재료 과학의 혁신은 우리가 의존하는 제품을 더 강력하고 안전하며 지속 가능하게 만드는 데 중요한 역할을 합니다. 2025년에 주목해야 할 새로운 트렌드 기사에서 언급했듯이 재료 과학의 발전은 소비재, 건물, 건설, 에너지 등의 분야에서 개선을 주도하고 있습니다. 이러한 발전 중 일부는 최근 공상 과학 소설로 여겨지는 영역에까지 도달했지만, 이러한 과학적 혁신은 우리가 생활하고 일하는 공간과 우리가 사용하는 제품을 개선하면서 현실이 되고 있습니다.
4월 24일 웨비나 패널에서 Dow의 Harold Boone 박사와 CAS의 Leighton Jones, Janet Sasso가 과학 발전의 더 넓은 맥락에서 이러한 추세에 대해 논의한 녹화본을 시청하세요.
무선 통신 및 기타 분야를 개선하는 메타물질
컴퓨터 설계 및 시뮬레이션, 3D 프린팅, 리소그래피, 에칭의 발전으로 다양한 응용 부문을 위한 다양한 메타물질(자연에서 찾을 수 없는 특성을 가진 인공적으로 설계된 재료)의 제작이 가능해졌습니다. 이들의 구조 배열이 메타물질의 고유한 성질을 생성하며, 과학자들이 이러한 구조를 설계하고 조작하는 방법의 개선은 새로운 용도로 이어지고 있습니다.
금속, 유전체, 반도체, 폴리머, 세라믹, 나노소재, 생체소재, 복합재료는 메타물질을 만드는 데 사용되는 기본 재료입니다. 과학자들은 구조를 정밀하게 조정하여 음의 굴절률, 전자기 방사 조작 능력, 맞춤형 전기 및 자기 유전율, 음향 및 지진파 조작 능력과 같은 특성을 가진 메타물질을 생산할 수 있습니다.
이러한 성질은 종종 나노스케일에서 변화하며, 5G 네트워크 개선과 같은 메타물질의 새로운 용도를 주도합니다. 5G에 사용되는 mmWave는 범위가 제한적이며 구조에 의해 쉽게 차단됩니다. 안테나에 내장된 메타물질은 안테나 효율과 대역폭을 높여 수신율을 향상시킬 수 있습니다. RIS(재구성 가능한 지능형 표면)는 5G 신호를 반사 및 굴절시켜 건물 내에서 더 나은 신호 수신이 가능하도록 합니다. 메타물질을 사용하여 5G 수신을 개선하면 더 많은 기지국을 건설하는 비용이 절감되고, 모든 사람이 빠른 신호 수신을 더 쉽게 이용할 수 있습니다.
메타물질의 다른 주목할 만한 새로운 응용 부문은 다음과 같습니다.
- 지진 보호: 메타물질은 지진파의 강도를 감쇠시키고 구조 내에서의 전파를 저항하여 손상으로부터 보호할 수 있습니다. 이 용도에는 강철과 탄소 섬유 강화 폴리머와 같은 이중등급 메타물질이 효과적으로 사용되었습니다. 이러한 메타물질을 건축에 포함하면 지진 발생 지역의 안전을 크게 개선할 수 있습니다.
- 의료 영상: 메타물질은 MRI 기계의 신호 대 잡음비를 향상시켜 더 높은 해상도의 이미지를 제공합니다. 또한 다른 장기가 원치 않는 전자기 방사선을 흡수하지 않도록 보호하는 데 도움이 됩니다. 비자성 황동 와이어로 구성된 메타표면은 MRI 영상에서 스캐너 감도, 신호 대 잡음비, 이미지 해상도를 향상시키는 것으로 나타났습니다.
- 투명 망토: 다양한 메타물질의 전자기 성질을 정밀하게 제어하여 물체 주위의 광파를 우회시켜 마치 물체가 없는 것처럼 보이게 할 수 있습니다. 예를 들어, 디락 원뿔 분산이 있는 유전체 광자 결정이 있는 고투명 메타표면을 사용하면 불가능해 보이는 투명 망토를 현실로 만들 수 있습니다.
- 에너지 하베스팅: 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 으며, 진동을 차단하는 추가적인 이점도 있는 것으로 밝혀졌습니다.
건물 탈탄소화를 개선하는 여러 재료
세계가 점점 더 따뜻해짐에 따라, 실내 환경을 쾌적하게 유지하기 위해 더 많은 에어컨이 필요합니다. 동시에 태양열 및 풍력과 같은 재생 에너지원의 사용 증가로 인해 맑거나 바람이 부는 조건과 일치하지 않는 피크 수요 시간대에 에너지 공급을 극대화할 수 있는 에너지 저장이 필요합니다.
열 에너지 시스템(열 배터리라고도 함)은 건물의 난방 및 냉방 효율성과 열 전도도를 개선하고 재생 에너지 발전을 활용하기 위해 점점 상용화되고 있습니다. 이러한 시스템의 핵심 구성 요소는 열 에너지 저장 매체, 단열재, 열교환기입니다.
열 저장 매체의 예로는 물, 벽돌 또는 콘크리트, 세라믹, 흑연, 금속 산화물, 용융 염이 있으며, 모두 높은 열용량을 가지고 있습니다. 이러한 시스템에는 고체에서 액체로 변화하여 열을 저장하는 상변화 물질을 사용할 수도 있습니다. 파라핀 왁스, 소금 수화물, 지방산, 폴리에틸렌 글리콜, 글라우버 소금 등이 열 에너지 저장에 사용되는 상변화 물질의 예입니다. 마지막으로, 이러한 시스템은 수분 손실과 같은 가역적 화학 반응을 통해 열을 저장하는 물질을 사용할 수 있습니다. 이러한 공정을 위한 혁신적인 열화학 물질에는 제올라이트, 금속 수소화물, 그리고 수산화물이 포함됩니다.
또한, 에어컨 솔루션에 물 기반 열 저장 소재를 사용하는 열 에너지 저장 시스템도 있습니다. 이 시스템은 전기 요금이 최고조에 달하는 시간에 아주 적은 전력으로 건물을 냉방하여 에너지 비용을 절감하면서 건물의 쾌적함을 유지합니다. 또한 상변화 물질은 이제 온수기 및 고열을 필요로 하는 산업 공정의 열 에너지 저장 시스템에 전력을 공급하고 있습니다. 이는 배출량 감축에 어려움을 겪고 있는 중공업의 탈탄소화에 도움이 될 수 있습니다.
단열재 그 이상: 에어로겔의 새로운 응용 부문
"얼어붙은 연기"라고도 하는 에어로겔은 1931년에 처음 발견된 가벼운 다공성 소재입니다. 새로운 발견으로 인해 이러한 재료는 더 내구성이 강해지고, 따라서 더 많은 응용 부문에 적합해지고 있습니다. 에어로겔은 액체 성분이 가스로 대체되는 겔에서 합성되어 겔의 무결성을 유지합니다. 이는 100nm보다 작은 기공과 최대 99.8%의 빈 공간을 가진 견고하고 초경량 수지상 미세 구조를 형성할 수 있는 새로운 건조 방법을 통해 달성되었습니다.
실리카 에어로겔은 단열 및 방음에 광범위하게 사용되어 왔습니다. 그러나 합성 폴리머 에어로겔은 실리카 기반 에어로겔보다 기계적 강도가 더 우수하며 에너지 저장 및 변환 응용 부문에 더 적합합니다. 바이오 기반 폴리머 에어로겔은 조직 공학, 재생 의학, 약물 전달 시스템과 같은 생물의학 응용 부문에 설계될 수 있습니다. 또한 MXene과 금속-유기 프레임워크(MOF)로 만든 에어로겔 복합체는 전도성, 기계적 견고성, 그리고 기존 슈퍼커패시터 전극 재료를 능가하는 특정 비정전 용량을 보여줍니다.
단열재를 넘어 에어로겔의 새로운 응용 부문은 다음과 같습니다.
- 생체의학 공학에서는 에어로겔이 약물 전달, 상처 치유제, 항산화제, 조직 골격 등으로 사용되고 있습니다.
- 에너지 저장에서는 충전식 배터리, 슈퍼커패시터, 연료 전지 등 다양한 용도의 응용 부문이 포함됩니다.
- 환경 복원에서는 에어로겔의 높은 다공성, 가벼움 및 친환경성으로 인해 기름 유출 정화와 같은 목적에 이상적입니다.
에어로겔의 특성과 응용 부문은 정말 놀라울 정도로 다양합니다. 화장품 산업에서 자외선 차단제로 에어로겔을 점점 더 많이 활용하고 있기 때문에 자외선 차단제에서 에어로겔을 볼 수도 있습니다. TiO2-실리카 복합 에어로겔은 광 보호 특성을 가지고 있으며, 이를 자외선 차단제 제형에 추가하면 기존 제형이 오늘날 도달할 수 있는 것보다 SPF 지수를 초과하여 증가시킵니다. 또한 방수 기능이 있고 피부에 매트한 효과를 주며 도포 후 백탁 현상이 남지 않습니다.
건설 응용 부문에서 배출을 줄이는 스마트 소재
운영 중인 건물은 전 세계 에너지 사용량의 30%를 차지합니다. 또한 건축물은 상당한 배출을 발생시킵니다. 콘크리트는 전 세계 배출량의 약 8%를 차지하며, 물 다음으로 세계에서 두 번째로 많이 사용되는 재료입니다. 오래 지속되고 생산에 필요한 전력이나 열이 덜 드는 혁신적인 재료를 사용함으로써 건설 산업은 탈탄소화 속도를 높일 수 있습니다. 또한 기존 구조를 더 효율적으로 난방하거나 냉각할 수 있는 재료는 전체 건물 부문의 배출량을 줄이는 데 중요합니다.
스마트 건축 재료의 중요한 두 가지 예인 자가 치유 콘크리트 와 전기 변색 창은 이론에서 실용으로 전환되고 있으며, 건설과 같은 감축이 어려운 부문에서 배출을 제어하는 데 기여할 준비가 되어 있습니다. 콘크리트는 자연적으로 균열이 생기기 쉬우며 콘크리트를 수리하거나 교체하는 것은 배출이 많이 발생합니다. 치유제와 캡슐화 혁신 기법이 자가 치유 콘크리트를 가능하게 하고 있습니다. 예를 들어, Basilisk는 산소와 물에 노출되면 석회석을 생성하는 세 가지 박테리아(Bacillus subtilis, Bacillus pseudofirmus 및 Bacillus sphaericus)를 사용합니다. 이 혼합물이 포함된 콘크리트에 균열이 생기면 환경의 산소와 수분이 박테리아의 석회석 생성을 유발하여 균열을 치유합니다. 실리콘 기반의 획기적인 기술은 소수성 콘크리트 혁신도 주도하고 있습니다.
건설 과정 외에도 새로운 재료 과학 응용 부문은 건물의 수명 주기 탄소 발자국을 개선하는 데도 도움이 됩니다. 전기 변색 창 필름을 사용하는 스마트 창 기술은 빛을 차단하여 건물의 에너지 사용을 줄일 수 있습니다. 삼산화 텅스텐과 니켈 산화물은 전기 변색 창에 사용되는 전기 변색 재료 중 일부입니다. 고분자 분산 액정(PDLC) 필름에 전기장을 가하면 분자의 배열이 질서정연하게 변화하여 투명성을 생성하고, 빛을 차단하거나 투과시켜 불투명하거나 투명한 창을 만듭니다.
더 나은, 지속 가능한 소비재를 제공하는 대나무
대나무의 사용은 수세기 전으로 거슬러 올라가지만, 최근 가공 및 엔지니어링 분야의 발전으로 대나무가 다양한 산업 분야에서 활용되는 순수 폴리머의 지속 가능한 대안이 될 수 있다는 사실이 입증되고 있습니다. 지속 가능한 소재에 대한 수요가 증가함에 따라 대나무 제품 시장은 2025년 약 730억 달러에서 2034년에는 1,110억 달러 이상으로 성장할 것으로 예상됩니다.
대나무는 지속 가능한 자원입니다. 나무보다 빠르게 자라고, 지속적으로 재생되며, 대부분의 나무보다 더 많은 탄소를 흡수합니다. 기계적 특성, 특히 강도를 향상시키기 위해 비생분해성 합성 폴리머와 결합하는 경우가 많습니다. 대나무 섬유와 열경화성 및 열가소성 플라스틱의 복합재는 인장 강도, 탄성률 및 연신율과 같은 기계적 특성이 모 폴리머와 비슷하거나 더 우수한 것으로 나타났습니다. 특히 대나무 섬유와 페놀-포름알데히드 및 에폭시와 같은 열경화성 폴리머로 만든 새로운 복합체는 최고의 기계적 특성을 보여줍니다. 탈수 및 실리콘과 폴리에스테르와 같은 폴리머 주입을 포함하는 가소화는 대나무의 내구성을 높여줍니다.
최근 연구에 따르면 바이오 고분자 폴리락트산을 대나무 섬유 분말 및 실리카 에어로겔과 결합하면 인장 강도 및 영탄율과 같은 기계적 특성이 개선되고 폴리락트산에 비해 수증기/산소 차단 효과가 더 뛰어난 복합체가 만들어집니다. 이러한 개선된 기계적 특성은 지속 가능한 패키징에 잠재적으로 적용될 수 있습니다.
대나무의 광범위한 채택에 있어 수요와 공급 간의 격차는 지속적인 과제입니다. 그러나 최근 체외 증식 및 조직 배양과 같은 생명공학의 발전으로 대나무 생산은 자원의 과도한 착취를 피하면서 더욱 효과적이고 안정적으로 이루어지고 있습니다. 대나무 제품 시장이 가구, 포장재, 개인 위생용품, 의류 등으로 확대됨에 따라 소비자에게 보다 지속 가능한 제품을 제공하는 데 있어 대나무 소재의 중요성이 점점 더 커질 것입니다.
성능, 안전성 및 편안함을 향상시키는 열 적응형 원단
고온에서 운동하는 운동선수나 위험한 상황에 직면한 소방관에게 의류는 편안함과 안전을 제공하고 최고의 성과를 낼 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 합니다. 폴리머, 에어로겔, 스마트 복합재 덕분에 열적응성 섬유의 혁신이 이러한 기능을 뒷받침하고 있습니다.
오늘의 적응형 원단은 단열, 수분 관리, 동적 기공 크기, 열변색 및 복사열 수집을 활용하여 의류가 다양한 환경 조건에 더 잘 반응할 수 있도록 합니다. 최신 발전에는 다음이 포함됩니다.
- 광학 변조: 새로운 원단은 온도 변화에 따라 흡수하는 빛의 양을 변경할 수 있습니다. 그래핀, 그래핀-유리 섬유 직물, 폴리아크릴로니트릴 나노섬유가 효과적인 것으로 입증되었습니다. 광학 원단은 미적으로도 좋으며, 광선 요법과 생체 신호 감지에 사용될 수 있습니다.
- 온도 반응성 재료: 형상 기억 폴리머, 친수성 폴리머, 및 마이크로캡슐화된 상변화 물질은 온도 변화에 따라 모양과 구조를 변화시킵니다. 원단의 기공을 통해 공기와 수분의 양을 조절하여 착용자의 체온을 높이거나 낮춥니다.
- 열변색 재료: 액정, 안료 및 열변색 폴리머를 사용하는 이러한 재료는 온도 변화에 반응하여 색상을 변화시켜 원단이 흡수하는 빛의 양을 조절합니다. 이러한 원단은 착용자의 열을 반사하기 위해 밝은 색으로 변하거나 군용 위장을 위해 색상을 변경할 수 있습니다.
- 전도성 폴리머: 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜 및 그 유도체인 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜)과 같은 폴리머는 열과 전기를 전도할 수 있습니다. 신체의 열을 효과적으로 발산하여 온도를 조절하는 데 도움말을 줍니다. 은 나노 와이어 및 질화 붕소와 같은 재료도 원단에서 효과적인 열 방출을 통해 온도를 조절할 수 있습니다.
CAS는 화학, 물리학, 공학의 교차점에서 재료 과학의 새로운 혁신의 흐름을 파악하고 있습니다. 사람이 엄선한 세계 최대 규모의 과학 정보 저장소인 CAS 컨텐츠 컬렉션TM을 통해 전 세계의 최신 학술지 및 특허 간행물을 지속적으로 분석합니다. 이를 통해 최신 혁신과 어떤 혁신이 상용화를 앞두고 있는지에 대한 특별한 시각을 얻을 수 있습니다.
