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문제 정의
- 이번 총설에서는 3차원 나노 구조화 기술을 이용한 기능성 세라믹 소재를 제작하고 이를 실제 광촉매, 구조 소재, 에너지 생산 소재에 적용한 최신 연구 개발 동향에 대해 정리하고자 한다.
- 1. 절에서는 3차원 나노 구조의 세라믹 소재를 활용한 고성능의 광촉매 소재의 개발 동향에 대해 설명하고자 한다.
- 2. 절에서는 3차원 나노 구조의 세라믹을 이용하여 구조 소재에 대한 위 두 가지 연구개발 동향에 대응하는 접근 방식에 대해 소개하고자 한다.
- 따라서 최근에는 나노 구조체의 특수한 기계적 거동과 결함 존재 확률의 최소화 등의 새로운 접근 방식을 통해 세라믹 소재를 미래 구조 소재 기술에 적용하려는 연구가 진행되고 있다. 이 절에서는 3차원적으로 정렬되어 있는 TiN 와 Al2O3나노 구조체를 이용하여 낮은 밀도에서 고강도 구조 소재를 구현한 대표적 연구들을 소개하고자 한다.
- 정렬된 3차원 나노 구조의 세라믹 재료를 고분자 복합소재의 필러 재료로 활용할 경우 높은 분산성과 연결성을 확보할 수 있어 이상적인 고강도 복합소재를 구현할 수 있다. 이 절에서는 3차원 나노 구조의 Al2O3 를 필러 재료로 활용한 고분자 복합소재에 대한 연구를 소개하고자 한다.
- 3차원 방향으로 정렬된 다공성 구조의 기능성 세라믹 재료들은 기존 나노 재료들이 가지는 넓은 표면적이라는 장점뿐만 아니라 효율적 물질 전달 효과, 높은 전기전도성, 독특한 기계적, 광학적 물성 등 다양한 특징들을 나타냄으로 에너지 생산 및 저장 소재에 활용하려는 시도 또한 계속되고 있다. 특히, 이 절에서는 태양전지, 열전소자, 리튬이온배터리에 3차원 나노 구조의 기능성 세라믹 소재들이 적용된 연구 결과들을 소개하고자 한다.
- 본 총설에서는 다양한 기능성 세라믹 소재들의 3차원 나노 구조화 기술과 이를 통해 구현된 고성능 기능성 세라믹 소재들을 실제 응용분야에 적용한 사례들을 정리하였다. 3차원 나노 구조 소재는 넓은 표면적뿐만 아니라,정렬된 다공성 구조에 의한 효율적 물질, 이온, 전자 전달 능력, 상호 연결성 구조에 의한 높은 응력, 전기 및 열전달 능력 등 다양한 장점들을 가지고 있다.
- 3차원 나노 구조 소재는 넓은 표면적뿐만 아니라,정렬된 다공성 구조에 의한 효율적 물질, 이온, 전자 전달 능력, 상호 연결성 구조에 의한 높은 응력, 전기 및 열전달 능력 등 다양한 장점들을 가지고 있다. 3차원 나노구조의 기능성 세라믹 재료의 우수성을 증명한 여러 연구 결과들 중 본 총설에서는 광촉매, 구조 소재, 에너지 생산 및 저장 소재 등 대표적 응용분야에 대해 현재까지 개발된 기술들을 정리하였다. 본론의 응용분야에서 3차원 나노 구조화 기술을 통해 제작된 기능성 세라믹 소재들의 특징을 간략히 다시 한번 설명하자면, 첫 번째, 3차원 광촉매 소재는 넓은 표면적과 정형화된 형태 특성으로 말미암아 나노 입자와 광촉매 성능이 유사하고, 재사용이 용이하며, 가시광 조사 하에서도 적용 가능하다는 것을 보여줬다.
- 두 번째, 3차원 나노 구조로 제작된 구조재료는 나노 수준에서 정렬된 구조적 특징 덕분에 낮은 밀도의 강도에서 기존 소재보다 크게 향상된 물성을 나타냈을 뿐만 아니라 전면적에서 정렬 및 연결되어 있는 구조적 요인에 의해 기존 소재의 강도 향상 효과를 뛰어넘는 이상적인 복합소재를 구현할 수 있다는 연구결과를 보고했다. 마지막으로 주기적 기공 분포, 높은 비표면적 덕분에 태양전지, 배터리, 열전소자를 포함한 고성능의 에너지 생산 소자와 에너지 저장 소자 또한 구현할 수 있다는 것을 증명하는 연구 결과들을 소개했다. 본 총설에서 소개한 기능성 세라믹 소재의 3차원 나노 구조화 기술은 높은 단가, 낮은 수치 안정성 등의 현실적 문제들 때문에 실제 산업계에는 적용되지 못하고 학계 위주로 연구개발이 진행되고 있지만 정렬된 3차원 나노 구조화 기술은 우수한 재료 물성을 발현 시킬수 있는 미래 기술로써 기능성 세라믹 기반 응용분야의 획기적인 성능 향상을 위한 하나의 대안이 될 수 있다.
- 마지막으로 주기적 기공 분포, 높은 비표면적 덕분에 태양전지, 배터리, 열전소자를 포함한 고성능의 에너지 생산 소자와 에너지 저장 소자 또한 구현할 수 있다는 것을 증명하는 연구 결과들을 소개했다. 본 총설에서 소개한 기능성 세라믹 소재의 3차원 나노 구조화 기술은 높은 단가, 낮은 수치 안정성 등의 현실적 문제들 때문에 실제 산업계에는 적용되지 못하고 학계 위주로 연구개발이 진행되고 있지만 정렬된 3차원 나노 구조화 기술은 우수한 재료 물성을 발현 시킬수 있는 미래 기술로써 기능성 세라믹 기반 응용분야의 획기적인 성능 향상을 위한 하나의 대안이 될 수 있다. 특히, 대규모의 투자가 가능한 우주항공 등 고부가가치 산업에서 우선적으로 적용하여 실제 산업에서의 가능성을 확인한 후, 인간의 삶과 가까운 실생활에 보급하여 정착 시키는 것이 가장 현실적인 방법이라 판단된다.
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