보고서를 쓰는 이유
: 우리는 보통 금속을 생각할 때 단단하다는 성질을 많이 떠올리곤한다. 철, 은, 구리와 같이 실생활에서 쉽게 접할 수 있는 금속들은 대부분 고체로 단단하게 존재한다. 그러나 모든 금속이 상온에서와 비슷한 온도에서 단단한 고체의 형태로 존재하는 것이 아니라는 것에 흥미를 느꼈다. 그렇다면 이러한 액체금속이 현대 기술에서 어떻게 활용되고 연구되고 있는지 탐구하고 싶어 이 보고서를 쓰게 되었다. 또 그 기술들의 앞으로의 전망은 어떠하며 어떤 분야에서 활용될지 또한 궁금하다.
서론
1 ) 액체금속의 정의
– 액체금속이란 무엇인가? -> 액체금속은 액체 상태의 금속 또는 상온 또는 특정 사용 온도에서 액체 형태를 유지하는 금속 및 합금을 뜻한다. 그렇다면 액체금속을 왜 상온에서 액체로 존재할까? 라는 의구심을 품었다. 그러한 호기심을 풀기위해 대표적인 액체금속인 수은이 액체로 존재하는 것에 대해 알아보았다. 이는 양자역학적인 이유이다. 원자가 점점 커진다 보면, 즉 원자번호가 클수록 중앙에 있는 원자핵의 끌어당기는 힘이 강해지고 안쪽에 있는 내부의 전자를 끌려가지 않기 위해서 고속회전을 하게된다. 회전한다는 것은 원자의 회전 궤도를 설명하는 양자물리학의 고전적 모델인 보어 모델의 개념이다. 전자가 빨리 돌게 되면 상대성 이론이 적용되기에 얼마나 빨리 도냐는 것이 중요해지게 된다. 이때 가장 안쪽 껍질의 전자는 양성자 개수, 즉 원자번호를 137로 나눈 수치만큼 광속에 비례하며 137을 미세구조상수라고 한다. 수은이 원자번호는 80번이므로 이를 고려하면 수은은 전자는 광속의 58%로 움직이며 이로 인해 질량이 늘어나며 오비탈들의 형태가 바뀐다. 오비탈이란 원자핵 주위에서 전자가 발견될 확률 분포를 3차원 공간이 구름 형태로 나타낸 영역을 말한다. 간단하게 본다면 이 공간에 전자가 채워지는, 점유하는 공간이다 라고 보면되는 것이다. 전자가 존재할 확률이 90% 이상인 공간을 연결하면 동그란 구형 모양이 그려지는데, 그렇기 때문에 원자모형을 그릴때 동그랗게 그리는 것이다. 오비탈 중에 화학 결합을 해야하는 전자들은 보통 바깥쪽에 있는 전자들인데 이러한 과정에서 결합할 오비탈 전자가 안쪽으로 숨어 다른 금속과의 결합이 불가능해진다. 보통이라면 금속 원자끼리 엉겨붙어 금속이 되는 것이 일반적이지만 수은은 다른 금속과 결합이 불가능하기 때문에 액체 상태를 유지하는 것이다.
– 액체금속의 특징 -> 상온에서 액체 상태를 유지하기 때문에 녹는점이 낮다는 특징이 있다. 또
– 액체금속의 대표적 예 : 수은, 갈륨 -> 액체금속은 액체금속의 상태에 따라서 여러가지 종류로 나누어 볼 수 있다. 첫번째로 상온에서 액체인 순수 금속 원소로 수은, 세슘, 갈륨, 루비듐, 프랑슘이 있다. 두번째로 저녹점 금속 합금이 있는데 이는 순수 금속 외에 여러 금속을 섞어 녹는 점을 낮춘 합금 형태로 널리 쓰이고 있다. 그 예로는 갈륨과 인듐, 주석의 합금이 갈린스탄, 나트륨과 칼슘을 섞은 합금이 나트륨-칼륨 합금이 있다. 대표적으로 몇가지 액체금속이 대해서 알아보았다. 첫째로 수은이다. 액체금속하면 가장 대표적인 금속 원소로 상온에서 유일하게 액체 상태로 존재하는 금속 원소이다. 수은은 은백색을 띠며 무겁고 유동성이 있다. 그렇다면 수은은 언제나 액체 상태를 유지하는 것일까? 답은 아니다. 수은 또한 녹는점과 끓는 점이 있기에 녹는 점인 약 -38도 이하에서는 결빙하며 끓는 점이 약 356도에서는 기체상태로 변화한다. 수은의 온도를 낮추는 과정에 서 특정 온도 이하에서 물질의 전기 저항이 완전히 0이외에 전력 손실이 사라지는 현상인 초전도 현상을 발견했다. 또 액체 거울 망원경을 통해 수은이 낮은 온도에서 고체가 된다는 것을 활용한 사례를 알 수 있다. 액체 거울 망원경이란 반사성 액체로 만들어진 거울을 사용한 천문학에서 주로 사용하는 망원경이다. 가장 일반적으로 사용되는 액체는 수은으로 이를 일정한 속도로 회전시키면 액체 표면이 포물선 모양을 띠게 되어 망원경의 거울 역할로 사용되는 것이다. 그러나 이 망원경은 기울일 수 없기에 항상 천정이라고 하는 머리 꼭대기 방향만을 볼 수 있다는 한계가 있다. 둘째로 갈륨이다. 갈륨을 4주기 13목에 속하는 금속으로 수은과 마찬가지로 녹는점이 약 29도로 낮아 사람의 체온에 닿으면 액체로 녹아내린다. 그러나 수은과는 다르게 끓는점이 약 2,203도로 매우 높다는 특징이 있다. 갈륨을 겉보기에 밝은 은백색을 띠며, 칼로 쉽게 잘릴 정도로 무른 금속이다. 또 물처럼 액체에서 고체로 응고할 때 부피가 팽창하는 특성이 있다. 또 갈륨을 주로 반도체 산업에 많이 사용된다. 특히 LED와 태양전지에서 중요한 역할을 하는데 이는 갈륨 화합물인 갈륨 아세나이드는 실리콘보다 전기적 성능이 우수해 고속 전자 기기에 필수적이기 때문이다. 또 갈륨의 화학적 성질에는 산소와 쉽게 반응하지 않아 공기 중에서 안정적이며 수소와도 반응하지 않아 고온에서도 화합물이 잘 형성되지 않는다는 특성이 있다. 또 특이한 점으로는 액체 갈륨을 다른 금속 결정 안으로 쉽게 확산되며 특히 알루미늄 표면에 닿으면 알루미늄의 구조를 완전히 약화시키고 쉽게 부서지게 만든다는 점이 있다.
본론1
액체금속 파우더
- 액체금속 파우더란?
- 기술 개발 배경 (현재 기술의 수요 & 액체금속 한계)
- 액체금속 파우더 기술
- 성능과 장점 (활용 가능 분야 & 환경 보호에서의 이점)
본론2
액체금속 회로(종이)
- 액체금속 기반 회로란?
- 기술 개발 배경 (현재 기술 동향 & 종이 전자장치 한계)
- 액체금속 기반 회로 제작 기술
- 성능과 장점
본론3
전자잉크
- 전자잉크란?
- 주요 소재 – 갈륨
- 액체금속 기반 전자잉크 기술
- 성능과 장점(활용 가능 분야)
본론4
액체금속 방열 신소재
- 액체금속 방열 신소재란?
- 방열소재
- 액체금속 방열 신소재 설계
- 성능과 장점(전망 분야)
결론(+생각과 태도 변화)
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