
1.
개요 인류역사는 농경문화를 중심으로 목재 가스 등 자연으로부터 얻은 원료를 사용해서 제품을 생산하였다. 점차 생활수준이 향상되면서부터는
빌딩 건축, 산업용 대형구조물을 제작 생산하는 사회로 발전하게 되었다. 그러나 오늘날의 기업은 고정자본 형성의 주요 부분이 기계설비 형태로
구성됨에 다라 철물공사분야에서도 단기적으로는 생산능력의 확충과 생산성 향사 그리고 장기적으로는 신기술을 접목한 기술혁신으로 성장, 잠재력을
배양하여야 한다. 고도 산업사회의 도래로 수요산업이 하이테크화되는 형태에 맞추어 새로운 성장산업을 모색하면서 21세기의 풍부한 사회를 지탱하는데
필요한 첨단기술 수준의 자본재 공급에 눈을 돌려 기술중심의 무한경쟁시대 진입에 대비하여야 한다. 지금 세계는 UR에 이어
WTO(세계무역기구) 체제 개편에 따른 GR(환경), BR(노동), TR(기술개발) 등 기술중심에서 기술 패권주의로 기술이전을 기피하면서 하루가
다르게 바뀌고 있다. 정부에서도 매년 공업발전기금 중 많은 시제품 개발자금(신소재 부문)을 지원하면서 소재부분의 국산화 개발사업 등에 박차를
가하고 있다. 그에 힘입어 많은 신소재가 개발되어 양산을 준비 중이거나 수입대체 및 수출증대에 기여하고 있으므로 철물공사분야에서도 제품의
고품질화를 실현하기 위해서는 신소재를 사용한 제품 개발에 주력하여야 할 시점에 와 있다고 하겠다. (표 1 신·구소재 비교
참조)
2. 신소재의 구분 ‘신재’라는 말은 널리 사용되고 있어서 그 범위나 정의에 관해서는 반드시 공통의 이해가 존재하고
있는 것은 아니다. 일본<기초신소재연구회?에 의하면 신소재란 금속계, 무기계, 유기계의 원료 및 그들을 조합한 원료를 기초로 고도의
제조·가공기술(예 원자·분자 레벨의 미크로 구조제어, 고순도화, 복합화 등) 또는 상품화 기술을 구사함으로써 종래에는 없었던 새로운
획기적인 특성과 새로운 사회적인 가치를 만들어 내는 부가가치가 높은 소재라고 표현하고 있다. 이를 요약 정리하면(그림 1)과 같다. 신소재
세라믹스의 연구개발이 세계적으로 활발화된 것은 1971년 미국이 이 과제를 국가적인 프로젝트로 취급한 것이 계기가 되었다. 대표적인 예는 미
국방부의 고온 가스터빈의 개발계획이다. 일본에 세라믹스 붐이 일어난 것은 1977년 후반기부터 라고 한다. 1981년도에 발족한 통산성의
차세대 산업 기초기술 연구개발 궤도의 열두 개의 테마 중 여섯 개 테마가 신소재에 관한 것이다.
 (표 1) 신·구소재 비교
3. 신소재의 특성과 응용 인간은 연금사와 같이 새로운 기술들을 서로 영향을 주거나 복합화하면서 금 이상의 가치를 지닌 것을
만들어 내고 있다. 철보다 강한 섬유, 작열에 견디는 금속등 인류는 극한에 이르기까지 물질을 추구하고 있다.
 (그림 1)
주요한 신소재 예 <기초신소재연구회>
그 중에서도 금속계 신소재가 가장 중요한 부분을 차지하며 널리 사용되고 있는데, 그
이유는 강도가 비교적 크고 균질한 재료를 얻을 수 있다는 점과 소용형상이나 치수로 공작하기 쉬원점, 그리고 열처리에 의해서 성질을 변화시킬 수
있다는 점 때문이다. 그러나 최근 화학공업이 눈부시게 발전하면서 비금속 소재도 많이 사용하게 되었다.
1) 금속계
신소재 금속계 신소재는 하나 EH는 그 이상의 금속원소로 구성되고 몇몇 비금속 원소를 포함하는 무기물질이다. 금속원소에는
철·구리·알루미늄·니켈·티타늄 등이 있고, 비금속 원소에는 탄소·산소·질소 등으로 이들은 금속재료에 함유된다. 금속과 합금은 크게 2가지로
나눌 수 있다. 즉 강이나 주철처럼 철의 함량 비율이 높은 철금속 및 그 합금과 상대적으로 철의 함량이 적거나 철을 포함하지 않은 비철금속 및
그 합금이다. 비철금속의 예로는 알루미늄·구리·아연·티타늄·니켈 등이 있다.
 ①
형상기억합금 형상기억합금은 자기의 본래 모습을 기억하고 있는 특이한 금속 재료이다. 이를 개발한 연구소의 약자를 후미에 나타낸
니타놀합금(니켈+티타늄+노을)이 주종을 이루고 있으며, 스테인리스 강철보다 강도가 10배나 강하다. 예를 들어 이런 합금으로 자동차 몸체를
만든다면 접촉사고가 나서 바디의 일부가 오그라들어도 주전자의 뜨거운 물을 그 부분에 부어만 주면 본래의 모습으로 되돌아온다는 만화같은 이야기가
실현될 수도 있다. 우주선의 달표면 안테나가 태양빛에 닿으면 따뜻하게 되면서 열리는 자동조절기구로부터 장난하다가 안경테가 휘어지거나
장난감이 오그라들었을 때 라이터나 성냥불로 열을 만들어서 데워주기만 하면 간단히 제모습으로 돌아가는 제품들을 만들 수 있다. (그림 2)는
니타놀합금 코일 용수철의 변형과정을 나타낸 것으로 미국에서는 그동안 군용기 군함의 파이프계에 널리 쓰여 왔다.
②
수소저장합금 수소를 자동차 연료나 가정에서 사용할 경우 고압용기에서 150기압으로 충전하여 사용하지만 수송과 저장에 문제가 있어 널리
사용되지 못하고 있다. 그래서 구상한 것이 수소를 흡수하는 금속에 저장하는 것이다. 여러 합금이 개발되고 있지만 마그네슘과 니켈의 합금으로
충전하면 10배나 되는 1,500기압분을 저장 할 수 있다. 일반적으로 수소는 가볍고 액체로 만들자면 영하 253℃라는 낮은 온도가
필요하며 증발하기도 쉽다. 자동차 연료로 쓸 경우 개솔린은 1cc의 밀도가 0.74㎏으로 8,500칼로리의 에너지를 내지만 수소는 1cc의
밀도가 0.071㎏으로 2,050칼로리이며 단위 중량당 칼로리가 높아 폭발의 험성도 높기 때문에 수소를 흡수하는 금속에 저장하며 석유가 고갈된
뒤 액체연료의 대체 에너지로 수소가 큰 역할을 할 것이다. 앞으로도 많은 수소를 삼킨 뒤 간단한 방법으로 다시 토해내는 저렴한 고성능의
저장합금 개발이 계속될 것이며 수소를 연료로 사용하는 자동차도 곧 등장하게 될 것이다.
 ①은 니타놀합금의 쇠줄을
감아서 열처리하고 형상을 기억시켜 코일 용수철로 만든 것. 이 코일 용수철을 상온으로 하면 탄성을 잃어 어떤 형태로든지 쉽게 바꿀 수 있다.
온도를 올려 56℃에 이르면 기억이 되살리기 시작②, ③의 사진 모양을 거쳐 ④와 같이 본래의 모습으로 돌아온다. <그림 2)
니타놀합금의 코일 용수철
③ 초전도 합금 일반금속에서는 저온이 될수록 전기 전도성이 증가하지만 초전도합금은 어느 저온(절대
0° 부근)에 이르면 갑자기 전기저항이 없어지는 합금으로서 현재 니오브·티탄합금계가 조종을 이루고 있다. 현재 고속전철로 각광받고 있는
자기부상 열차에 응용되고 있는데, 그 원리는 자석의 플러스(+)와 마이너스(-)는 서로 끌어 잡아당기는 힘이 있으나 같은 극은 서로 반발하는
힘을 이용하여 차체를 뜨게 하지만 주행에는 자석의 서로 끄는 힘을 이용하자는 것이다. 차체에 달린 부상용과 주행용 자석에는 액체 헬륨으로
-269℃ 냉각된 초전도 자석이 쓰인다. 아주 낮은 온도가 되면 전기저항이 0에 가까운 초전도 재료를 사용하여 자석을 만든다.
④
초내열합금(high-heat Resistance Alloy) 철의 용융점은 1,539℃(3000℃에서 끓어 증발한다) 이며 융점보다 낮은
1,200℃정도의 온도에서 별안간 물렁해지는데, 이때 단조나 압연작업으로 필요한 형상을 만든다. 그러나 로켓이나 제트엔진, 원자력, 제철용
열교환기 등은 이용온도가 차츰 높아져서 보통금속으로는 제구실을 못하고 있는 형평이다. 탄탈에 텅스텐과 하프늄을 섞은 합금은 2,000℃의 고온에
견디며 철에 니켈이나 코발트를 첨가한 합금도 1,000℃의 고온에 견디는 우수한 내열 합금이다. (그림 3)는 내열합금으로 만든 터빈날개 부품을
소개한 것이다.
 (그림 3) 신내열합금
Ni-co-Cr-Al-Ti계 합금의 터빈날개
2) 무기계 신소재 무기계 신소재는 세라믹 재료를 이온결합 또는 공유결합을 하는
금속 또는 비금속으로 이루어진 재료로서 화학조성은 간단한 화합물에서 복잡한 상의 혼합물에 이르기까지 다양하다. 세라믹 재료의 성질은 결합의
차이에 의해 상당히 많이 변하는데 일반적으로 낮은 인성과 연성을 가지고 있으며 단단하면서 취성을 갖는다. 또한 보통 전도 전자가 없어서 전기와
열이 여러 환경에서 화학적 안전성을 갖는 성질 때문에 오늘날 첨단기술에 중요한 역할을 하고 있다. 공업용 세라믹은 재래의 세라믹과 새로운
세라믹 재료로 나누어지는데 재래의 세라믹은 점토·규석·장석의 3가지 기본성분으로 이루어진다. 제품으로는 건설현장에서 사용되는 벽돌, 타일,
전기공사에 사용되는 전기애자 등이 있다. 새로운 세라믹은 순수한 산화 알루미늄, 탄화규석, 질화규석 등으로 이루어져 있고 자동차, 가스터빈
엔진, 집적회로 칩의 긱\판용 등 전자 재료나 광학재료 그리고 생체재료나 공구, 내열고강도 재료로 널리 이용되고 있으며 앞으로도 이용분야를
넓혀갈 것으로 보인다. 우리나라는 최근 민간연구소에서 한국과학기술원과 함께 자동차엔진용 새로운 세라믹스 개발에 박차를 가하고
있다.
 ① 파인 세라믹스(Fine
Ceramics) 파인 세라믹스는 종래의 도자기 세라믹에 대해 고도의 기술을 가지고 만든 부가가치가 높은 새로운 세라믹이라 부르며 재래의
세라믹에 없는 성질을 갖고 있다. 즉 파인 세라믹스는 원자간의 결합력이 커서 열팽창계수가 적고 급열, 급냉에 견디고 고온에서의 강도는 종래의
어떤 내열합금보다 뛰어나다. 미국은 탄화규소 세라믹스로 자동차용 가스터빈 엔진을 개발하였고 일본은 통산성의 공업기술원이 밀고 있는
‘문라이트계획’은 높은 효율의 가스터빈 세라믹스 엔진개발에 두고 있다. 가스터빈 등 열기관에서는 온도를 높여주면 열효율이 좋아져서
에너지절약 효과가 있는데 가스터빈은 온도를 높게 올리도록 설계되고 여기에 견딜 수 있는 내열금속이 사용된다. 특히 고온에 노출되고 응력을 받은
터빈블레이드(깃)에는 초내열합금을 사용하고 있는데도 자동유체의 온도는 1250℃가 한계이다. 열효율도 30% 전후이며 약 70%의 에너지가
낭비되고 있으므로 더욱 고온에 견딜 수 있는 재료를 사용하여 에너지를 절약하려는 경향이 있다. 세라믹 엔진이 실용화되면 막대한 파급효과를
가져올 것이라는 예상은 큰 관심을 모으고 있다. 즉 현재세계 자동차 생산고를 연간 3,600만대로 잡고 엔진 소재를 50%만 새로운 세라믹으로
대체할 때 150억 달러의 새로운 시장이 창출된다는 계산이다. 세라믹은 구운 물건이기 때문에 내화벽돌이나 저화플러그, 절삭공구의 날끝 등에
널리 쓰여 왔으나 파인세라믹스에서는 특히 고온에서의 고강도, 내식성, 고성능의 내마모성을 가진 구조재료 개발을 목표로 하고 있어 금속보다 우수한
성능의 세라믹이 개발 활용될 날도 멀지 않을 것이다.
② 광섬유(Optical filber) 광섬유는 빛이 전달되는 현상을
응용한 신기술로서 광통신, 컴퓨터, 레이저 광전송장치와 광통신사업 전반에 널리 이용되고 있다 빛이 곧바로 진행한다는 것은 물리학에서는
하나의 상식이다. 유리봉을 휘어서 빛을 통하게 하면 휘어진 곳에서 빛은 빠져 나가고 만다. 그런 광섬유는 직격 20~50μm(μm는 1천분의
1㎜)라는 사의 머리털보다 가늘고 실과 같이 자유롭게 휘어질 수 있는 석영계 유리섬유(코어)의 바깥쪽을 굴절률이 낮은 유리(크래드)로 덮어
2중구조로 하면 이 경계면에서 빛은 안쪽으로 반사하여 진행한다. 광섬유를 사용하여 광학상 보내려는 연구는 미국의 아케리칸 옵틱스사가
실용화시켜 위카메라나 내시경, 그리고 이것을 조합한 컬러TV장치, 비디오팩스의 전자주사기록관 등에 이용되었다가 최근에는 거듭 개량되어 광의
투과도가 좋아져 밝아지고 레이저메스의 레이저 광선을 메스의 끝쪽으로 인도하는 전송로 등의 의료기기와 그 외 여러분야에 널리 쓰이고
있다. 한편 광통신도 빛을 통하는 섬유의 개발로서 가능하게 되었다. 광에는 전기보다 많은 주파수가 있어 파장이 다른 광에 따로따로 신호를
태워 이것을 한 개의 광섬유로 보낼 수도 있다. 광통신에서는 음성을 전기신호로 바꾼 뒤 레이저광선으로 변환한다. 이 빛은 공중으로 발사해도
통신할 수 있으나 비나 빌딩 그늘에서는 차단된다. 그래서 광섬유로 전송하는데 광섬유에는 불순물이 많이 들어 있으면 빛이 감퇴된다. 일본의
이바라기 전기통신연구소는 VAD(기상축부착)법이라는 신제법으로 1km당 손실이 0.5㏈ 이하인 저손실 광케이블을 개발했다. 이로써 빛의 감퇴가
1km당 10% 이하밖에 안되는 초고순도의 광섬유로 종래의 광섬유의 20배 이상의 신호를 보낼 수 있게 되었다. 또 광섬유는 전자파의
영향을 받지 않으므로 자동차나 공장내 컴퓨터 단말기간의 데이터 전송에도 널리 이용하고 있다 우리나라는 한국통신(주0에서 83년도부터
양산하고 있으며 민간기업에서도 외국기술을 도입하여 본격적으로 진출하고 있다.
③ 인조다이아몬드(Synthetic
Diamond) 다이아몬드는 모든 광물 중에서 가장 딱딱한 빛의 굴절률이 크며 빛을 잘 모으고, 열을 잘 전하지만 전기는 통하지 않는다.
딱딱하기 때문에 공업용으로서는 알루미늄이나 놋쇠 등 금속을 깍거나 연마하고 콘크리트포장을 자르는 데도 쓰인다. 다이아몬드의 합성법이 개발된
것은 1955년 미국 GE사가 합성에 성공하여 특허를 취득하였고 그 제조특허가 1997년에 만료되자 각국은 다이아몬드 합성에 적극적으로
나섰다. 다이아몬드는 탄소의 결정체, 지하 150~300km 깊은 곳에서 지압과 고압 때문에 탄소가 다이아몬드로 변태한 것으로 보고 있으며
GE사 연구자들은 약 5만기압, 1,600℃온도에서 다이아몬드 합성에 성공했다. 지금까지 1캐럿 이상의 인공 다이아몬드가 제조되었으며,
초고압기술도 진보되어 공업용의 알갱이가 작은 다이아몬드에 대량으로 합성되고 있다. 인공적으로 합성된 다이아몬드는 (그림 4와)같이 황록색으로
광택도 높지 않고 크기도 불과 수μm에서 수10μm의 것이다.. 이것은 파우더(분말)라고 불리며 보석과는 거리가 멀다. 여기에 촉매를 보태어
초고압발생장치에서 구워 굳힌 뒤 연마, 연삭용의 공구 등으로 사용하는데 고온 밑에서 철과 반응하기 때문에 철의 연마에는 쓰이지
않는다.
 (그림 4) 인조
다이아몬드
④ 다이아몬드 소결체 기계가공 방법이 자동화공정으로 변하면서 오랫동안 무인 가공하는 기계가 널리 쓰이고 있다.
최근에는 자동차, 항공기 등에 쓰이는 대형부품에는 강인성 주물이나 경합금, 초내열의 강인재와 같은 딱딱하고 끈기있는 재료를 고속 고정도로
절삭하는 일이 많아 절삭공구도 초경질의 것이 필요하게 되었다. 이에 부응하기 위해 개발된 것이 입방정질화붕소(CBN)나 다이아몬드 소결체 등
초경질 절삭공구로서 (그림 5)와 같은 모양을 하고 있다. 다이아몬드나 CBN은 초고압발생장치에서 높은 압력과 고온하에서 제조되고 그
분말에 결합재인 코발트를 넣어 1,600℃의 온도에서 약 60K bar의 압력을 걸어주면 소결체에 금속·세라믹스 서멧트 등과 같은 결합재를
사용하여 온도 1,300~1,400℃, 약 50K bar의 압력으로 30분 정도 소결한다. 다이아몬드의 이℃소결체 공구는 다이아몬드 미분말과
철, 코발트, 니켈등의 촉매금속을 섞어 펠렛화하고 초경합금 위에 겹쳐서 고온 고압하에 소결한다. CBN소결체 공구는 CBN의 미분말과
금속, 세라믹스, 서멧트 등을 펠렛화하여 초경합금과 겹처 소결한다. 공구의 모양도 거의 같고 0.5㎜층으로 되어 있다. 모양은 원반형이나
부채꼴형, CBN에는 4각이나 3각의 것이 있고 미국의 제너럴 일렉트릭(GE)사 제품의 경도가 어느쪽이나 1㎟당 3,000㎏로서 모두가 단결정인
경우에는 약한 점이 있으나 미세한 가루로 소결하는 경우에는 전체적으로 균질이 되어 결점을 커버할 수 있느 s이점이 있다. 초경질 절삭공구에
관해서는 아직도 충분히 만족하지는 못하나 새로운 재료가 지속적으로 개발 보급되고 있다.
 (그림 5) 초경질
절삭공구의 모양
3) 유기계 신소재 유기계 신소재는 주로 공업에 이용되는 중요한 고분자 재료로서 플라스틱과
탄성중합체(Elastomers)가 있다. 플라스틱은 성형할 수 있는 크고 다양한 합성물질군으로 폴리에칠렌과 나일론 같은 여러 종류의
플라스틱이 있으며, 화학결합 구조에 따라 열가소성수지(Thermoplastics)와 열경화성수지(Thermosets)로 분류되고, 탄성중합체
또는 고무는 힘을 가하면 크게 탄성변형 되었다가 힘을 풀면 원래 모양으로 되돌아간다. 열가소성수지는 가열하여 성형한 후 냉각시키면 모양을
유지하는데, 성질의 변화가 거의 없으므로 여러번 재가열하여 새로운 모양으로 재성형할 수 있다. 대부분의 열가소성수지는 서로 공유결홥된 탄소원자로
매우 긴 분자사슬(Main Chains)로 되어 있으나 종종 질소·산소나 유황원자가 주분자사슬에 공유결합하기도 한다. 열경화성수지는
재용융하면 다른 모양으로 재성형할 수 없는 화학방응이 일어난다. 영구성형 경화되지만 너무 높은 온도로 가열하면 분해된다. 따라서 열경화성수지는
재생할 수 없으며, 열경화성이란 말은 플라스틱을 영구히 굳히기 위해서는 열이 필요하다는 뜻이다. 그러나 상온에서 화학반응만으로 굳어지는
많은 열경화성수지가 있으나 대부분은 단단한 고체를 형성하는 공유결합된 탄소원자망으로 되어있다. 종종 질소·산소·유황이나 다른 원자도 열경화성
망구조에 공유결합 하기도 한다. 플라스틱을 만드는데 필요한 화학물질은 주로 석유·천연가스·석탄 등으로부터 나오는 재료는
단량체(Nonmers)라는 많은 작은 분자가 중합체(Polymer)라는 매우 큰 분자로 되는 중합에 의해 만들어진다. 플라스틱은 비교적 값이
저렴하고 다른 재료에서 얻을 수 없는 광범위한 성질을 가지고 있어 기계공업의 부품 제작에 많이 사용되고 있는데 간편한 조립, 마무리 작업의
불필요, 부품수의 감소, 경량화, 소음감소 또는 부품의 윤활 불필요 등 많은 장점이 있으며 전기공업에서도 우수한 절연성 때문에 매우 유용하게
사용되고 있다. 열가소성수지에 가장 많이 사용하는 가공법은 사출성형, 압출 및 흡입성형인데 비하여 열경화성수지는 압축, 전사성형 및 주조가
사용된다. 탄성중합체 또는 고무는 공업분야에 중요한 고분자 재료로서 천연고무는 농원의 나무에서 채취하는데 우수한 탄성 때문에 널리 사용되고
있으며, 스티텐부타티엔 고무를 비롯한 합성고무는 세계 고무공급의 약 70%를 차지하고 있고 니트릴과 네오프렌 같은 다른 합성고무는 기름과 용매에
대한 저항이 요구되는 특별한 경우에 사용된다.
① 생체 고분자 재료(Bio-Polymeric Material) 인간의 몸체만큼
정밀하고 뛰어난 것은 없기 때문에 이것을 인공의 재료로 바꾸어 놓으면 반드시 거부반응을 받게 된다. 따라서 생체적합재료의 개발은 그만큼 어렵고
또 완전한 jrt은 아직 하나도 없다고 해도 지나친 말은 아니다 최근에는 ‘바이오매틱’이라고 해서 생체기능의 모방·이용과 같은 생체기능
이용공학이 주목을 받고 있다. 이것은 생체에게 배워 생체와 똑같은 새로운 재료나 장치를 인공적으로 만들려는 것으로서 인공뼈나 인공혈관,
인공심장, 인공판 등과 같은 재료가 개발되어 이미 사용되고 있고 앞으로도 생체와 같은 재료의 개발을 목표로 하는 연구는 계속될 것으로
전망된다. 현재 몸체 속에 파묻히는 재료 중에서 가장 많은 것은 인공혈관으로 동맥경화성의 폐쇄, 정맥혈전증, 동맥류 등의 혈관이식 수술이
부쩍 늘어났다. 인공혈관이 처음 사용된 1950년초에는 나일론·오론이 사용되었으나, 지금은 다크론이나 테프론이 주요한 재료이며 혈전이
생기는 일도 있어 직경 5㎜이상의 굵은 동맥에 제한하고 있다. 혈액의 흐름이 느린정맥이나 가는 동맥용으로는 콜라겐 등을 코팅한 것이 사용되고
있다. 인공심장은 초기에 폴리염화비닐을 심장펌프로 사용했으나 최근에는 폴리우레탄을 이용하고 있다. 인공뼈나 관절, 인공치, 인공관절
등은 고밀도 폴리에틸렌과 스테인리스, 티탄합금, 세라믹스 등을 조합한 재료가 널리 쓰이고 있는데 인공물질을 생체에 파묻는 데 있어서 항혈전성은
절대조건이고 인체와 똑같은 재료개발을 위해 아직도 연구는 꾸준히 이루어지고 있는 추세이다.
② 액정 방계섬유(Liquid
Crystal Spinning) 섬유 중에서 현재 가장 강한 것은 미국 뒤퐁사가 개발한 케블러(Kevlar)이다.(그림 6참조)
 (그림6) 캐블러
섬유
종래 철보다 강한 것으로 알려진 나일론 66에 비하면 강도는 3배 이상이며 탄성률은 20배 이상, 열변형 온도는 전자가
70℃인데 비해 345℃나 된다. 고분자에서는 분자사슬이 쭉 뻗은 것이 강하고 분자사슬이 접혀 있으며 구조가 약하므로 분자배열을 잘 정렬하기
위해 쭉 뻗게 하거나 분자사슬이 접혀질 틈을 주지 않을 정도로 빨리 중합하여 결정이 배향성장을 부추겨서 섬유모양으로 만들고 있다. 뒤퐁사가
개발한 고강력, 고탄성률의 케블러섬유는 강직봉상인 고분자의 액정상용액을 방사한 것으로 폴리-P-페니렌텔렙타드아미드라고도 하며 앙상 또는
아미노계의 용액등으로 특정한 폴리머농도로 방사에 알맞은 온도의 용액을 만들어 습식방사한다. 이때 분사슬은 고도로 배향하여 결정화하기 쉬운 구조가
되므로 강도가 매우 커진다. 이것을 0~20℃ 저온의 응고액 중에서 방사하여 분자가 고른 고강력 섬유로 만든뒤 다시 150~500℃정도의
고온으로 짧은 시간 열처리하여 탄성률을 향상시키고 있다. 이리하여 철보다 강한 새로운 이 섬유는 방탄조기나 철모, 타이어 고오드, 해양구조물의
계류망 등으로 널리 쓰이고 있으며 최근에는 전기전자재료, 자동차부품이나 기기의 소형화·경량화 등에도 이용되고 있다.
4)
복합재료(Lomposite Material) 현대산업의 꽃인 자동차, 비행기, 우주선에서 건축, 가정용품, 에너지 관련기기에 이르기까지
광범위한 분야에서 가볍고 강력한 재료의 출현을 기대하고 있으나 아직도 금속이건 플라스틱이건 이런 요구에 만족하는 재료는 많지
않다. 복합재료는 형태와 화학조성이 다르고 서로 용해되지 않은 2개 이상의 미시적 혹은 거시적 구성물질의 혼합이나 조합으로 구성되어 각
성분보다 우수한 성질을 나타내면서 설계에서 요구되는 강도, 경량화, 그리고 강인성을 가진 복합재료가 개발되고 있다. 복합재료는 몇가지
재료를 합한 것이지만 크게 나눠 합체계와 생성계가 있다. 생성계는 분자상태에서 2개 이상의 재료를 분산하는 ‘분자복합체’로서 최근에 미국에서
개발되었고 현재는 합체계의 복합재가 주류를 이루고 있다. FRP(fiber-glass Reinforced Plastics)라는 이름이 널리
알려져 사용되고 있는데 이는 유리섬유나 카본섬유 등으로 강화시킨 섬유강화플라스틱을 말한다. 일부 섬유강화플라스틱 복합재는 인조섬유로 만들어지는데
유리, 탄소 및 아라미드형이 있다. 이중 유리섬유가 비교적 값이 싸고 적당한 강도와 고밀도를 가지며, 탄소섬유는 고강도, 고계수, 저밀도를
가지고 있는데 값이 비싸므로 고강도-무게비가 요구될 경우에만 사용한다. 아라미드 섬유는 고강도와 저밀도를 갖지만 탄소섬유만틈 강하지 않으면서
값은 고가이므로 고강도-무게비가 요구되고 탄소섬유보다 유연성이 요구될때 사용한다. 안전헬멧, 고급 낚시대, 골프나 테니tm, 봉고도용 막대기등
스포츠용품, 가정용품, 보트, 자동차 등에 널리 쓰이고 있다. 섬유강화플라스틱용 유리섬유의 기지로 가장 많이 사용되는 것은 폴리에스테르이고
탄소섬유강화 플라스틱용으로 가장 널리 사용되는 기지는 에폭시이다. 탄소섬유강화 에폭시 복합재료는 항공과 우주산업에 널리 사용되며
유리섬유강화 폴리에스테르 복합재는 건축물, 선박, 항공산업 등에 가볍고 강인성을 가진 재료로 널리 응용되고 있다. 섬유를 잘게 썰어서
성형하고 폴리에스터 등의 수지를 첨가한 뒤 열을 가하여 굳힌다. 또는 섬유를 갈아 성형하는 방법도 있다. 종래 이 유리섬유와 열경화성의
폴리에스터 수지가 주체이었으나 최근에는 단소재의 종류도 늘어나서 ERTP(섬유강화 열가소성수지)에서는 FRPC(섬유강화 폴리카보네이트 복합재)와
같이 카메라의 바디에도 쓰이게 되었다. 폴리카보네이트는 충격에 강하고 기계적 전기적 성질이 강하고 빛과 열에도 안전하며 못에도 매우 강한
합성수지로서 복합화로 더욱 고성능의 재료가 되었다. 시계나 복사기, VTR이나 컴퓨터 주변기기용 등 금속과 대신해서 사용할 수 있는 정밀하고
강도 높은 것이 개발되고 있다. 카본섬유(CF) RP등 보강재로서 유리비르, 마이카(운모), 그리고 폴리오레핀계 강화플라스틱(RTP)에서는
폴리프로필렌(PP)에 유리섬유나 무기충전재(활석, 탄산칼슘), 목분 등이 충전재가 쓰이고 자동차용으로 이용된다. 이용면을 개척하기 위해
재료설계를 하고 있으며 이것을 ‘엔지니어링 플라스틱’이라고 한다. 알루미늄합금 등에 알루미나섬유 등을 복합시키면 더욱 가볍고 강한 항공기를
만들 수 있으며 성능과 연비도 향상시킬 수 있어 항공과 우주산업에 널리 사용되고 있다.
|