4.3 첨단 세라믹스

Reporting Date: November. 21, 2024

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첨단 세라믹스의 전반적인 개념에 대해 다루고자 한다.

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목차

01 ITO 투명 전극
02 방탄복
03 세라믹 브레이크 디스크
04 에어로젤
05 압전 세라믹스
06 네오디뮴 자석
07 초전도체

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첨단 세라믹스 (Fine Ceramics)

기존의 세라믹스보다
고도의 기술과 정밀한 공정이 요구되는 세라믹 소재로,
일반적으로 높은 성능과 특수한 기능을 갖춘 재료를 의미한다.

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제2차 세계 대전 (1939–1945)

(第二次 世界 大戰, World War II)

전쟁 중 군사적 필요로 인해 금속, 세라믹, 고분자 등
다양한 재료에 대한 연구가 급속히 발전했다.

특히 고온 내구성, 내마모성, 경량화 등
군사 장비의 성능 향상을 위한 세라믹 기술이 개발되었다.

 

고순도 재료

전자산업의 초기 발전은 고순도 재료가 필수적이었으며,
이는 레이더, 진공관, 반도체 등 첨단 전자기기의 개발로 이어졌다.

이러한 기술은 전후 민간 산업으로 확산되면서
현대의 첨단 세라믹스 발전에 큰 영향을 미쳤다.

 

주요 분류 및 특징

① 전자 세라믹스
전기적·자기적 성질을 이용해
커패시터, 센서 등 전자 부품에 사용된다.

② 기계구조 세라믹스
경량, 내마모성, 내열성이 뛰어나
터빈 블레이드, 베어링 등 기계 부품에 적합하다.

③ 에너지·환경 세라믹스
광학적·전기화학적 성질로
연료 전지, 태양광 패널, 배기가스 정화 시스템에 활용된다.

④ 바이오 세라믹스
경량과 내화학성이 뛰어나
치아 임플란트, 인공 뼈 등에 사용된다.

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01 ITO 투명 전극

(Indium Tin Oxide, 인듐 주석 산화물) 

인듐(In)과 주석(Sn)을 혼합하여 만든 산화물로,
전기 전도성과 투명성을 동시에 가지고 있어 전자기기에서 중요한 역할을 한다.

전기가 흐르는 물질과 투명한 물질의 합성.

 

구성 및 원리

인듐 산화물(Indium Oxide, In₂O₃)과 주석 산화물(SnO₂)이 결합한 물질로,
주로 90%의 인듐 산화물과 10%의 주석 산화물 비율로 혼합된다.

도핑(Doping) 과정을 통해 전도성을 증가시키는데,
주석(Sn)을 인듐 산화물에 첨가함으로써 전자들이 쉽게 흐를 수 있도록 만든다.

이 기술은 터치스크린, 디스플레이, 광학 장치 등에서 널리 사용된다.

 

주요 특징

가시광선 영역에서 투명하여 화면 시야를 방해하지 않고,
동시에 전기가 흐르는 특성 덕분에 터치스크린과
디스플레이 장치에 중요하게 사용된다.

전기 전도성이 뛰어나 전극이나 배선으로 활용되며,
터치스크린에서는 사용자 손가락이 생성하는 전기 신호를
ITO 전극 배열이 감지하여 동작을 인식한다.

 

활용 분야

① 스마트폰이나 태블릿의 터치스크린.
② OLED, LCD 등 다양한 디스플레이.
③ 태양광 패널의 전극.
④ 헤드셋, 스마트워치와 같은 소형 전자기기.

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02 방탄복

(防彈服,  Bulletproof  Vest)

총알, 파편, 칼날 등 외부의 물리적 충격이나
공격으로부터 사용자를 보호하는 특수한 방호복.

방탄복은 여러 층의 소재로 구성되어 있으며,
그중 세라믹 소재는 충격을 분산시키고 관통을 방지하는 역할을 한다.

 

1. 총알 방어 과정

① 속도 감소와 에너지 분산

세라믹 판에 총알이 부딪히면,
세라믹의 단단한 표면이 총알의 속도를 급격히 감소시킨다.

세라믹이 총알의 에너지를 분산시키면서
총알이 더 이상 원래의 속도로 침투할 수 없게 만든다.

 

② 총알의 변형

세라믹의 강한 표면에 의해 총알의 앞부분이 깨지거나 변형된다.
이로 인해 총알이 더 이상 집중된 힘을 발산하지 않게 되고,
그 힘이 방어판에 분산되어 몸에 미치는 충격을 줄인다.

 

2. 사용 이유

① 경량화 효과

세라믹은 금속보다 강도가 높고 상대적으로 가볍기 때문에,
방탄복을 덜 무겁고 더 효율적으로 만들 수 있다.

이는 착용자의 이동성을 유지하면서도 효과적인 방어를 제공할 수 있게 한다.

 

②  내열성과 내환경성

고온과 환경 변화에 강한 특성을 가지고 있어
방탄복에 적합한 재료로 사용된다.

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NIJ  Level  IV

(National Institute of Justice)

미국의 법 집행 기관을 위한 방탄 성능 기준을 제공한다.
이 기준은 방탄 장비가 어느 정도의 위협으로부터 보호할 수 있는지를 나타낸다.

이 레벨에서는 고속으로 날아오는 .30-06 탄환(풀 메탈 자켓)과 같은
고강도 금속 총알을 방어할 수 있는 능력을 요구한다.

이러한 총알은 일반적인 방탄복으로는 막을 수 없다.

 

세라믹 방탄복

Level III 또는 Level IV에 해당하며,
특히 Level IV는 방탄 성능에서 최상위 수준을 의미한다.

이 방탄복은 약 3kg이며, 두께는 약 14mm이다.

이 정도의 무게는 사람이 착용하기에 불편하지 않으며,
높은 보호 성능을 유지하면서도 실용적이다.

이 방탄복은 주요 인사들의
양복 속에 숨겨서 입을 수 있도록 설계된다.

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03 세라믹 브레이크 디스크

(Ceramic Brake Disc)

주철(Cast Iron) 브레이크 디스크에 비해 많은 장점을 제공하며,
특히 고성능 차량과 자동차 경주에서 중요한 역할을 한다.

 

주철 브레이크 디스크의 한계

① 주철은 불순물이 많이 포함된 소재로, 마찰에 의해 표면이 쉽게 손상된다.

② 급브레이크를 사용하거나 오랜 시간 지속적으로 브레이크를 밟을 경우,
디스크 온도가 800 ~ 900 °C 까지 온도가 상승할 수 있다.

이때 주철의 성질 변화로 디스크가 물러지거나 찌그러져 
브레이크 성능이 저하될 수 있으며, 심각한 경우
브레이크가 작동하지 않을 수 있다.

 

장점

① 주철보다 마찰에 대한 내구성이 훨씬 뛰어나며,
표면에 흠집이 거의 생기지 않는다.

② 세라믹은 고온에서도 강도가 그대로 유지된다.
특히 경주와 같은 고속, 고열 상황에서 매우 중요한 장점이다.

③ 주철보다 가벼워 자동차 전체 중량을 줄이고 연비 효율성을 향상시킨다.
또한, 가속과 제동에 유리하여 특히 경주용 차량에서 큰 이점을 제공한다.

 

단점

① 고급 재료로 제조되며, 비용이 매우 높아
경주용 차량이나 고성능 스포츠카에 주로 사용된다.
대중적인 차량에서는 비용 효율성 면에서 채택되기 어려운 경우가 많다.

② 차가운 상태에서 마찰력과 브레이크 성능이 일시적으로 떨어질 수 있어,
일정 시간이 지나야 최적의 성능을 낼 수 있다.

③ 상대적으로 부서지기 쉬운 특성이 있어, 충격에 취약할 수 있다.
특히 운전 중 불규칙한 노면에서 충격을 받으면, 파손될 수 있는 위험이 존재한다.

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04 에어로젤

(Aerogel)

1931년,
미국 캘리포니아 공과대학교의
사무엘 스티븐스 키슬러 박사가 발명했다.

(California Institute of Technology, Caltech)
(Samuel Stephens Kistler, 1900–1975)

 

그는 젤에서 액체 성분을 제거하면서
고체 구조를 유지하는 방법을 연구했다.

이 과정에서 초임계 건조(Supercritical Drying) 기법을 사용해 액체를 제거하고,
고체의 다공성 구조를 보존하는 기술을 개발하여 오늘날 에어로젤의 기초가 되는 기술을 완성했다.

 

에어로젤은 100 나노미터(100 nm) 굵기의 실리카(Silica)로 구성되어 있으며,
이는 머리카락 굵기의 1000 분의 1 크기이다.

100 나노미터: 1 천만분의 1 미터 (10⁻⁷ m) 
이 크기는 코로나 바이러스(약 120 nm)보다 작은 크기이다.

 

이 물질은 3차원 구조로 흩뿌려지며, 98%의 공기로 이루어져 있다.
이로 인해 에어로젤은 우수한 단열 효과와 방음 성능을 제공하며,
공기 밀도의 약 3 ~ 15배 정도에 해당되는 가벼운 소재이다.

(실제로 플라스틱 통 안에 든 에어로젤을 들었을 때,
내용물이 전혀 없는 빈 통을 드는 것과 같은 느낌이었다.)

 

어떤 용도로 사용할 것인가?

 

에어로젤의 제조 공정은 매우 복잡하고 기술적으로 어려우며,
개발에 필요한 동기도 부족했던 탓에 상용화에도 많은 어려움이 따랐다.

 

그럼에도 불구하고, 우주 산업에서는
에어로젤의 특성이 중요한 역할을 할 수 있다는 가능성에 주목했다.

일반적인 인공위성이나 로켓과 달리 우주 왕복선은
지구와 우주를 왕복해야 하므로, 지구 대기권 재진입 시 강한 마찰열을 견뎌야 했다.

이때, 에어로젤의 가벼운 무게와 뛰어난 단열 성질이 중요한 요소로 작용했다.
에어로젤은 고온의 마찰열을 효과적으로 차단하면서도 무게가 가벼워
우주 왕복선의 효율을 높이는 데 기여할 수 있었다.

 

NASA는 에어로젤을 활용하기 위해
개발 및 생산하는 회사와 계약을 체결하여, 우주 왕복선에서 사용될 수 있도록 했다.

에어로젤의 상용화는 제조 공정의 어려움과 비용 문제로 제한적이었지만,
우주 산업의 발전과 우주 여행의 상용화가 이루어지면, 그 사용이 더욱 증가할 가능성이 크다.

예를 들어, 우주 산업, 항공 분야에서의 단열 재료나
고온 환경에서의 보호 재료로서의 역할이 더욱 중요해질 것이다.

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05 압전 세라믹스

(Piezoelectric Ceramics)

외부에서 가해지는 기계적 압력이나 변형에 의해 전하를 생성하거나,
반대로 전기 신호를 가했을 때 변형을 일으키는 성질을 가진 세라믹 소재.

 

압전 효과 (Piezoelectric Effect)

압전 세라믹스를 포함한 특정 물질들이
기계적인 압력을 받았을 때 전기를 생성하는 현상이다.

외부 압력이나 기계적 힘이 가해지면
물질 내부에서 전하가 분리되며, 그로 인해 전압이 발생한다.

이 원리를 활용하여 다양한 장치에서 전기를 생성하거나,
반대로 전기를 흐르게 하면 형태가 변하는 특성을 보인다.

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1. 가스 점화기의 원리

 

① 압축 및 기계적 힘 작용

스프링이나 레버를 돌리거나 눌러서 압전 세라믹스에 기계적인 힘을 가한다.
외부 압력을 받으면 결정 구조 내에서 양(+)과 음(-) 전하가 분리된다.

이 과정에서 전기 에너지가 생성된다.

 

② 전하 발생과 전압 생성

압력을 받는 동안 내부 전기장 변화를 통해 높은 전압을 생성한다.
이 전압은 일반적으로 수백에서 수천 볼트(Volt)에 이르며,
짧은 순간 동안 매우 높은 전압을 출력할 수 있다.

 

③ 스파크 생성

생성된 높은 전압은 전극 간에 스파크(방전)를 발생시킨다.
이 스파크는 가스나 인화성 물질에 점화되어 불이 붙는 역할을 한다.

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2. 카메라 초점 조정 기술

 

① 모터 기반

전통적인 카메라 렌즈는 모터를 사용해
렌즈 위치를 물리적으로 이동시켜 초점을 맞춘다.

이 방식은 비교적 넓은 범위의 초점 조정이 가능하지만,
크기가 커지고 소음이나 에너지 소모가 있을 수 있다.

 

② 압전 세라믹스 기반

전기 신호로 렌즈 위치를 정밀하게 제어하고
진동을 통해 초점을 조정하는 기술은 고해상도 이미지 촬영에 유리하다.

또한, 빠른 반응 속도와 저전력 동작으로 배터리 소모를 줄이며
소형 카메라 장치에 적합한 소형화가 가능하다.

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활용

① 안경 세척기
초음파를 사용하여 안경에 묻은 이물질을 깨끗하게 세척하는 데 사용된다.

② 초음파 검사
의료 분야에서 몸속을 검사하는 데 사용된다.

③ 해저 깊이 측정
소나(Sonar) 장치에서 초음파를 사용하여 해저의 깊이를 측정한다.

④ 어문 탐지기
초음파를 이용한 탐지기에서 물고기와 잠수함을 구분하는 데
초음파의 반사 속도와 회전 속도를 이용한다.

빠른 회전은 물고기, 느린 회전은 잠수함을 나타낸다.

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06 네오디뮴 자석

(Neodymium Magnet, Nd₂Fe₁₄B)

철(Fe), 붕소(B), 네오디뮴(Nd)으로 구성된 강력한 희토류 영구 자석.
공식적으로는 NdFeB 자석이라고도 불린다.

초강력 자석으로 알려진 네오디뮴 자석은
NdFeB 합금으로 제조되며, 매우 높은 자기력을 제공한다.

 

철(Fe): 자석의 강도

네오디뮴 자석의 강도는 철의 원자들이 얼마나 잘 정렬되었는지에 달려 있다.
즉, 자석의 세기는 원자의 정렬 상태에 따라 달라진다.

 

네오디뮴(Nd): 영구자화

(Permanent Magnetization)

네오디뮴 원자를 첨가하면 자석은 영구자석이 된다.
이는 자석의 자기력이 시간이 지나도 변하지 않는 특성을 가진다.

 

문제점

온도가 올라가면 자석의 성질이 변화한다.

높은 온도에서는 자석의 정렬이 흐트러지고,
그로 인해 자석의 자기력이 사라질 수 있다.

 

디스프로슘(Dy): 자력 유지 성능 향상

디스프로슘을 첨가하면 자석의 자력 유지 성능이 향상되며,
고온 환경에서도 강한 자기력을 유지할 수 있다.

다만, 디스프로슘을 사용하면 자석의 자기 강도나
에너지 밀도가 다소 감소할 수 있다.

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07 초전도체

(超傳導體, Superconductor)

전기 저항이 0에 가까운 상태로 떨어지는 물질.

 

초전도 현상

(超傳導現象, Superconductivity)

1911년,
네덜란드의 물리학자 헨드릭 카메를링 오네스가 발견했다.

(Hendrik Casimir Onnes, 1853–1926)

그는 수은을 영하 269도 냉각하면서
전기 저항이 갑자기 0으로 떨어지는 현상을 관찰했다.

이로써 그는 전기가 흐를 때 에너지 손실이
발생하지 않는 초전도 현상을 최초로 관찰하였다.

 

전기 저항

(Electrical Resistance)

전기 회로에서 전류가 흐를 때 발생하는 에너지 손실을 의미한다.

이 손실은 전류가 흐를 때
전자가 물질 내에서 다른 입자와 충돌하여 발생하는데,
충돌 과정에서 에너지가 열로 변환되어 발생하는 것이다.

따라서 전선의 저항은 전기 에너지가 열로 변환되는 정도를 나타낸다.

 

저항과 전선의 관계

저항은 길이에 비례하고, 단면적에 반비례한다.
즉, 전선이 길어지면 저항이 커지고, 두께가 두꺼워지면 저항이 감소한다.

이 원리는 옴의 법칙(Ohm's Law)에 의해 설명된다.

전기 에너지의 송전에서 에너지 손실은 주로 열로 발생하는데,
전선의 길이가 길면 길어질수록 손실도 커진다.

이런 이유로, 전력 송전의 효율을 높이기 위해선 송전 거리를 짧게 해야 한다.

화력과 수력 발전소에 경우, 대체로 바닷가나 내륙의 전력 소비지와
가까운 곳에 위치하며, 이는 전선이 길어지면 손실이 커지기 때문이다.

원자력 발전소는 생산 단가가 낮고, 멀리까지 전력을 송전할 수 있기 때문에
상대적으로 더 먼 거리에 위치할 수 있다.

 

초전도체의 이점

기존의 전선은 저항에 의해 에너지 손실이 발생한다.

① 반면, 초전도체는 이러한 손실이 없으므로
송전 효율이 매우 높고, 송전 거리의 제한이 사라진다.

② 고온에서도 자석의 자기 성능을 유지할 수 있으며,

③ 합선이나 과열로 인한 문제도 발생하지 않기 때문에,
송전과 관련된 성능의 제한을 해소할 수 있다.

이는 전력 산업에서 매우 중요한 혁신적인 변화이다.

 

마이스너 효과

(Meissner Effect)

초전도체가 특정 온도 이하로 냉각될 때
외부 자기장을 내부에서 완전히 배제하는 현상.

이로 인해 초전도체 내부에는 자기장이 존재하지 않으며,
초전도체 표면에서는 자기장이 급격히 감소한다.

이 현상 때문에 초전도체 위에 자석을 띄우는
자기 부상(Magnetic Levitation)이 가능해진다.

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자기부상열차의 한계

 

① 구조적 한계

궤도와 차량의 간격이 매우 얇아 정밀한 제어가 필요하다.
차량이 지나치게 무거우면 부상 유지가 어려워 많은 승객을 수용하기 힘들다.

 

② 전력 공급 문제

자기 부상 유지와 추진을 위해 막대한 전력이 필요하다.
초전도체 기술을 활용하더라도 전력을 공급할 수 있는 한계가 존재한다.

 

③ 자석의 한계

자석의 성능에도 물리적 한계가 있어 더 강력한 부상 시스템 구현이 어렵다.
자석의 크기와 무게가 증가하면 시스템 효율이 감소한다.

 

④ 저항 문제

저온을 유지하는 냉각 시스템이 복잡하고 비용이 높다.
고온 초전도체 기술은 개발 중이지만 상용화에는 어려움이 있다.

 

⑤ 공기 저항 문제

열차 속도가 증가할수록 공기 저항이 크게 작용한다.

이를 극복하기 위해 진공 상태의 튜브 시스템
즉, 하이퍼루프 개념이 제안되고 있지만 구현이 어렵다.

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