출, 인간 미각 시스템에 대한 기본적인 연구에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 혀는 쓴맛, 단맛, 짠맛, 신맛, 감칠맛(umami taste)과 같은 5 개의 맛을 수용할 수 있는 구조로 되어 있다. 인간 혀와 더 유사하기 위해서, 센서는 모든 종류의 미각 수용기를 포함하는 다중 어레이 형태가 되어야 할 것이라고 이번 연구진은 말했다. 이 분야에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다.  이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Human Taste Receptor-Functionalized Field Effect Transistor as a Human-Like Nanobioelectronic Tongue” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: /nl ).

25 생체 재료로 사용할 수 있는 다공성 폴리머 멤브레인

26 독일과 중국 연구팀은 예상치 못한 특성을 가진 다공성 폴리머 멤브레인을 개발했다.
이번 연구진은 아세톤과 같은 유기 용액의 기체와 접촉할 때 매우 빠르게 둥그렇게 감기는 멤브레인을 만들었다. 이런 액추에이터 막을 사용하면, 파리지옥풀(Venus flytrap)처럼 외부 자극에 반응하는 생물학적 구조를 모방할 수 있다. 이 액추에이터는 이전에는 사용하지 않는 다음과 같은 디자인 원리를 최초로 적용했기 때문에 실제 생물학적 모델과 매우 유사했다. 첫째, 이번 연구진은 재료의 상부를 딱딱하게 만들었고 재료의 하부를 부드럽게 디자인했다. 둘째, 호일은 용매가 멤브레인에 빠르게 접근할 수 있도록 기공이 산재되게 했다. 이것은 다른 액추에이터보다 외부 자극에 더 빠르게 반응한다. 이러한 재료들은 로봇의 인공 피부와 근육으로서 사용될 수 있고, 센서로서 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 식물은 근육이 없지만, 그럼에도 불구하고 매우 동적이다. 예를 들어, 아이스 플랜트(ice plant seed) 씨앗은 젖을 때 뚜껑이 열리고, 씨앗 외부가 건조될 때 다시 닫히게 된다. 식물은 성공적인 재생을 위해서 캡슐 뚜껑(capsule lid) 구조를 가진다. 상부와는 달리, 캡슐의 하부는 물을 흡수해서 팽창한다. 그 후에 젖은 뚜껑은 열리고 건조되면 다시 접히게 된다. 이번 연구진은 생물학적 방법과 매우 유사한 방식으로 생체 모방 액추에이터를 만들었다. 이 멤브레인은 이전의 폴리머 액추에이터보다 10배 더 빠르게 외부 자극에 반응한다. 또한 이것의 움직임은 더 크다. 멤브레인은 스스로의 무게의 약 20배를 들 수 있는 힘을 가진다. 그리고 이것은 다음과 같은 프로세스에서도 거의 완벽하게 작동한다: 첫째, 액체 질소를 사용해서 두 시간 동안 –190℃까지 재료를 냉각하고 200℃까지 가열된다. 그리고 마지막으로 제곱센티미터당 1 톤의 압력을 가했다. 멤브레인은 이런 조건 하에서 반응 속도의 일부를 손실했지만, 이것은 액체와 접촉하게 될 때 움직이는 모든 폴리머 액추에이터보다 더 나은 작용을 한다.

27 재료 과학자들은 생물학적 모델처럼 작동하는 생체 모방 액추에이터를 개발하기 위해서 서로 다른 방법들을
이미 채택했다. 그러나 지금까지, 천연 모델과 근접한 모델을 만드는데 성공하지 못했다. 식물의 기계적인 구성요소처럼, 재료 구조가 이런 차이를 만들어내었다. 멤브레인은 경사를 가지고 다공성이다. 이런 두 개의 구조적인 특성 때문에, 이 액추에이터는 빠르게 움직이고 큰 움직임을 보일 수 있다. 지금까지 이러한 액추에이터는 두 개의 층으로 구성되었다. 두 개의 층은 서로 다른 액체의 양을 흡수한다. 이런 종류의 재료 조합은 상당히 작은 움직임을 가지게 하고 느리다. 이렇게 생성된 많은 시스템들은 제조하기가 매우 복잡하고 그들 중의 일부는 너무 뜨겁거나 건조될 때 작동하지 않는다. 이번 연구진은 매우 효율적인 멤브레인 액추에이터를 만드는데 최초로 성공했다. 아주 큰 기둥 분자들이 이 호일 속에 포함되었다. 그 후에 이번 연구진은 암모니아 용액을 사용해서 분자 기둥과 사슬을 연결했는데, 이것은 기둥의 연결점을 활성화시켰다. 여기서 암모니아 용액은 한 면의 멤브레인에만 접근할 수 있다. 용액은 호일 속에 천천히 흐른다. 결과적으로, 이것은 상부 면 위의 구성요소와 강하게 연결하지만 하부로 내려갈수록 이런 강도는 감소된다. 더 나아가, 액체 암모니아는 호일 속에 기공을 남기는 추가적인 효과를 가진다. 용매(아세톤)의 증기는 멤브레인의 기공을 통해서 빠르게 확산된다. 그러나 액추에이터의 유기 연료는 상부와 매우 강하게 연결된다. 이것은 하부로 침투하기 때문에, 이런 활성은 증가한다. 이것은 이온성 폴리머를 팽창시키고, 멤브레인은 구부려진다. 즉, 멤브레인은 서로 다른 용매를 구별할 수 있다. 이러한 액추에이터는 외부 자극에 반응해야 하는 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 이것은 로봇을 위한 인공 피부와 근육에 사용될 수 있을 것이다. 이번 연구진은 멤브레인을 적용할 수 있는 분야를 조사하고 있고, 액추에이터의 연료로서 사용 가능한 용매들을 조사하고 있다. 멤브레인은 용매에 따라서 매우 따른 특성을 가질 수 있는데, 이것은 서로 다른 유기 용매를 구별할 수 있는 센서로서 매우 적합하다. 이번 연구진은 새로운 재료를 추가적으로 개발할 목적으로 현재 연구를 진행하고 있다. 이 재료는 용매에 의해서 활성화되는 것이 아니라 빛에 의해서 활성화된다.

28 붕소 질화물 기반의 열 전도성 폴리머 복합체 그림: 붕소 질화물 나노구조를 가진 폴리스티렌 사슬.

29 중국 연구진은 우수한 열전도성을 가지지만 높은 전기 절연성을 가진 폴리머/붕소 질화물 나노복합체를 제조할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 열전도성 입자로 채워진 폴리머 복합체들은 열 관리(thermal management) 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 그들은 쉽게 가공될 수 있고 충전재를 이용해서 열 전도성을 향상시킬 수 있다. 수많은 나노입자들이 그들을 제조하는데 사용될 수 있지만 그중에서 붕소 질화물과 같은 유전성 세라믹 입자들이 많이 사용되고 있다. 이것은 이런 열 전도성 복합체들이 전자 장치 및 장비에 전기 절연성을 제공할 수 있기 때문이다. 저널 Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 붕소 질화물 기반의 폴리머 나노복합물을 제조할 수 있는 새로운 합성 기술을 제시했다. 열전도성 및 전기 절연성 폴리머/붕소 질화물 나노복합체는 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 그러나 폴리머/붕소 질화물 나노복합체를 위한 대부분의 제조 방법들은 후처리를 하는데 많은 어려움을 가지고 있다. 이번 연구진은 이것을 해결할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 붕소 질화물 기반의 폴리머 나노복합체의 제조를 위한 대부분의 방법들은 상용 폴리머 기질 또는 열경화성 프로-폴리머(pre-polymer) 속에 붕소 질화물 나노입자를 첨가하는 프로세스를 이용한다. 그러나 현장 중합(in situ polymerization)을 이용한다면, 다음과 같은 몇 가지 장점들을 가지고 있기 때문에 이런 폴리머 나노복합체를 제조하는데 유망하다. 첫 번째로, 공유 결합된 폴리머 사슬들은 나노입자와 폴리머 기질 간의 강한 상호작용을 보장한다. 두 번째로, 폴리머 사슬은 나노입자 응집을 상당히 억제하고, 뛰어난 나노입자 분산과 감소된 충전제 간의 상호작용을 초래한다. 상하이 자오퉁 대학(Shanghai Jiao Tong University)과 홍콩 시립 대학(City University of Hong Kong)의 다학제 연구팀은 붕소 질화물 기반의 폴리머 나노복합체를 제조할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이것은 RAFT(reversible addition fragmentation chain transfer)에 의해서 기능화된 붕소 질화물 나노구조의 표면 위에 폴리스티렌 고분자 사슬을 직접 성장시킨다. 그 후에 핫-프레스 성형(hot-press molding)을 수행한다. 나노복합체의 열전도도의 향상은 스티렌/붕소 질화물의 공급 비율이 5:1일 때 1375%에 도달한다. 가장 중요한 것은 나노복합체가 서로 다른 형상을 가지도록 다중 용융 가공을 할 수 있다는 점이다. 이 방법은 다양한 단량체와 나노충전제를 가진 열전도성, 전기 절연성, 용융 가공성을 가진 폴리머 나노복합체를 제조할 수 있는 보편적인 방법이 될 수 있을 것이다. 붕소 질화물 나노복합체는 진동수에 대한 약한 의존성과 낮은 유전 손실을 가진 뛰어난 유전체 특성들을 가진다. 폴리스티렌의 가공성과 붕소 질화물 나노구체의 구형은 우수한 열 재활용성을 가지게 한다. 이것은 현재의 나노복합체가 열경화성 복합체보다 더 유용하게 다양한 분야에 적용될 수 있게 한다. 여기서 제안된 방법은 우수한 열전도성을 가지고 뛰어난 전기 절연성을 가지며 용융 처리를 할 수 있는 폴리머 나노복합체의 일반적인 제조 기술로서 활용될 수 있을 것이다.