신소재 공학의 연구과제

신소재 공학의 연구과제

신소재 공학의 연구과제

신소재 공학은 이것이 끝이 아닙니다. 그것보다 한 단계 더 앞으로 나아가서 우리가 눈으로 보거나 현미경을 통해서 보는 그 이상의 미세조직까지 들어가서 신소재공학을 완성된 학문으로 만드는 방법이 있습니다. 그중에 4가지를 대표적으로 적었습니다. 기본적으로 신소재공학이 추구해가는 방향이라는 것은 자연을 어떻게 묘사하는가입니다. 자연은 수 억년의 세월 동안 서서히 최적화된 형태로 진행되어 온 것이 자연입니다. 그래서 우리는 자연을 바라보면서 많은 것을 알고 보게 됩니다. 자연에서 우리가 배운 것들의 대표적인 4가지를 정리하면 다음과 같습니다. 하나는 극한 환경에 사용되는 재료입니다. 자세한 내용은 뒤에서 살펴보겠습니다. 다음으로 자연을 모사하는 재료로 더 자연에 가까운 재료를 만들어내는 법에 대해서 살펴보겠습니다. 그에 더해서 자연도 몰랐던 새로운 기능성을 가지는 재료, 더 나아가 새로운 물질을 창조하는 재료면 굉장히 좋을 것입니다. 신소재 공학이 진행하고 있는 연구들을 조금 더 살펴보도록 합시다.

신소재 공학 연구 - 극한 환경 재료

먼저 극한 환경에 사용되는 재료를 살펴보겠습니다. 대표적인 재료로는 세라믹과 금속이 있습니다. 그 중에서 세라믹을 예로 들겠습니다. 여러분들도 잘 아시는 우주 왕복선을 살펴보면 로켓을 쏘아 올리는 것과 우주왕복선을 쏘아 올리는 것이 큰 차이가 없을 것 같지만 큰 차이가 있습니다. 우주에 나가고 들어올 때 우주에는 공기가 없는 곳에서 공기가 있는 곳에 진입을 할 때 공기와의 마찰 때문에 우주선 동체가 엄청난 열을 받게 됩니다. 예를 들어 오른쪽 그림을 보시면 색깔이 다르게 나옵니다. 아주 밝은 빛부터 보라색 빛까지 온도에 따라 색깔을 볼 수 있습니다. 진입할 때 제일 먼저 닿게 되는 앞부분은 거의 1650도 까지 견딜 수 있는 재료를 써어야만 우주선을 보호할 수 있습니다. 아래쪽 특히 공기와 많이 닿게 되는 동체의 밑면도 1200도까지 견뎌줘야 합니다. 이렇다 보니 열을 잘 견딜 수 있는 재료가 필요합니다. 여기에 사용되는 대표적이 재료는 실리카입니다. 기본적으로 이산화규소 SiO2로 이루어져 있으며 모래의 주성분입니다. 실리카라는 재료를 써서 만드는 것이 아니라 실리카 재료에다가 아래 그림과 같이 많은 구멍이 생성되도록 만들어줍니다. 이렇게 만들어주면 공기의 열전도율이 매우 낮기 때문에 아주 높은 온도까지 올라가도 버틸 수 있게 됩니다. 실제로 우주 왕복선의 동체에는 수많은 실리카 타일들이 붙어있습니다. 이 타일들이 있기 때문에 우주왕복선이 지구로 재진입을 할 때 엄청난 고온을 견뎌낼 수 있게 됩니다. 이런 곳에 사용되는 재료들이 극한 환경에서 사용되는 재료입니다. 뒤에서 배우겠지만 초경합금(superalloy)이라는 재료도 있습니다. 초경합금이라는 것은 항공기에서 터빈이 돌 때 폭발을 통해서 큰 추진력을 얻게 되는데 이러한 폭발을 견뎌낼 수 있는 금속을 말합니다. 이러한 재료들을 통칭하여 우리는 극한 환경에서 사용되는 재료라고 합니다. 고분자 재료도 극한 환경에서 사용됩니다. 세라믹이나 금속이라는 것은 극한환경에서 사용하기는 좋습니다. 하지만 부드러움이 없다는 문제가 있습니다. 그래서 충격을 흡수해주는 우주선의 에어백이라든지 우주비행사가 밖에서 작업을 할 때 기동성이 중요하기 때문에 작업복에는 고분자 재료가 필요합니다. 고분자 재료 중에서도 아주 극저온에서 사용 가능한 재료들도 있습니다. 케블라라는 재료를 사용하게 되면 엄청난 충격으로 떨어지는 우주선의 충격을 흡수해주는 역할을 합니다. 고분자 재료의 예를 더 살펴보면, 방탄조끼나 헬멧의 경우, 과거 2차 세계 대전의 영화에서는 대부분 금속으로 되어 있는 헬멧을 착용하였습니다. 하지만 요즘에는 두꺼운 헬멧을 착용하고 있습니다. 이것은 금속이 아닌 케블라라고 부르는 섬유로 만드는 헬멧입니다. 케블라라는 섬유는 발견 이후에 큰 반향을 일으켰습니다. 자연에서는 존재할 수 없는 우리 인류가 만들어낸 인공 섬유이기 때문입니다. 소방관들이 착용하는 방열복의 경우 세라믹이나 금속으로 만들 수 없습니다. 케블라 혹은 아라미드 섬유로 만들게 됩니다. 케블라는 아라미드 섬유에서 나온 하나의 줄기라고 할 수 있습니다. 아라미드라고 부르는 섬유는 방열 고분자로 사용되어 소방관들의 방열복을 만들게 됩니다. 방탄조끼, 헬멧에도 케블라 섬유가 많이 이용되며 Interweaving 형태로 많이 만들어집니다. 서로 얽혀 있으면 기계적 성질을 많이 좋게 해 줍니다. 극한 환경에서 사용되는 재료들, 자연이 몰랐던 재료들도 많이 존재합니다. 이는 재료공학을 통해서 인공적으로 만들어낸 재료라고 생각하시면 됩니다.

극한 환경 재료 - 금속

극한 환경에서 사용되는 재료로 금속을 보겠습니다. 타이타닉호가 0도 이하의 바다 수온 때문에 빙산에 부딪혔을 때 깨졌던 것을 기억하실 겁니다. 그런데 간혹 북극이나 남극에서 얼음을 깨면서 가는 배를 보실 수 있을 겁니다. 우리가 쇄빙선(Ice breaker ship)이라 부르는데, 이러한 배들이 차가운 온도에서 얼음을 깰 수 있다는 것은 깨지는 성질을 미세조직을 통해서든 공정을 통해서든 극복했다는 것을 의미합니다. 실제로 이 배는 빙하를 깨면서 지나가고 선채로 부딪쳐도 배는 깨지지 않습니다. 이는 재료공학이 만들어낸 금속의 새로운 성질이 되겠습니다. 이러한 극한 환경에서 사용되는 재료들은 재료공학이 열심히 연구하는 분야입니다. 자연을 모사하는 재료의 경우 도마뱀붙이(Geckos)라는 것이 있습니다. 이 도마뱀의 특징은 발이 끈적끈적한 것입니다. 그래서 수직으로 벽을 다닐 수도 있습니다. 이것이 어떻게 가능한 것인지 살펴보면 도마뱀의 앞발, 뒷발의 미세조직 때문입니다. 그림을 보시면 미세조직이 볼록볼록 하면서 줄무늬들이 있는 것을 보실 수 있습니다. 이 줄무늬들이 모세관력을 이용하여 붙을 수 있게 해 줍니다. 이를 통해서 인간이 새로 만들어낸 재료는 스카치테이프라고 말할 수 있습니다. 스카치테이프의 미세조직을 들여다보면 마치 도마뱀벰붙이의 발 무늬와 비슷한 모양인 것을 확인할 수 있습니다. 이렇게 자연을 통해서 우리가 새로운 기능성을 끄집어낼 수 있는 것을 자연을 모사하는 재료라고 말할 수 있습니다. 판다 카멜레온은 색깔이 바뀌는 카멜레온입니다. 색깔이 어떻게 바뀌는 것인지 살펴보겠습니다. 색이 변화하는 몸체의 미세조직을 들여다보면 아주 작은 돌기들이 규칙적인 배열을 하고 있습니다. 빛이 들어가게 되면 규칙적인 패턴 때문에 빛이 반사, 정확하게는 회절을 하면서 특정한 색을 나타냅니다. 카멜레온이 감정의 변화를 일으키면 돌기들의 주기가 바뀌게 됩니다. 이로 인해 돌기들의 거리가 바뀌게 되고 그 결과 색깔이 변화하게 됩니다. 재료공학에서도 원하는 대로 패턴을 만든 후 패턴의 간격을 바꿔주면 색깔이 변화하는 재료를 만들어 낼 수 있게 됩니다. 실제로 이런 재료들이 개발되고 있으며, 이것이 바로 자연을 모사하는 재료입니다. 즉, 재료공학의 또 다른 분야가 되는 것입니다. 인공 카멜레온 피부는 그중에서도 대표적으로 많이 연구되고 있습니다. 자연의 원리를 정확하게 이해하고 재료공학과 접목시키면 기존에 우리가 갖지 못했던 재료들을 만들어 낼 수 있습니다. 이것이 바로 재료공학이 추구하는 또 다른 단면이 되겠습니다.

새로운 기능성 개발

이제는 재료공학이 만드는 새로운 기능성 개발에 대해 생각해보겠습니다. 우측에 보시면 로마 제정 시절에 귀족들이 와인을 마실 때 사용하던 색깔이 변화하는 컵입니다. 밖에서 빛을 비춰줄 때는 녹색으로 보이다가 안쪽에 빛을 비추면 빨간색으로 보입니다. 사람들은 재료공학을 모르고 우연히 만들었을 겁니다. 하지만 그 이면에는 재료공학이 있었습니다. 이 컵에는 금이 사용되었습니다. 금의 경우 입자의 크기가 달라지면 색깔이 변합니다. 그래서 입자의 크기가 아주 작을 때(25nm)는 빨간색, 조금 클 때(50nm)는 녹색, 클 때(100nm)는 오렌지색으로 변하게 됩니다. 안쪽하고 바깥쪽에 사용되는 금들을 입자 크기가 다른 금을 사용하여 만들었기 때문에 이렇게 색깔이 다른 컵이 나오게 되었습니다. 입자의 크기를 표현할 때 나노미터(nm)라는 단위를 사용하였습니다. 나노재료에 대하여 잠깐 이야기를 하겠습니다. 재료라는 것은 기본적으로 재료 자체에 있는 성질과 표면이 가지고 있는 성질은 많이 다릅니다. 표면은 밖으로 노출되어 있기 때문에 결합하지 않은 원자들이 존재합니다. 표면이 가지는 성질을 빨간색이라고 가정을 하고 재료 자체가 가지는 성질을 파란색으로 가정을 한다면, 표면의 두께는 일정할 것입니다. 크기를 점점 줄여가게 되면 어떻게 될 것인지 살펴 봅시다. 점점 작아지면서 원래는 파란색이 주였었지만 빨간색이 주로 변하게 됩니다. 이것이 바로 나노기술을 연구하는 근본적인 이유 중의 하나입니다. 새로운 기능성을 찾을 수 있는 부분이 되기 때문입니다. 여기서 그치지 않고 재료공학은 한 단계 나아갑니다. 그것은 바로 최근에 많이 연구되는 메타 물질입니다. 메타 물질이라는 것은 일반적인 물질이 아니라는 뜻입니다. 영화에서 보는 것과 같이 투명 망토가 바로 메타 소재입니다. 프로그래머블 소재는 특정한 조건에서 모양이 만들어지도록 설정해 놓으면 그 조건이 되는 순간 모양이 저절로 변화하게 일어나게 됩니다. 에어로겔은 공기보다 가벼운 재료이며 열에 강한 방열이 되는 재료입니다. 금속은 보통 다결정체로 많이 만듭니다. 물론 단결정으로 쓰는 경우도 있지만, 다결정보다 금속 유리를 만들게 되면 완전히 새로운 기능성이 나타납니다. 앞에서는 전통적인 재료공학에 대해 이야기를 하였다면 지금은 최근에 많이 연구되는 재료들입니다.