소재 과학의 혁신은 우리가 의존하는 제품을 더 강력하고 안전하며 지속 가능하게 만드는 데 중요한 역할을 합니다. 2025년 주목해야 할 신흥 트렌드 기사에서 언급했듯이, 소재 과학의 발전은 소비재, 건축, 건설, 에너지 등 전 분야에 걸쳐 개선을 주도하고 있습니다. 이러한 발전 중 일부는 최근까지 공상과학으로 여겨졌던 영역에까지 닿아 있으며, 이러한 과학적 돌파구는 현실이 되어 우리가 생활하고 일하는 공간과 사용하는 제품을 개선하고 있습니다.
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다우(Dow)의 4월 24일 웨비나 패널 녹화본을 시청해 보세요. 해롤드 분(Dr. Harold Boone) 박사와 CAS의 레이튼 존스(Leighton Jones) 및 자넷 사소(Janet Sasso)가 더 넓은 과학적 발전 맥락에서 이러한 트렌드에 대해 논의했습니다.
무선 통신 등을 개선하는 메타물질
컴퓨터 설계 및 시뮬레이션, 3D 프린팅, 리소그래피, 에칭 기술의 발전으로 자연계에서는 발견되지 않는 특성을 지닌 인공 설계 물질인 메타물질을 다양한 용도로 제작할 수 있게 되었습니다. 메타물질의 구조적 배열은 고유한 특성을 생성하며, 과학자들이 이러한 구조를 설계하고 조작하는 방식이 개선됨에 따라 새로운 활용 분야가 열리고 있습니다.
금속, 유전체, 반도체, 폴리머, 세라믹, 나노물질, 생체재료 및 복합재료는 메타물질을 구성하는 기본 소재입니다. 과학자들은 구조를 정밀하게 조정함으로써 음의 굴절률, 전자기파 조작 능력, 맞춤형 전기 및 자기 유전율, 음향 및 지진파 조작 능력과 같은 특성을 가진 메타물질을 생산할 수 있습니다.
종종 나노 규모에서 변화가 일어나는 이러한 특성은 5G 네트워크 개선과 같은 메타물질의 새로운 용도를 이끌어냅니다. 5G에 사용되는 밀리미터파(mmWave)는 도달 범위가 제한적이며 구조물에 의해 쉽게 차단됩니다. 안테나에 내장된 메타물질은 안테나 효율과 대역폭을 높여 수신 성능을 향상시킬 수 있습니다. 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)은 5G 신호를 반사 및 굴절시켜 건물 내 신호 수신을 개선합니다. 메타물질로 5G 수신을 개선하면 더 많은 기지국을 건설하는 비용을 절감하고 누구나 빠른 신호를 더 쉽게 이용할 수 있게 됩니다.
메타물질의 기타 주목할 만한 새로운 응용 분야는 다음과 같습니다.
- 지진 보호: 메타물질은 감쇠를 통해 지진파의 강도를 줄이고 구조물을 통한 전파를 차단하여 손상으로부터 보호할 수 있습니다. 강철 및 탄소 섬유 강화 폴리머와 같은 이중 등급 메타물질이 이 용도로 효과적으로 사용되었습니다. 건설에 이러한 메타물질을 포함하면 지진대에서 중요한 안전 개선을 이룰 수 있습니다.
- 의료 영상: 메타물질은 개선 MRI 기기의 신호 대 잡음비를 높여 고해상도 영상을 구현합니다. 또한 다른 장기가 원치 않는 전자기 방사선을 흡수하지 않도록 차폐하는 데 도움을 줍니다. 비자성 황동 와이어로 만든 메타표면은 MRI 영상에서 스캐너 감도, 신호 대 잡음비 및 영상 해상도를 향상시키는 것으로 나타났습니다.
- 투명 망토: 다양한 메타물질의 전자기적 특성을 정밀하게 제어함으로써 빛의 파동을 물체 주변으로 우회시켜 물체가 없는 것처럼 보이게 할 수 있습니다. 예를 들어, 디랙 원뿔 분산(Dirac cone dispersions)을 가진 유전체 광결정으로 구성된 고투명 메타표면을 사용하면 불가능해 보이던 투명 망토를 현실로 만들 수 있습니다.
- 에너지 수확: 메타물질의 고유한 특성은 전자기파, 음파, 심지어 기계적 진동과 같은 다양한 형태의 주변 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있습니다. 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 기반 메타물질은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있으며, 진동을 격리하는 추가적인 이점도 있습니다.
건물의 탈탄소화를 개선하는 복합 소재
지구 온난화가 심화됨에 따라 실내 환경을 쾌적하게 유지하기 위해 더 많은 에어컨이 필요해지고 있습니다. 동시에 태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지원의 사용이 증가함에 따라, 햇빛이 없거나 바람이 불지 않는 시간대의 최대 수요를 충족할 수 있는 에너지 저장이 필요합니다.
열 배터리라고도 불리는 열 에너지 시스템은 건물 냉난방의 효율성과 열전도율을 개선하고 재생 에너지 생산을 극대화하기 위해 점점 더 상용화되고 있습니다. 이러한 시스템의 핵심 구성 요소는 열 에너지 저장 매체, 단열재 및 열교환기입니다.
열 저장 매체의 예로는 물, 벽돌 또는 콘크리트, 세라믹, 흑연, 금속 산화물 또는 용융염이 있으며, 이들은 모두 저장을 위한 높은 열용량을 가지고 있습니다. 이러한 시스템은 또한 고체에서 액체로 상태가 변하면서 열을 저장하는 상변화 물질을 사용할 수 있습니다. 파라핀 왁스, 염 수화물, 지방산, 폴리에틸렌 글리콜, 글라우버염은 열 에너지 저장에 사용되는 상변화 물질의 예입니다. 마지막으로, 이러한 시스템은 수분 손실과 같은 가역적 화학 반응을 유도하여 열을 저장하는 물질을 사용할 수 있습니다. 이러한 공정을 위한 혁신적인 열화학 물질로는 제올라이트, 금속 수소화물, 수산화물이 있습니다.
또한 에어컨 솔루션을 위해 수계 열 저장 물질을 사용하는 열 에너지 저장 시스템도 볼 수 있습니다. 이 시스템은 전기 요금이 가장 비싼 시간대에 최소한의 전력을 사용하여 건물을 냉방함으로써 에너지 비용을 절감하면서도 쾌적한 실내 환경을 유지합니다. 상변화 물질은 현재 온수기 및 심지어 산업 공정에 필요한 고열을 위한 열 에너지 저장 시스템에도 동력을 공급하고 있습니다. 이는 배출량 감축에 어려움을 겪고 있는 중공업 분야의 탈탄소화에 기여할 수 있습니다.
단순한 단열재를 넘어: 새로운 응용 분야를 찾는 에어로젤
"얼어붙은 연기"라고도 불리는 에어로젤은 1931년에 처음 발견된 높은 다공성의 경량 소재입니다. 최근의 새로운 발견들로 인해 이 소재들의 내구성이 향상되면서 더 다양한 분야에 활용될 수 있게 되었습니다. 에어로젤은 젤의 액체 성분을 기체로 대체하여 젤의 구조적 무결성을 유지하는 방식으로 합성됩니다. 이는 오늘날 100nm 미만의 기공과 최대 99.8%의 빈 공간으로 구성된 견고하고 초경량인 수지상 미세구조를 형성할 수 있는 새로운 건조 방식을 통해 구현됩니다.
실리카 에어로젤은 단열 및 방음 분야에서 광범위하게 사용되어 왔습니다. 그러나 합성 고분자 에어로젤은 실리카 기반 에어로젤보다 기계적 강도가 뛰어나 에너지 저장 및 변환 응용 분야에 더 적합합니다. 바이오 기반 고분자 에어로젤은 조직 공학, 재생 의학, 약물 전달 시스템과 같은 생의학 분야를 위해 설계될 수도 있습니다. 또한 MXene과 금속-유기 골격체(MOF)로 만든 에어로젤 복합체는 기존 슈퍼커패시터를 능가하는 뛰어난 전기 전도성, 기계적 견고성 및 비정전용량을 나타냅니다.
단열재를 넘어선 에어로젤의 새로운 응용 분야는 다음과 같습니다:
- 생의학 공학, 에어로젤이 약물 전달, 상처 치유제, 항산화제, 조직 지지체 등에 사용되고 있습니다.
- 에너지 저장, 충전식 배터리, 슈퍼커패시터, 연료 전지 등 다양한 용도로 활용됩니다.
- 환경 복원, 에어로젤의 높은 다공성, 가벼움, 친환경성 덕분에 기름 유출 사고 방제와 같은 목적에 이상적입니다.
The number of aerogel characteristics and applications is truly remarkable. You might even see aerogels in your sunscreen, as the cosmetics industry increasingly utilizes these materials as UV protection agents. Composite aerogels of TiO2-silica have photoprotective properties, and adding them to sunscreen formulations increases the SPF factor beyond what conventional formulations can reach today. They are also water-resistant, have a matte effect on the skin, and do not leave a white cast after application.
배출량을 줄이는 건설 분야의 스마트 소재
건물 운영은 전 세계 에너지 사용량의 30%를 차지합니다. 건설 과정에서도 상당한 배출량이 발생하는데, 콘크리트는 전 세계 배출량의 약 8%를 차지하며 물 다음으로 세계에서 두 번째로 많이 사용되는 재료입니다. 더 오래 지속되고 생산에 더 적은 전력이나 열이 필요한 혁신적인 재료를 사용함으로써 건설 업계는 탈탄소화 속도를 높일 수 있습니다. 또한 기존 건물의 냉난방 효율을 높일 수 있는 재료는 건물 부문 전체의 배출량을 줄이는 데 중요할 것입니다.
자기 치유 콘크리트와 일렉트로크로믹 윈도우는 스마트 건축 자재의 중요한 두 가지 사례로, 이론에서 실용 단계로 넘어가고 있으며 건설과 같이 탄소 감축이 어려운 분야의 배출량을 제어하는 데 기여할 준비가 되어 있습니다. 콘크리트는 본질적으로 균열이 생기기 쉬우며, 이를 보수하거나 교체하는 과정은 탄소 배출 집약적입니다. 치유제와 캡슐화 기술의 혁신으로 자기 치유 콘크리트가 가능해졌습니다. 예를 들어, 바실리스크(Basilisk)는 산소와 물에 노출되면 석회석을 생성하는 세 가지 박테리아(바실러스 서브틸리스, 바실러스 슈도피르무스, 바실러스 스파에리쿠스)를 사용합니다. 이 혼합물이 포함된 콘크리트에 균열이 생기면 환경 속의 산소와 수분이 박테리아의 석회석 생성을 유도하여 균열을 치유합니다. 실리콘 기반의 돌파구들 또한 발수성 콘크리트 혁신을 이끌고 있습니다.
건설 과정을 넘어, 새로운 재료 과학 응용 분야는 건물의 생애 주기 탄소 발자국을 개선하는 데도 도움을 주고 있습니다. 일렉트로크로믹 윈도우 필름을 사용하는 스마트 윈도우 기술은 빛을 차단하여 건물의 에너지 사용량을 줄일 수 있습니다. 삼산화 텅스텐과 산화 니켈은 일렉트로크로믹 윈도우에 사용되는 대표적인 일렉트로크로믹 재료입니다. 고분자 분산형 액정(PDLC) 필름에 전기장을 가하면 분자 배열이 질서 정연하게 바뀌어 투명도가 조절되며, 이를 통해 빛을 차단하거나 투과시켜 불투명하거나 투명한 창문을 만들 수 있습니다.
더 나은 지속 가능한 소비재를 제공하는 대나무
대나무의 사용은 수 세기 전으로 거슬러 올라가지만, 최근의 가공 및 공학적 발전은 대나무가 여러 산업 분야에서 순수 고분자를 대체할 수 있는 지속 가능한 대안임을 입증하고 있습니다. 더 지속 가능한 재료에 대한 수요가 증가함에 따라 대나무 제품 시장은 2025년 약 730억 달러에서 2034년에는 1,110억 달러 이상으로 성장할 것으로 전망됩니다.
대나무는 지속 가능한 자원입니다. 나무보다 빠르게 자라고 지속적으로 재생되며 대부분의 나무보다 더 많은 탄소를 흡수합니다. 대나무는 기계적 특성, 특히 강도를 향상시키기 위해 생분해되지 않는 합성 고분자와 결합되는 경우가 많습니다. 대나무 섬유와 열경화성 및 열가소성 수지의 복합체는 기존 고분자보다 인장 강도, 탄성 계수, 연신율과 같은 기계적 특성이 비슷하거나 더 우수함을 보여줍니다. 특히 페놀-포름알데히드 및 에폭시와 같은 열경화성 고분자와 대나무 섬유로 만든 새로운 복합체가 가장 뛰어난 기계적 특성을 나타냅니다. 탈수 후 실리콘이나 폴리에스터와 같은 고분자를 주입하는 플라스티네이션(Plastination) 공법 또한 대나무의 내구성을 높여줍니다.
최근 연구에 따르면 바이오 고분자인 폴리락트산(PLA)을 대나무 섬유 분말 및 실리카 에어로젤과 결합하면 폴리락트산 단독 사용 대비 인장 강도와 영률(Young's modulus) 같은 기계적 특성이 향상되고 수증기/산소 차단 효과가 개선된 복합체가 만들어진다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 향상된 기계적 특성은 지속 가능한 포장재 분야에 활용될 잠재력이 있습니다.
대나무의 광범위한 채택에 있어 공급과 수요의 격차는 지속적인 과제입니다. 그러나 최근의 생명공학적 발전(시험관 번식 및 조직 배양 등)은 자원 남용을 방지하면서도 대나무 생산을 더욱 효과적이고 안정적으로 만들고 있습니다. 가구, 포장재, 개인 위생용품, 의류 등으로 대나무 제품 시장이 확대됨에 따라, 이 소재는 소비자에게 더 지속 가능한 제품을 제공하는 데 있어 점점 더 중요해질 것입니다.
성능, 안전성, 편안함을 향상시키는 열 적응형 직물
고온에서 운동하는 운동선수든 위험한 환경에 처한 소방관이든, 의류는 우리가 편안하고 안전하게 최상의 기량을 발휘할 수 있도록 돕는 데 중요한 역할을 합니다. 열 적응형 섬유의 혁신은 고분자, 에어로젤, 스마트 복합체 덕분에 이러한 기능을 지원하고 있습니다.
오늘날의 적응형 직물은 단열, 수분 관리, 동적 기공 크기 조절, 열변색성, 복사열 수집 등을 활용하여 다양한 환경 조건에 더 잘 반응하도록 만들어집니다. 최신 발전 사항은 다음과 같습니다:
- 광학 변조: 새로운 직물은 온도 변화에 반응하여 빛 흡수량을 조절할 수 있습니다. 그래핀, 그래핀-유리 섬유 직물, 폴리아크릴로니트릴 나노섬유가 효과적인 것으로 입증되었습니다. 광학 직물은 심미적으로도 뛰어나며 광치료 및 활력 징후 감지에 사용될 수 있습니다.
- 열 반응성 소재: 형상 기억 고분자, 친수성 고분자, 마이크로 캡슐화된 상변화 물질은 온도 변화에 따라 모양과 구조가 변합니다. 이들은 직물 기공을 통과하는 공기와 수분의 양을 조절하여 착용자의 체온을 높이거나 낮춥니다.
- 열변색성 소재: 액정, 안료, 열변색성 고분자를 사용하여 이 소재들은 온도에 따라 색상이 변하며 직물이 흡수하는 빛의 양을 조절합니다. 이러한 직물은 더 밝은 색으로 변해 착용자의 열을 반사하거나 군사 위장을 위해 색상을 바꿀 수 있습니다.
- 전도성 고분자: 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜 및 그 유도체인 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜)과 같은 고분자는 열과 전기를 전도할 수 있습니다. 이들은 체열을 효과적으로 발산하여 온도를 조절하는 데 도움을 줍니다. 은 나노와이어나 질화 붕소와 같은 소재 또한 직물에서 효과적인 열 발산을 통해 온도를 조절할 수 있습니다.
CAS는 화학, 물리학, 공학이 교차하는 재료 과학 분야의 새로운 혁신을 지속적으로 주시하고 있습니다. 과학 정보에 대한 세계 최대 규모의 인간 큐레이션 저장소인 CAS Content CollectionTM을 통해 전 세계의 최신 저널 및 특허 출판물을 끊임없이 분석합니다. 이를 통해 최신 혁신 기술과 어떤 돌파구가 상용화 단계에 도달하고 있는지에 대한 독보적인 통찰력을 얻고 있습니다.
