화학적 기능성 소재의 이해

기능성 재료는 특수 전기, 자기, 광학, 음향, 열, 기계, 화학 및 생물학적 기능을 갖춘 대규모 신소재로 정보 기술, 생명 공학, 에너지 기술과 국방은 건설의 중요한 기초자재일 뿐만 아니라 농업, 화학공업, 건축자재 등 특정 전통산업을 변혁하는 데에도 중요한 역할을 합니다. 다양한 용도로 사용되는 다양한 유형의 기능성 소재가 매우 광범위한 시장 전망과 매우 중요한 전략적 중요성을 지닌 대규모 하이테크 산업 그룹을 형성하고 있습니다. 기능성 소재는 성능에 따라 마이크로전자소재, 광전자소재, 센서소재, 정보소재, 바이오의학소재, 생태환경소재, 에너지소재, 스마트(스마트)소재로 구분된다. 우리는 전자정보소재를 별도의 신소재로 간주하였으므로 여기서 말하는 신기능소재는 전자정보소재 이외의 주요 기능성 소재를 의미한다.

기능성 소재는 신소재 분야의 핵심으로 첨단 신기술 개발을 촉진하고 지원하는 데 중요한 역할을 한다. 글로벌 신소재 연구 분야에서 기능성 소재는 약 85개를 차지한다. %. 정보화 사회의 도래와 함께 첨단신기술의 발전을 촉진하고 지원하는 중요한 역할을 담당하는 특수 기능성 소재는 정보, 생물학, 에너지, 환경보호, 우주 등 첨단분야의 핵심 소재입니다. 21세기 들어 세계 여러 나라에서 신기술로 자리잡은 소재 분야의 연구개발은 세계 각국의 첨단기술 발전에 있어 전략적 경쟁의 중심지이기도 합니다.

기능성 소재의 중요성이 커지면서 세계 각국에서는 기능성 소재 기술 연구에 큰 중요성을 부여하고 있다. 1989년 미국 과학자 200여 명이 '1990년대 재료과학과 재료공학'이라는 보고서를 작성해 정부가 지원하는 소재 6종 중 5종이 기능성 소재여야 한다고 제시했다. 1995년부터 2001년까지 2년마다 업데이트되는 '미국 국가핵심기술' 보고서에서는 특수 기능성 소재와 제품 기술이 큰 비중을 차지했다. 2001년 일본 문부과학성 과학기술정책연구소가 발표한 제7차 기술예측연구보고서에는 미래에 영향을 미칠 중요한 100가지 이슈가 제시됐다. 신소재나 신소재 개발에 의존하는 이슈 중 대다수가 기능성 소재인 경우가 많습니다. 유럽연합의 6차 기본계획과 한국의 국가계획에서는 기능성 소재 기술을 최신 과학기술 개발 계획의 핵심 기술 중 하나로 지정하여 핵심 지원을 제공하고 있습니다. 모든 국가는 국가 경제 발전, 국가 안보 수호, 국민 건강 개선 및 삶의 질 향상에 있어 기능성 소재의 탁월한 역할을 매우 중요하게 생각합니다.

해외 기능성 신소재 개발 현황

현재 국제 기능성 소재와 그 응용기술은 초전도재료, 마이크로전자재료, 광자재료, 정보재료 등 새로운 돌파구를 맞이하고 있다. 에너지 전환 및 에너지 저장 소재, 생태 환경 소재, 생체의학 소재, 소재의 분자 및 원자 설계 등이 급속히 발전하고 있습니다. 기능성 소재 기술의 개발은 일부 선진국에서 경제적, 군사적 이점을 강화하는 중요한 수단이 되고 있습니다. .

초전도 재료 NbTi, Nb3Sn으로 대표되는 실용적인 초전도 재료는 상용화되어 핵자기공명영상(NMRI), 초전도자석, 대형가속기자석 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 초전도체의 약한 전류 응용을 위한 모델로서 약한 전자기 신호를 측정하는 데 중요한 역할을 해 왔으며 그 감도는 초전도가 아닌 다른 장치로는 달성할 수 없습니다. 그러나 기존 저온초전도체는 임계온도가 너무 낮기 때문에 값비싸고 복잡한 액체헬륨(4.2K) 시스템에 사용해야 하므로 저온초전도 응용 분야의 개발이 심각하게 제한됩니다.

고온 산화물 초전도체의 등장으로 온도 장벽을 허물고 초전도 적용 온도를 액체 헬륨(4.2K)에서 액체 질소(77K) 온도대로 끌어올렸다. 액체 헬륨에 비해 액체 질소는 매우 경제적인 냉매이며 열용량이 높아 엔지니어링 응용 분야에 큰 편의성을 제공합니다. 또한, 고온초전도체는 매우 높은 상임임계장[Hc2(4K)>50T]을 갖고 있어 20T 이상의 강한 자기장을 생성할 수 있어 기존 저온초전도 물질의 단점을 극복할 수 있다. 많은 수의 과학자들이 높은 Tc 초전도 메커니즘, 물리적 특성 및 재료의 화학적 성질을 연구하기 위해 가장 진보된 기술 장비를 채택하도록 매력을 느낀 것은 바로 고유 특성 Tc 및 Hc2가 가져오는 엄청난 경제적, 기술적 잠재력 때문입니다. 특성, 합성 과정 및 미세 구조가 광범위하고 심층적으로 연구되었습니다. 고온 산화물 초전도체는 매우 복잡한 다중 원소 시스템입니다. 연구 과정에서 응집 물질 물리학, 결정 화학, 공정 기술 및 미세 구조 분석을 포함한 다양한 분야와 관련된 중요한 문제가 발생했습니다. 비정질 기술, 나노분말 기술, 자기광학 기술, 터널 현미경 기술, 전계 이온 현미경 기술 등 재료과학 연구 분야의 최신 기술과 방법들이 고온 초전도체 연구에 활용되고 있으며, 이들 중 다수는 연구 작업에는 재료 과학의 프론티어 문제가 포함됩니다. 고온 초전도 물질에 대한 연구는 단결정, 박막, 벌크 재료, 전선 및 응용 분야에서 중요한 진전을 이루었습니다.

생의학 재료 첨단 기술의 중요한 부분으로서, 생의학 재료는 급속한 발전의 새로운 단계에 진입했습니다. 시장 매출은 20년 이내에 연간 16% 증가할 것으로 예상됩니다. 바이오의료소재 시장점유율이 제약시장을 따라잡아 기둥산업으로 자리잡게 될 것이다.

생체활성 세라믹은 의료용 바이오세라믹의 주요 방향이 되었습니다. 생분해성 고분자 재료는 의료용 고분자 재료의 중요한 방향입니다. 의료용 복합 생체재료의 연구 초점은 강화된 생체복합체 및 기능성 생체복합체에 있으며, 기능성 HA 생체복합체에 대한 연구도 매우 활발합니다.

에너지 소재 태양전지 소재는 IBM이 개발한 다층 복합 태양전지의 전환율이 무려 40%에 달하는 에너지 신소재 연구개발 분야에서 화두다. 미국 에너지부에서 지원하는 모든 수소 에너지 연구 자금의 약 50%가 수소 저장 기술에 사용됩니다. 고체산화물 연료전지에 대한 연구가 매우 활발하며, 핵심은 현재 뜨거운 연구 주제인 고체전해질막, 전지 음극재 등의 전지소재와 양성자교환막 연료전지용 유기양성자교환막 등이다.

생태환경소재 친환경환경소재는 1990년대 국제 첨단신소재 연구에서 형성된 새로운 분야로 일본, 미국 등 선진국에서는 연구개발이 매우 활발하다. 주요 연구 방향은 ① 생분해성 소재 기술, CO2 가스 응고 기술, SOx 및 NOx 촉매 전환 기술, 폐기물 재활용 기술, 환경 오염 정화 기술, 소재 등 환경 문제와 직접적으로 관련된 소재 기술이다. 자원 및 에너지 절약을 위한 가공기술 및 기술 준비 ② 바이오닉 소재, 환경보호 소재, 프레온, 석면 등 유해물질 대체소재, 친환경신소재 등 지속가능한 경제발전을 가능하게 하는 친환경 소재를 개발한다. ; ③재료의 환경 적합성 평가.

스마트소재 스마트소재는 천연소재, 합성고분자소재, 인공설계소재에 이은 4세대 소재로 현대 첨단신소재 개발의 중요한 방향 중 하나이며 이를 뒷받침할 것이다. 첨단 기술의 발전과 함께 전통적 의미의 기능성 소재와 구조적 소재의 경계가 점차 사라지고 구조적 기능화와 기능적 다양화가 실현되고 있습니다. 과학자들은 스마트 소재의 개발과 대규모 적용이 소재과학 발전에 일대 혁명을 가져올 것이라고 예측하고 있다. 외국에서는 스마트 소재의 연구 및 개발에서 많은 기술적 혁신을 이루었습니다. 예를 들어 영국 항공우주공사(British Aerospace Corporation)는 와이어 센서를 사용하여 항공기 스킨의 변형 및 온도 조건을 테스트했습니다. 수명은 100만회이며 출력 전력은 높습니다. 브레이크로 사용할 경우 압전 재료, 자기변형 재료, 전도성 고분자 재료, 전기유변 유체 및 기타 스마트 재료에서 반응 시간은 10분입니다. 드라이브 구성 요소 재료 항공 응용 분야에서 수많은 혁신적인 결과가 달성되었습니다.

국내 기능성 소재 개발의 현황과 격차

국내 연구에서는 '863', '973' 등 기능성 소재 개발을 매우 중시하고 있다. , 국립 자연 과학 재단 및 기타 프로그램, 기능성 소재가 큰 비중을 차지합니다. '9차 5개년 계획'과 '10차 5개년 계획' 국방계획에는 특수 기능성 소재도 '국방첨단' 소재로 명시돼 있다. 이러한 과학기술적 조치의 시행으로 우리나라는 기능성재료분야에서 유익한 성과를 얻을 수 있게 되었습니다. '863' 프로그램 지원으로 초전도 소재, 평판 디스플레이 소재, 희토류 기능성 소재, 바이오메디컬 소재, 수소저장, 다이아몬드 필름, 고성능 고체 추진체 소재, 적외선 스텔스 소재, 소재 디자인 등 신에너지 소재 성능 예측 등 기능성 소재의 새로운 분야에서는 국제 선진 수준에 근접하거나 도달하는 다수의 연구 성과를 달성하며 세계적으로 자리매김하고 있습니다. 니켈수소전지와 리튬이온전지의 주요 성과지표와 생산기술이 해외에서 선진수준에 도달했고, 니켈수소전지의 산업화를 촉진하며 기능성 세라믹 재료의 연구개발이 상당한 진전을 이루었다. 우리나라는 칩전자부품을 대상으로 고성능 자기재료 연구에 획기적인 발전을 이루었으며 저소성 자기재료와 비금속전극 분야에서 자국의 특성을 형성하고 산업화를 이룩하여 칩콘덴서 재료와 그 부품을 세계에 선보이고 있다. 고급 등급 NdFeB 제품의 연구, 개발 및 산업화에서 상당한 진전이 이루어졌으며 특정 성분 공식 및 관련 기술에서 독립적인 지적 재산권이 획득되었으며 다음과 같은 국방 프로젝트에도 사용됩니다. 폭탄 2개와 위성 1개', '4대장비 4성' 프로젝트에 지대한 공헌을 했다.

현재 세계 여러 나라에서 기능성 소재에 대한 연구가 매우 활발하고 기회와 도전이 가득하며 신기술과 새로운 특허가 속속 등장하고 있다. 선진국들은 지적재산권을 통해 특수 기능성 소재 분야에서 기술 독점을 시도하고 있으며, 중국의 광대한 시장을 선점하려는 시도가 우리나라에서도 큰 주목을 받고 있다. 최근 몇 년 동안 우리나라는 새로운 희토류 영구자석, 생물의학, 생태환경 재료, 촉매 재료 및 기술 분야에서 특허 보호를 강화했습니다. 그러나 현재 우리나라의 기능성 소재에 대한 혁신적 연구는 충분하지 않으며, 출원된 특허의 수, 특히 국제 원천특허의 수가 우리나라의 위상에 비해 턱없이 부족하다는 점을 보아야 합니다. 우리나라의 기능성 소재 시스템 통합에도 부족한 부분이 있어 개선 및 개발이 필요하다.

향후 5~10년 안에 우리나라의 경제, 사회, 국가안보 측면에서 기능성 소재에 대한 수요는 엄청날 것이다. 기능성 소재는 우리나라가 3단계 전략을 성공적으로 달성할 수 있을지와 관련된 핵심 신소재다. 목표.

개발포커스

고온초전도물질 제조 및 응용기술

희토류 기능성 소재

에너지전환 신기술( 에너지 소재 )

바이오메디컬 소재

그린 올림픽 엔지니어링 소재 및 기술

분해능 멤브레인 소재 및 기술(해수, 염소-알칼리 멤브레인)

인쇄(제판, 감광성), 디스플레이(OLED) 소재

전통 산업 기술의 첨단 변혁

핵심 기술 선정

에너지 소재

①고체산화물 연료전지:

고체산화물 연료전지는 양성자 교환막 연료전지에 비해 변환 효율이 높고 에너지 절약 효과가 있는 새로운 형태의 친환경 에너지 소자입니다. 이산화탄소 배출량을 50% 줄이고, NOx를 발생시키지 않으며, 선진국의 연구개발에 중점을 둔 새로운 에너지 기술이 되었습니다. 그러나 현재 연구되고 있는 고체산화물 연료전지의 작동 온도는 800~900°C에 이르며, 핵심 구성요소의 재료 준비는 항상 고체산화물 연료전지 개발을 제한하는 병목 현상이 되어 왔다. 핵심 기술로는 a) 고성능 전극 소재 및 그 제조 기술, b) 새로운 전해질 소재 및 전극 지지 전해질 분리막 제조 기술, d) 배터리 구조 최적화 설계 및 제조 기술 등이 있다. 배터리 구조, 성능 및 특성 연구.

② 광전변환 효율 18% 이상 실리콘 기반 태양전지 상용화

광전 변환 효율이 더 높은 저가형, 대면적 상용화 실리콘 기반 태양전지 개발 18% 이상의 태양전지 및 그 구성요소.

③ 태양에너지(광발전, 열전, 열교환)의 종합적 활용 및 풍력발전과의 결합기술로 총 이용효율이 15% 실용적, 태양 에너지와 풍력 발전의 포괄적인 활용을 결합하고 전력 공급을 위해 그리드에 연결할 수 있는 실용적인 분산형 지상 발전소를 구축합니다.

희토류 소재

1희토류 촉매 소재

2희토류 영구자석 소재

고성능(N50), 높은 균일성 혁신 , 고온계수 저온계수 소결 희토류 영구자석 소재와 고성능(자기에너지 제품 20MGOe) 결합 희토류 영구자석 소재 산업화를 위한 핵심기술.

③고휘도, 장수명 백색광 LED 에너지 절약형 조명 시스템

저비용, 고휘도, 장수명 백색광 LED 에너지 절약형 조명 시스템은 산업화되어 일반 사람들의 집에 들어왔습니다.

생의학 소재

Ⅰ바이오칩

②생체 적합성이 좋고 분해 또는 재생이 가능한 인체 연조직 및 경조직 대체 소재

3 혈액 정화 분자 인식 및 특정 면역 기능을 갖춘 재료 및 장치.

생태환경 소재

① 유기막 분리기술 : 해수(또는 염분-알칼리수) 담수화 효율 50% 수준의 유기막 실용화 및 산업화.

②모래고정 식생자재 및 기술

3에너지 절약형 친환경 건축자재 및 핵심 가공기술 :

일일 생산량 2,000개 돌파 톤의 유동화 시멘트 소성 기술, 단위 에너지 소비 및 먼지 배출은 현재의 새로운 건식 공정보다 낮으며 플로트 건축 유리를 생산하는 순수 산소 연소 산업화를 실현합니다.

특수 기능성 소재

① 무기분리촉매막 : 무기분리촉매막(산소투과막, 분자체막, 수소투과막) 핵심제조기술 돌파 및 무기분리촉매막 확립 분리촉매막 천연가스를 촉매전환하여 합성가스 및 액체연료를 생산하고, 천연가스를 직접 전환하여 에틸렌을 생산하고, 바이오매스 원료를 원료로 에탄올을 생산하고, 천연가스를 수소를 생산하는데 사용되는 실증생산장치입니다.

2대형 광학 다이아몬드 필름

3유기 자성 재료: 고유의 유기 자성 재료를 돌파하는 핵심 기술.

넷 민감한 물질과 센서.