글로벌 세계 대백과사전/컴퓨터·환경·첨단·지구과학/첨단과학/신소재와 원자력

신소재

신소재

新素材

new materials

신소재의 개발에는 무한한 가능성이 감추어져 있으며, 앞으로 우리가 누릴 문명의 혜택은 신소재의 개발에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 신소재란 금속, 무기, 고분자 등의 소재들을 새로운 제조 기술로 만들어 특수한 기능과 성질을 갖는 재료를 가리킨다. 신소재는 전자, 정보통신, 에너지, 우주항공, 의료, 자동차, 컴퓨터 등 첨단기술 산업에 반드시 필요한 핵심소재이다.

신소재 산업은 기술 축적과 연구 개발이 함께 이루어져야 하는 지식집약형 산업이며 개발하는 데 엄청난 자금과 인력, 연구 기간이 들기 때문에 국가적으로 적극 지원하고 있다.

고기능고분자

高機能高分子

high functional polymer고기능고분자는 특수한 기능을 갖도록 한 고분자 물질이다. 고분자는 분자량이 큰 분자로서 가볍고 성형하기 쉬운 고분자의 특성을 활용해서 기체나 액체를 자유롭게 분리하는 기능을 갖게 하거나 전기전도의 기능을 갖게 한 것이 고기능고분자이다.

고기능고분자는 용도에 따라 전기전자재료, 광기능재료, 고분자용액재료, 분리기능재료, 의료용 고분자재료로 나뉜다. 전기전자재료에는 절연체의 기능을 하는 재료나 전도성이 있는 수지, 반도체고분자 등이 있다. 또한 광기능재료로는 자외선이나 엑스선 등에 특수하게 반응하는 감광성 고분자나 광학용 플라스틱 등이 있으며, 고분자용액재료에는 자외선이나 전자선에 의해 굳는 도료나 전기전도의 기능이 있거나 녹을 방지하는 도료 등이 있다. 분리기능재료로는 이온교환수지, 기체나 액체를 자유롭게 분리하는 선택성 분리막, 바닷물을 담수로 바꾸는 역침투막 등이 있다. 의료용 고분자재료에는 혈전이 생기지 않도록 하는 항혈전성 고분자, 치과용 수지, 인공장기용 고분자 등이 있다.

최근에는 자연 보호를 위해 천연 분해되는 생분해성 고분자, 인간의 건강을 위한 바이오고분자나 생체고분자처럼 나쁜 환경에서도 특수한 기능을 발휘하는 새로운 고기능고분자 등이 개발되고 있다.

광섬유

光纖維

optical fiber

광섬유란 빛 신호를 전달하는 가느다란 유리 또는 플라스틱 섬유를 가리킨다. 광섬유는 낱개로 사용하거나 다발로 사용하며, 수센티미터에서 160Km 이상까지 빛을 전송한다. 이 중에는 지름이 0.004mm의 아주 가는 것도 있다. 광섬유는 중심에 유리나 플라스틱으로 된 투명한 심이 있고 이 심을 클래딩이라는 피복이 감싸고 있다.

레이저, 전구 등의 광원에서 나온 빛이 광섬유의 한쪽 끝으로 들어가면 빛이 심을 통과해서 전송되는 동안 클래딩이 섬유 내부의 표면을 때리는 빛을 다시 안쪽으로 반사시켜 빛이 심 속에서 계속 나아가게 한다. 광섬유의 다른쪽 끝에서는 광검출기나 사람의 눈으로 빛을 감지한다.

광섬유는 크게 단일모드섬유와 다중모드섬유로 나뉜다. 단일모드섬유는 장거리 전송에 사용하는데, 아주 작은 심을 사용하며, 빛이 섬유의 축을 따라서만 들어온다. 광원으로는 특수 레이저만 사용하고 레이저, 다른 광섬유, 감지기 등과 정밀하게 접속해야 한다.

다중모드섬유는 단일모드섬유보다 심이 크고 여러 각도로 빛을 받는다. 또한 단일모드섬유보다 여러 종류의 광원과 값싼 접속장치를 사용할 수 있다는 장점이 있지만 장거리 전송에는 사용할 수 없다.

광섬유의 용도는 다양하다. 광섬유가 가장 많이 이용되는 광통신시스템에서는 특수 레이저를 광원으로 사용하는데, 특수 레이저는 엄청나게 빠른 속도로 켜짐과 꺼짐을 반복하면서 부호화된 메시지를 보낸다. 메시지가 광섬유를 타고 전송되어 수신장치에 전달되면 수신장치에서 부호를 해독해서 원래의 신호로 바꾼다.

광통신시스템은 구리케이블시스템보다 정보 전송 용량이 아주 크고, 전기적으로 간섭을 받지 않아 전송 도중에 정보 손실이 거의 없다. 또한 장거리 통신에 광섬유케이블을 사용하면 같은 길이의 구리케이블보다 신호를 덜 증폭해도 잘 전송된다. 많은 통신회사들이 대규모 광섬유케이블망을 설치하고, 태평양과 대서양 사이에도 해저 광섬유케이블을 가설해서 통신에 사용하고 있다.

광섬유는 또한 의료용으로도 많이 사용된다. 가늘고 유연하게 잘 가공된 광섬유는 혈관이나 폐와 같이 속에 빈 공간이 있는 인체 장기에 삽입되어 수술하지 않고도 환자의 몸 속을 볼 수 있는 관절경 등에 사용된다. 또한 온도나 압력 측정기와 수술용 레이저에도 광섬유를 사용한다.

세라믹스

ceramics

세라믹스라는 말은 원래 '도자기'를 뜻한다. 점토 등 천연의 원료를 사용해서 만들며, 용기로 사용되어 왔다.

이에 대하여 파인 세라믹스는 고순도의 인공 원료를 사용해서 만들며, 전자재료, 정밀기계 재료 등 다양한 용도에 쓰인다. 또한 최근에는 생체재료로도 쓰인다.

파인 세라믹스는 금속이나 플라스틱에 비하여 녹이 슬지 않고 불에 타지 않으며 손상되지 않는 특징을 지닌다. 거기에 전자기적, 광학적, 기계적, 생체공학적으로 뛰어난 특성을 갖는 것이 많다.

파인 세라믹스의 주요한 응용으로는 텔레비전, 에어컨 등 가전제품의 각종 소자, 집적회로의 기반, 콘덴서, 가스누출 센서, 헤어 드라이어, 가스 레인지의 점화장치, 스페이스 셔틀의 내열 타일 등이 있다. 하지만 신축성이 없고 부서지기 쉬운 단점도 있다.

한편 바이오 세라믹스는 생체물질 대용으로 사용하는 세라믹스로서 열에 강하고, 약품에 잘 견디며, 잘 긁히지 않고 변형이 거의 없다. 또 생물이나 인체에 해를 입히지 않는다. 바이오 세라믹스의 한 종류인 다공질 세라믹스는 인공치아나 인공뼈, 효소반응 운반체로 널리 쓰인다. 또한 바이오 세라믹스는 맥주의 맛을 좋게 하는 증류 필터나 음식물을 오랫동안 신선하게 보관하기 위한 그릇으로도 이용된다.

엔지니어링플라스틱

engineering plastics

엔지니어링플라스틱이란 공업용 플라스틱, 다시 말해서 내열성과 강도가 큰 플라스틱을 말한다. 엔지니어링플라스틱은 금속을 대체할 수 있는 고성능 플라스틱으로 강도와 탄성이 좋고 100℃ 이상에서도 견딘다. 다섯 가지 중요한 엔지니어링플라스틱에는 폴리아미드, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 변성폴리페닐렌옥사이드가 있다.

그리고 엔지니어링플라스틱보다도 뛰어난 특성을 지닌 플라스틱 재료가 잇달아 개발되고 있는데 그것들은 특수 엔지니어링플라스틱으로서 분류되고 있다.

특수 엔지니어링플라스틱의 구분은 강도와 열변형성에 의해서 구별된다. 범용 플라스틱은 대부분이 100℃ 정도에서 열변형하는데, 특수 엔지니어링플라스틱은 600℃에 견디는 것이 있다. 인장강도에서는 범용이 500Kg/㎠ 이하, 특히 폴리에틸렌은 130Kg/㎠ 정도인 데 대하여 특수 엔지니어링플라스틱에서는 500Kg/㎠ 이상인 것도 있다.

엔지니어링플라스틱은 강도와 탄성뿐 아니라 내충격성, 내마모성·내열성·내한성·내약품성·전기절연성이 뛰어나 생활용품, 전기전자 제품, 항공기 구조재 등 여러 분야에서 널리 사용된다.

또한 플라스틱은 절연성을 특징으로 삼고 있었는데 분자의 조립법에 따라서는 도전성을 지니게 할 수도 있다. 앞으로는 동선(銅線)을 대신하여 특수 엔지니어링플라스틱으로 된 가벼운 전선, 코일 등이 출현할 가능성도 있다.

하지만 그 동안 사용되어 온 플라스틱도 플락스틱 개량의 추세와 무관하지는 않다. 가공법 여하에 따라서는 특수 엔지니어링플라스틱 못지않은 능력을 부여할 수가 있다. 그 대표가 폴리에틸렌으로 현재 고부가가치화의 연구가 진행되고 있다. 그리고 엔지니어링플라스틱에 속하는 소재는 유리섬유나 탄소섬유를 보강제로 삼아 능력을 더욱 끌어올릴 수가 있다.

이와 같이 엔지니어링플라스틱의 미래는 매우 밝은 것이지만, 새로운 엔지니어링플라스틱 개발에 앞서서 해결해야 할 문제가 있는데, 바로 리사이클의 문제이다.

금속이나 유리는 오랜 세월 동안에 리사이클성이 확립되어 있다. 하지만 플라스틱은 이 문제가 아직 해결되지 않고 있다. 이 문제가 해결되지 않은 채 제품생산만 이루어진다면 머지 않아 지구는 쓰레기 천지가 되고 말 것이다.

형상기억합금

形狀記憶合金

shape memory alloy

형상기억합금이란 딴 모양으로 변형시키더라도 가열에 의하여 다시 변형 전의 모양으로 되돌아오는 성질을 가진 합금을 말한다 예컨대 곧게 뻗은 형상기억합금의 막대를 코일 모양으로 구부려 놓는다. 얼마 있다가 더운물에 넣으면 마치 이전의 모양을 기억하고 있었던 것처럼 똑바로 펴진다.

이 합금의 또 하나의 특징은 강한 복원력이다. 원래의 모양으로 돌아갈 때, 변형에 소요된 힘의 5배 가량의 힘을 낸다. 형상기억 효과에는 한번 원래의 모양으로 돌아가면 그만인 것과 처음에 변형시켜 두면 온도차에 의해서 몇 번이라도 효과를 나타내는 것의 두 종류가 있는데 현제 실용화되고 있는 것은 앞의 것뿐이다.

형상기억효과를 나타내는 합금으로서는 티탄·니켈 합금이 대표적인데, 그 밖에 동계(銅系)의 합금이 연구, 개발 중에 있다. 티탄·니켈 합금은 뛰어난 특성을 지니고 있지만 가공성, 성형성, 용접성 등의 면에서 문제를 가지고 있다. 그리고 효과의 안정성, 학습성, 피로성 등의 면에서도 연구를 더욱 진행시킬 필요가 있다. 그런데 티탄·니켈 합금의 문제점은 가격이 너무 비싼 데 있다. 그래서 비교적 값싼 동계합금(銅系合金)을 실용화하는 연구가 당면과제로 남아 있다.

기억합금을 처음으로 실용화한 것은 1963년 달 표면에 세운 안테나를 니켈과 티탄의 합금으로 만들면서부터이다. 그 뒤 형상기억합금을 기계부품, 의료기기, 측정기기, 옷과 같은 여러 분야에 이용하기 위한 연구가 계속되었다. 형상기억합금을 치아 교정용 보철기에 사용할 경우, 보철기를 느슨하게 설치해도 보철기의 온도가 체온까지 올라가면 원래 모습으로 되돌아가 꽉 죄어 주는 작용을 한다.

그 밖에도 파이프의 이음쇠, 자동으로 닫히는 온실 문, 인공심장의 인공근육과 같이 그 쓰임새가 점점 늘어나고 있다. 이에 따라 새로운 종류의 형상기억합금을 계속 개발하고 있다. 특히 그 동안 개발한 형상기억합금 가운데 구리, 아연, 알루미늄으로 만든 것은 값이 싸다는 장점이 있다.

우리나라에서는 1974년부터 형상기억합금에 관한 연구를 시작했는데, 많은 연구소와 대학의 연구실에서 앞에 말한 합금 종류뿐만 아니라 철이 들어 있는 새로운 형상기억합금의 제조, 특성, 활용 방법을 연구하고 있다. 가까운 장래에 가공성, 내구성, 가격 등의 문제가 해결되면, 이 합금의 가능성은 무한할 것으로 보여진다.

수소흡장합금

水素吸藏合金

hydrogen storage alloy

손 안에 잡힐 만한 작은 병에 돌 같은 것이 들어 있다. 병 라벨에는 'Mg－5%Ni', 즉 니켈을 5% 함유한 마그네슘 합금이 붙어 있다. 중량이 불과 100g밖에 안 되는 이 합금을 380℃에서 3기압 이상의 수소 가스에 닿게 하면 수소 가스를 80ℓ나 흡수하게 된다. 한 되들이 병 45병분이다.

게다가 이 온도를 유지해 두면 흡수한 수소를 언제까지나 저장해 둘 수 있다. 따라서 필요할 때 다시 가열하든지 압력을 주면 수소를 방출한다. 수소 엔진의 연료 탱크로서의 실용화에 가장 기대되고 있는 것이 이 마그네슘과 니켈의 합금이다.

수소와 화합하는 금속이 있다는 것은 예부터 잘 알려져 있었다. 최근 수소에너지가 새 에너지로서 그 특성이 재인식되어 세계 각국에서 실용화를 향한 연구 개발이 추진중에 있다.

현재 수소의 저장과 수송은 기체인 채로 압력을 주어 탱크나 봄베에 넣는 방식으로 하고 있다. 그러나 150Kg/㎠에서 200Kg/㎠이라는 고압으로 하기 때문에 안전성이 문제가 된다. 액체수소로 만들어서 운반하는 방법도 있지만, －253℃까지 냉각시키는 에너지가 필요하여, 저장에는 값비싼 초저온 용기가 필요하다.

이와 같은 액체, 기체의 수소에 비하여 수소흡장합금은 안전하고 다루기 쉬운 등 몇 가지 장점이 있다. 수소흡장합금은 비교적 간단히 수소화할 수 있다. 합금과 접하는 수소가스의 기압을 올려주거나, 가스의 온도를 내려주면 된다. 금속수소화물로 만들면 보통 온도의 수소 가스에 비하여 체적이 1,500분의 1이 된다. 그래서 수소자동차의 연료 봄베로서 안성마춤이라는 것이다.

수소의 저장, 수송의 연구에서 합금의 갖가지 특성이 발견되어 광범한 응용의 가능성이 열리게 되었다. 금속의 수소화는 열의 이동을 수반하는 가역반응이므로, 이 반응을 이용하면 냉난방 시스템을 만들 수가 있다.

태양열 등을 수소흡장합금의 봄베에 보내면 수소를 방출한다. 방출시킨 수소를 다른 봄베에 저장해 두었다가 필요할 때에 수소흡장합금의 봄베로 보내어 흡장시키면 발열하기 때문에 송풍장치와 짝지우면 난방장치가 된다.

거꾸로 수소흡장합금에서 수소를 방출시키면 흡열반응이 일어나 냉방을 위한 냉열원이 된다. 다른 냉난방 시스템과 다른 특징은 수소흡장합금의 종류를 달리하여 여러가지 단계의 온도로 이루어진 열원을 얻을 수 있다는 점이다. 합금과 수소를 밸브 조작만으로 분리시킬 수가 있으므로 반응을 정지시켜 둘 수도 있다.

즉 열을 축적한다는 것이다. 태양 에너지의 장기축열을 위한 수소흡장합금의 이용도 개발 연구되고 있는데, 봄 동안 계속 축열해 두었다가 그 에너지를 여름 냉방에 사용하고, 또한 가을에 축열한 것을 겨울 난방에 사용하는 것도 가능하다는 것이다.

수소흡장반응에 의한 압력 변화를 응용하면 기계 에너지로서도 사용할 수 있다. 기본적으로 2개의 수소흡장합금 봄베를 잇고, 그 사이에 피스톤을 달면 된다. 한쪽의 봄베를 가열하면 두 봄베 사이에 온도차가 생겨 압력의 차가 생긴다. 그러면 가열된 봄베는 수소를 방출하고 다른 한쪽 봄베 쪽으로 계속 흡수되기 때문에 그 사이의 피스톤이 작동한다. 이 방법을 사용하면 발전 등이 아주 쉬어진다.

가열 온도를 바꿈으로써 방출되는 수소의 압력도 달라지므로 이 압력차로 콤프레서를 만들 수도 있다. 이미 가스 액화기계가 만들어지고 있다(네덜란드 필립스사). 또한 수소흡장합금에 일단 흡장되었다가 다시 방출된 수소는 순도가 높아지므로 수소의 정제에도 도움이 된다.

아모르퍼스합금

amorphous 合金

아모르퍼스를 우리말로 하면 비정질(非晶質)이라는 뜻을 가진다. 즉 '결정(結晶)이 아니다'라는 뜻이다. 결정이란 원자가 주기적인 배열을 하고 있는 것을 가리킨다. 특히 금속은 고체일 때 반드시 원자가 주기적으로 배열되어 있다.

한편 비정질(非晶質)인 고체물질도 적지 않은데, 유리는 전형적인 비정질의 예이다. 다시 말해서 원자가 제멋대로 흩어져 있는 상태이다.

인간이 금속을 사용하기 시작한 지 약 8,000년이 되는데, 금속이 열전도, 전기전도가 좋다는 성질도 결정이기 때문인 것으로 알려져 있었다. 그런데 '비결정인 금속은 만들 수 없는 것일까?' 라는 의문을 품은 금속 학자들이 있었다. 금속으로 유리처럼 각 원자가 멋대로 위치해 있는 고체를 만든다면, 대체 어떠한 물성(物性)을 나타낼까?

1960년, 미국 캘리포니아 공과대학의 P. 듀에이 교수 등은 금과 실리콘의 합금을 녹여 고압의 가스로 동판(銅板)에 분사시켜 급랭(急冷)시킴으로써 결정이 없는 금속을 만드는 데 성공하였다. 이것이 급랭에 의하여 최초로 만들어진 아모르퍼스 금속이다. 하지만 듀에이 박사가 만든 아모르퍼스 금속은 겨우 0.1g도 안 되는 얇은 박(箔)으로 실용화 같은 것은 도저히 생각지도 못했었다.

그 실용화의 실마리를 만든 것이 일본의 마쓰모토(增本) 박사이다. 금속은 고체 상태에서는 원자가 규칙적으로 배열되어 있는데, 녹이면 액체 상태가 된다. 그런데 굳어짐에 따라서 원자는 다시 원래의 배열대로 늘어서려고 한다. 그러므로 초스피드로 순간적으로 고화시켜 버려 원자에게 원래 상태로 돌아갈 시간을 주지 않는 것이다.

그런데 물보다도 금속 쪽이 열전도가 크므로 냉각된 금속의 표면에 녹인 금속을 흐르게 하는 것이 가장 좋다. 물을 사용하면 얇고 길다란 아모르퍼스 금속의 테이프가 만들어진다. 이와 같은 아이디어를 발전시켜서 고온의 녹인 금속을 고속회전하는 롤 위에 흘러 보내어 초급랭하는 방법이 현재 쓰이고 있다.

처음에는 팔라듐과 실리콘의 합금으로 아모르퍼스 금속을 만들었는데 이것은 값이 비싸므로 실용에는 적합치 않다. 그래서 철, 니켈, 코발트 등의 금속으로 실험을 되풀이하는 동안 결정구조가 흐트러지면 이제까지의 금속이 가지지 않았던 몇가지 특성이 나온다는 것을 알았다.

첫째는 강도이다. 예컨대 철의 경우 결정철의 강도는 기껏 20Kg/1㎟ 정도밖에 안 되는데, 아모르퍼스 철합금은 400Kg/1㎟ 나 되는 강도를 지닌다.

둘째, 내식성(耐蝕性, 부식에 강한 성질)과 자성(磁性)에 대하여 민감하게 반응하는 성질)이다.

셋째, 아모르퍼스는 투자율(透磁率, 재료 속을 어느만큼 자기(磁氣)가 통하기 쉬운가를 나타내는 값)이 높은 재료를 얻기 쉽다는 점이다. 예컨대 철합금의 아모르퍼스의 경우, 자기에 매우 민감하여 약한 자계(磁界)를 걸어도 즉각 반응하며, 더구나 자계를 제거하면 즉각 원래 상태로 돌아간다.

이와 같은 성질은 자계가 빈번히 변화하고, 그에 민감하게 반응해 주어야만 하는 데에서 사용하기에는 안성마춤이다. 이와 같은 자기특성(磁氣特性)이 인정되어 아모르퍼스 금속은 고성능 테이프 레코더의 자기(磁氣)헤드에 사용되고 있다. 또한 아모르퍼스 금속은 자기재료(磁氣材料) 이외의 용도에도 기대를 걸고 있다. 예컨대 핵융합이라든가 자기부상열차 등에 쓰이는 초전도재료에 아모르퍼스 금속을 사용한다는 아이디어도 나와 있다.

초전도 재료는 이에 몇 가지가 개발되어 있는데, 무르고, 가공하기 어려운 것이 문제점으로 되어 있다. 이 점에서 적당한 끈기와 탄성이 있는 아모르퍼스 금속이 유리하다는 것이다.

그리고 아모르퍼스 금속을 화학반응의 촉매로서 응용한다든지, 에너지원이 되는 수소의 저장에 이용하는 등의 연구도 진행되고 있다. 이 밖에 아모르퍼스 금속을 플라스틱이나 고무에 섞어서 강화한다든지 섬유에 섞어서 정전기 방지용 소재로 이용하는 등의 복합재료로서의 응용례도 나와 있다.

하지만 아모르퍼스는 열에 약하다는 단점이 있다. 온도가 높아지면 급속 냉동에 의해서 순간적으로 동결된 아모르퍼스 금속은 열에 의해서 다시 보통의 결정금속(結晶金屬)으로 되돌아가버린다. 일반적으로 400-500℃가 그 한계온도이다.

이 점을 극복하기 위해서는 가열해도 결정화되지 않는 합금조성(合金組成)을 찾아내는 일이 중요하며, 현재 700-800℃까지 안정된 합금도 나와 있다. 아모르퍼스 금속의 좋은 점은 녹은 상태에서 여러 가지 원소를 섞어 넣고 더구나 그 비율을 얼마든지 바꿀 수 있다는 점이다.

이런 여러 가지 장점으로 보아 아모르퍼스 합금은 앞으로 여러 가지 분야에서 널리 쓰일 것이며, 새로운 분야를 개척할 가능성이 있는 신소재이다.

복합재료

複合材料 compositer materials

복합재료란 말 그대로 종류가 다른 재료를 짝지우는 것으로서, 단독의 재료로는 얻을 수 없는 특성을 지니게 한 것이다. 고대 메소포타미아의 찰흙과 짚을 섞은 점토연화를 비롯하여, 우리 주변의 철근 콘크리트는 복합재료의 대표적인 예이다.

플라스틱에는 일반적으로 강도가 약하거나 내열성이 떨어진다는 등의 결점이 있다. 이 결점을 탄소섬유, 케블러, 글라스파이버(유리섬유) 등의 섬유와 복합시켜서 보충하는 것이 FRP(섬유강화 플라스틱)이다.

FRP는 제2차대전 중에 개발되어 지난 30여년 동안 현저하게 발전해 왔다. 가볍고 강하고 내식성(耐蝕性)이 뛰어나다는 특징을 지녀 구조재료 분야에서 널리 활용되고 있다. 보트, 낚싯대, 라켓, 욕조 등 생활 용품에도 많이 활용되고 있다.

이 중에서도 최근 복합재료의 꽃으로서 눈길을 끌고 있는 것이 케블러이다. 미국의 뒤퐁사가 1973년에 개발한 섬유로 방향족(芳香族) 폴리아미드에 속해 있다.

이것은 인장강도(引張强度)가 엄청나게 강하여, 직경 1mm의 실로 220kg의 무게에도 견딜 수 있다. 또 하나의 특성은 가볍다는 것이다. 케블러로 로프를 만들면 강철의 5분의 1의 무게면 된다. 케블러 섬유를 에폭시 수지(樹脂) 등의 플라스틱 속에 묻어 두면 케블러 강화 플라스틱이 되어 보트의 선체라든가 스키 판에 사용된다.

항공기는 가볍고 강한 것이 최대의 과제이다. 로키드 트라이스터에서는 유리섬유강화 플라스틱으로 된 모든 좌석을 케블러 강화 플라스틱으로 바꾸어 기체를 360kg 가볍게 하였다. 수하물을 포함하여 승객 4명분에 상당하는 무게이므로, 1플라이트마다 운임을 4인분 더 버는 셈이 된다.

케블러는 신축성도 있으므로 고무에 섞어 넣어서 래디얼 타이어로 쓰면 강하고, 내구성이 좋아진다. 내열성도 있어 용광로의 작업복에도 쓰이고 있다.

복합재료 중 철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운 꿈의 재료로서 오늘날 특히 주목되고 있는 것이 일본에서 개발된 탄소섬유이다. 탄소섬유는 유기섬유를 질소기류(窒素氣流) 속에서 700-1800℃로 가열해서 만든다. 섬유는 탄화(炭火)해서 결정화(結晶化)되며, 가볍고 튼튼해진다.

탄소섬유가 현재 새삼 주목을 끌고 있는 것은 NASA(미국항공우주국)가 추진하고 있는 우주기지계획에 대량 사용될 가능성이 있기 때문이다.

우주기기의 분야에서는 이미 태양전지 패널과 안테나, 레이더 등에 탄소섬유가 사용되고 있다. 로켓과 스페이스 셔틀의 적재능력에는 한계가 있으므로 인공위성 본체와 탑재 기기는 1g이라도 가벼운 것이 바람직하다.

하지만 탄소섬유는 원료에 따라 품질, 성능에 차이가 있다. 크게 나누어 PAN(폴리아크릴로니트릴)계와 피치(석유, 석탄에서 방향족계 탄화수소)계의 두 가지가 있다. 또한 인장강도, 탄성률 등의 기계적 특성치에 의해서 분류된다. 저탄성률과 고탄성률, 저강도와 고강도 넷으로 나눈다.

보통 고탄성, 고강도의 것을 고성능(HP＝하이 퍼포먼스)탄소섬유라 부르고 저탄성, 저강도의 것을 일반성능(GP＝제너럴 퍼포먼스) 탄소섬유라 부른다. 탄소섬유 복합재료의 활용분야는 광범하지만 장차 큰 수요가 예상되는 주요 분야는 항공우주기기와 자동차이다. 모두 오늘날의 2차구조재료로서의 활용에서 몸의 골격이 되는 1차구조재료로서의 활용이 기대되고 있다.

그를 위해서는 제조 기술상 두 가지의 넘어야 할 장애물이 있다. 하나는 하이 퍼포먼스, 그 중에서도 인장강도를 어떻게 높이느냐의 문제이고, 두 번째는 1kg당의 가격을 어떻게 내릴 수 있느냐의 문제이다. 오늘날 복합소재는 온갖 기기의 경량화에서 마지막 카드가 되고 있다.

원자력

원자력

原子力

원자핵 반응을 인위적으로 제어하여, 그 반응에서 얻어지는 에너지, 즉 원자핵을 구성하고 있는 양자 및 중성자의 결합상태의 변화에 따라 방출되는 에너지로서 핵에너지라고도 한다. 특히 핵분열 반응 또는 핵융합 반응에 의하여 많은 양의 에너지가 지속적으로 방출되는 경우를 원자력에너지 또는 원자력이라 부른다. 질량 수가 큰 한 개의 원자핵(우라늄－235)이 중성자를 흡수하여 핵분열을 일으키는 경우, 복합핵으로 된 뒤 곧바로 분열하여 질량 수가 거의 비슷한 두 가지의 핵분열 조각 무리로 나누어지고, 동시에 평균 2.5개의 중성자와 20만KeV(1,000전자볼트)의 에너지를 방출한다.

일반적으로 핵분열 조각은 불안정하기 때문에 방사선을 방출하면서 차례로 붕괴되어 일정한 붕괴계열을 거쳐 마침내는 안정핵종으로 된다. 이들 핵조각 및 붕괴과정에서 생긴 핵종을 핵분열 생성물이라 한다. 핵분열로 생긴 중성자를 이용하여 어느 세대의 처음에 있었던 중성자 수에 대하여 그 세대의 마지막에 있는 중성자 수의 비, 즉 증배계수가 1이 되는 임계상태를 지속적으로 유지할 수 있도록 연쇄반응을 조절, 운전하는 장치가 원자로이다. 다시 말해서 원자로는 우라늄(℃), 플루토늄(Pu), 토륨(Th) 등이 핵분열성 물질을 연료로 사용하여 그 핵분열의 연쇄반응을 제어하면서 에너지를 끄집어 내거나 강한 중성자원을 만드는 장치이다.

원자력 발전

原子力發電

핵분열 에너지를 이용하여 물을 끓여 발생시킨 수증기로 터빈발전기를 돌려서 전기를 생산하는 것이다.

원자력은 우라늄과 플루토늄 같은 무거운 원자핵이 작은 원자핵으로 분열될 때 방출되는 강력한 핵에너지로, 핵분열 반응은 우라늄이나 플루토늄의 원자핵에 중성자를 충돌시켜 일으키며 핵분열 때 동반 생성되는 2,3개의 중성자에 의하여 연쇄적인 반응을 유지하고 있다.

원자로라는 장치를 통하여 장기적으로 조금씩 에너지를 방출하도록 통제하는데 이 점이 원자력 발전의 특징이다. 또한 원자력은 핵분열 때에 일어나는 질량결손이 직접 에너지로 변환되어 방출되므로 일반 화학에너지에 비하여 효율이 매우 커서 1㎏의 우라늄은 260만t의 석탄 또는 91만ℓ의 석유와 맞먹는 에너지를 발생한다. 현재 100만kW 이상의 발전능력을 가진 대형 원자로가 개발되어 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 상업용 원자로는 가압경수로, 비등경수로, 가압중수로, 고온가스로 등이 있다.

원자력 발전이 사회 전반에 주는 이익은 연료비가 월등하게 저렴하고 신뢰성이 우수하여 다른 발전 방식과 비교할 때 전력생산비용이 매우 적게 든다는 데에 있다. 또한 현재로서는 별다른 이용도가 없는 우라늄을 최대한 이용함으로써 이용도가 다양한 석탄·석유자원을 미래를 위하여 보존한다는 의의도 있으며, 석탄·석유가 연소되면서 발생하는 대기오염의 문제점을 해결하여 환경정화에도 일익을 담당함으로써 무공해 에너지 공급원으로도 촉망받고 있다.

우리나라는 에너지 자원이 부족하여 대부분을 수입에 의존하고 있으므로 에너지원의 안정된 공급은 에너지 자립이라는 측면에서 매우 중요한데, 석탄·석유의 저장능력이 수주일밖에 안되는 데 비하여 원자력의 핵연료는 필요 물량이 적어서 수년분의 연료를 어렵지 않게 확보, 저장할 수 있어서 안정된 에너지 공급원이 될 수 있다는 장점이 있다.

현재 개발 과정에 있는 고속증식로가 상업화되면 핵연료 물질의 자체 증식을 이룩하여 핵주기의 독립성과 핵연료 이용의 효율성을 높이게 되며, 2000년대 이후 핵융합을 이용한 원자력 발전이 현실화되면 에너지 공급의 영원한 해결점을 찾게 될 것이다.

원자로

原子爐

원자로는 사용목적에 따라 중성자를 쬐어서 방사성 동위원소를 만들거나 물질의 구조 등을 조사하는 연구로, 원자력 발전이나 선박용 동력을 목적으로 한 동력로로 나누어진다. 한편, 원자로는 이용하는 중성자가 가지는 에너지에 따라 열중성자로(熱中性子爐)와 고속중성자로(高速中性子爐)로 구분된다.

열중성자로는 핵연료, 중성자를 감속시켜 열중성자로 만드는 감속재, 발생한 열에너지를 끄집어내는 냉각재, 중성자를 흡수하여 연쇄반응을 적당히 제어하여 원자로 출력을 조절하는 제어봉으로 구성되어 있다.

특히 고속중성자로는 어미물질(우라늄－238)에서 핵분열성 물질(플루토늄－239)을 만들어내는, 이른바 증식도 할 수 있기 때문에 일반적으로 고속증식로라고 부르고 있다. 원자력 발전은 원자로 내에서 핵분열로 발생한 열을 이용하여 증기를 만들고, 이 증기로 터빈을 돌려 발전시킨다.

발전용 원자로도 열중성자로와 증식로로 구분되고 열중성자로는 사용하는 냉각재와 감속재에 따라 경수로(輕水爐)와 중수로(重水爐)로 나누어지며 경수로는 다시 가압수형(加壓水型)과 비등수형(沸騰水型)으로 나누어진다.

현재 실용로로서 세계에서 가장 많이 운전되고 건설중인 것은 가압수형 경수로이다. 발전용 고속증식로는 개발중에 있으며 2000년대 이후에 그 실용화가 기대되고 있다. 우리나라 원자력 발전소는 1990년 말 당시 9기가 가동되고 있으며 총발전 용량은 730만kW이다. 우리나라 총전기 발전량의 36%를 차지하고 있다.

동위원소

同位元素

원소에는 양자 수는 같지만 중성자 수가 다른, 즉 질량 수가 다른 원자핵을 가지는 동위원소가 있다. 예를 들면 수소에는 수소(H－1)·중수소(H－2)·3중수소(H－3)의 세 가지 동위원소가 있다.

이와 같은 하나하나의 동위원소의 원자핵을 핵종이라 한다. 핵종 중에서 방사선(α선·β선·γ선·X선·중성자선 등)을 가지는 것을 방사성 핵종이라 한다. 3중수소는 방사성 동위원소(라디오아이소토프, RI)이다.

원자로 내에서의 핵분열이나 입자가속기에 의한 핵반응으로 만들어지는 방사성 동위원소나 이들 방사성 핵종에서 방출되는 방사선은 공업·의학·농학 등 여러 분야에서 이용된다. 공업적 이용에는 가속기의 전자선을 이용한 방사선 가공으로 전선피복 고분자의 가교(架橋), 내열성 튜브·테이프의 제조, 가교발포 폴리에틸렌, 페인트 칠한 막의 경화, 목재플라스틱의 제조 등이 있고, 코발트(Co－60) 등의 방사성 동위원소 선원을 이용한 주사기 등 의료기구의 멸균, 콘크리트폴리마의 복합재, 그리고 식품에 방사선을 쬐어 발아의 방지, 살충·살균 등을 하는 식품조사가 있다. 물체 또는 물질의 이동이나 변화의 경과를 측정하기 위한 라디오아이소토프의 이용에는 흐름·누설·마모 등을 측정하는 물리적 트레이서(추적자)·확산·흡착 현상 등을 조사하는 화학적 트레이서 및 진단, 검사에 이용되는 의학적 트레이서가 있다.

응용계측과 분석기기에의 이용으로는 두께계·레벨계·밀도계·수분계·가스크로마토그래피 등이 있고, 금속의 용접부, 구조물 내부의 결함을 비파괴 검사하는 방사선투과 사진촬영 시험법이 있다.

핵융합

核融合

핵융합은 핵분열의 경우와는 반대로 질량 수가 작은 원자핵이 서로 충돌, 융합하는 원자핵 반응이다. 대표적인 핵융합 반응은 중수소(H－2 또는 D)와 3중수소(H－3 또는 T)의 반응, 중수소와 중수소끼리의 반응이다.

이 반응을 일으키기 위해서는 원자를 고온의 플라스마(전리기체) 상태로 유지시켜, 원자핵간에 작용하는 쿨롱반발력 이상의 에너지를 주어 원자핵끼리 충돌시키면서 이온의 밀도 또는 가둠시간을 어느 정도 이상 유지시켜야 한다.

핵융합 반응을 인공적으로 제어하는 것이 핵융합로이다. 핵융합로가 성립하기 위하여서는 어떤 물리적인 조건, 즉 임계플라스마 조건이 필요하다. 이것은 플라스마 온도와 플라스마 밀도×가둠시간과의 관계로 나타낸다.

핵융합로에서 발생하는 대량의 고에너지 중성자는 감속재에 의하여 열에너지로 변환되기 때문에, 이 열을 냉각재를 이용하여 외부로 끄집어내어 동력원으로 이용할 수 있다. 이들 핵융합 반응을 발생, 제어하기 위한 각종 임계플라스마 시험장치 및 핵융합로의 개념설계는 21세기 초의 실용화를 목표로 현재 미국·러시아·일본·프랑스 등 각 선진국에서 연구개발에 힘쓰고 있으며, 핵융합노심 플라스마 형식으로는 토카막형·밀러형·레이저형 등이 있는데, 현 시점에서는 토카막형이 가장 앞서고 있다.