석기 시대, 청동기 시대 그리고 철기 시대 이후, 소재의 발전은 인류의 발전과 성취의 한계를 확대하는데 기여했습니다. 21세기에 들어서는 우주 항공이나 자동차 같은 산업의 수요가 신소재의 개발을 부추겨 왔습니다.
항상 바라는 것이 항상 가능하기를 고대하는 것이 인간의 본성입니다. 대표적인 예가 바로 자동차 산업입니다. Ford가 발표한 미래 차량을 위한 희망 소재 목록에는 인명을 구하는 소재도 일부 포함되어 있습니다. Ford의 Research and Advanced Engineering에서 Executive Technical Leader를 맡고 있는 Pim van der Jagt 교수는 기존의 강보다 3배 더 강한 새로운 강종, 사고 시 구조물을 안정화하는 발포 플라스틱, 무게는 크게 줄어들었지만 강성은 증가한 나노 필터 복합소재 등의 신소재를 언급합니다. (출처: http://articles.sae.org/12297/)
우주 항공 산업도 더욱 강하고 가볍고 내열성이 뛰어나면서 배출과 연료 비용을 감소시키고 속도를 높여줄 소재를 찾고 있습니다. 지금까지는 복합소재가 항공 산업에서 바라던 소재였습니다. 복합소재 연구 전문가인 Eleanor Merson 박사는 "30년 전만해도 항공기의 5~6%가 복합소재였지만, 현재 Dreamliner 같은 상용기는 약 50%가 복합소재입니다."라고 증언합니다.
탄소 섬유 복합소재는 강 무게의 1/5에 불과하지만 강성은 더욱 뛰어납니다. 예를 들어, Dreamliner는 주 날개, 꼬리 날개, 도어, 동체 그리고 실내가 탄소 섬유 복합소재여서 다른 비행기보다 가볍습니다. 항공기는 1킬로그램 조차도 매우 중요합니다. 전문가들에 따르면 상용기의 무게를 1킬로그램(2.2파운드) 줄이면 매년 2~3천 유로의 운영비를 절감할 수 있습니다.
복합 소재로 만드는 Lamborghini
자동차와 풍력 터빈 블레이드를 비롯한 다양한 제품에서 복합 소재의 사용이 점점 증가하고 있습니다. 예를 들어, BMW의 전기차 i3은 대부분이 복합 소재로 되어 있습니다. BMW에 따르면 차량 무게가 가벼워져 한 번 충전으로 최대 160킬로미터를 달릴 수 있습니다. 강렬한 인상의 Lamborghini Veneno Roadster는 복합 소재 부품을 사용한 경량화의 결과 시속 100킬로미터 도달 시간이 2.9초에 불과합니다. 현재 복합 소재의 생산 비용은 감소하고 있고 생산 업체 수는 증가하고 있습니다. 그러나 정밀 복합 소재의 생산에는 여전히 고온과 극도로 깨끗한 환경 그리고 노동 집약적인 공정이 필요합니다. 또한 정밀 복합 소재의 가공은 더욱 어렵습니다.
"복합 소재의 절삭, 특히 드릴링이 주요 과제입니다."라고 샌드빅 코로만트에서 복합 소재를 연구하는 Merson은 말합니다. "항공기에는 수만 개의 홀이 있고, 소재는 연마성이 매우 높습니다. 탄소 섬유는 드릴을 빠르게 마모시킵니다."
미래에는 나노 수준에서 개발된 섬유를 이용해 더욱 강화된 복합 소재도 출현할 것입니다. 또한 과학자들이 원자 수준에서 거의 완벽한 솔루션을 찾을 수 있을 것으로 예상됩니다. 독일 화학 회사인 Altana AG의 과학자들에 따르면 강이나 알루미늄보다 400배, 기존의 탄소 섬유보다 20배 더 강한 탄소 나노튜브를 만들 수 있습니다.
스마트폰의 그래핀
발견자에게 노벨상을 안겨준 그래핀이나 준결정(quasicrystal) 같은 소재는 더욱 강한 소재가 될 잠재력이 크고 산업계를 완전히 변화시킬 수 있습니다. 그러나 산업 전반에 걸친 상용화는 아직 갈 길이 멉니다.
지난 해 한 중국 기업이 전도도의 향상을 위해 휴대폰에 그래핀 입자를 사용했습니다. 내구성의 향상을 위해 준결정 박편을 프라이팬과 금속 수술도구로 성형했습니다. 산업 전반에 걸친 대규모 혁신은 아직 임박하지 않았지만, 현재 그래핀 연구에 어마어마한 투자가 이루어지고 있습니다. 그래핀은 강보다 200배 더 강하고 지구에서 가장 얇은 물질입니다(인간 모발보다 1백만 배 더 얇음). 동시에, 학계와 산업계의 연구자들은 지금까지 알려진 소재와 기술의 개선에 몰두하고 있습니다.
현재 경량 알루미늄 합금이 범퍼 시스템, 크래쉬 링 부품, 인투루전 빔의 고강성 강을 대체하고 있습니다. 항공기 엔진의 경우, 극한 온도에도 견딜 수 있는 초 고강성 합금으로 에너지 변환을 개선하고 연료 비용을 줄이고 있습니다.
강보다 강한 코팅
PVD(Physical Vapour Deposition, 물리적 기상 증착법)와 CVD(Chemical Vapour Deposition, 화학적 기상 증착법)는 극도로 얇지만 단단하고 내열성이 있는 필름으로 물체를 코팅하는 공정입니다. 이 기술은 1980년대부터 널리 사용되기 시작해 다양한 기계, 광학기기, 전자기기에 여전히 사용되고 있습니다.
샌드빅 코로만트는 이 기술을 이용해 인서트 공구의 표면을 강화합니다. 인서트의 코어는 주로 텅스텐 초경과 코발트로 이루어진 초경 합금으로 제작됩니다.
"2~10 마이크로미터의 PVD 층을 입히면 인서트 수명이 100배 증가합니다."라고 물성물리 전문가이자 샌드빅 코로만트의 PVD 부서장인 Mats Ahlgren 박사는 말합니다. "고객이 인서트를 훨씬 더 오래 사용할 수 있을 뿐만 아니라 훨씬 더 높은 속도와 이송에서 인서트를 사용해 생산성을 향상시킬 수 있습니다."
현재의 연구는 내구성 있는 소재의 요건을 충족하기 위해 더욱 강한 코팅을 개발하는데 집중되고 있습니다.
"최근 몇 년간 새로운 코팅의 제조 공정을 제어하는 능력을 발전시켜 왔습니다."라고 Ahlgren은 말합니다. "현미경으로 거의 원자 수준까지 구조를 확인할 수 있어 실제 적용하기 전에 새로운 솔루션을 분석할 수 있습니다."
2013년 샌드빅 코로만트는 자사의 CVD 코팅인 Inveio™에 대한 특허를 획득했습니다. 일방향 결정 구조의 Inveio는 내구성과 경도에서 큰 혁신을 이루었습니다.
더욱 강한 소재를 사용하게 되면서 단일 구조의 부피가 큰 튼튼한 부품을 사용할 필요가 없어졌습니다. 디자이너들은 자동차나 항공기의 부품에 사용할 소재를 선택할 때 더욱 까다롭게 소재를 선택합니다. 일부 기계 부품은 그렇게 강할 필요도 없습니다. 이것이 Aibus의 전임 산업 디자인 총괄이자 객실 디자인을 담당했던 Ian Scoley의 철학입니다. 현재 C&D Zodiac의 산업 디자인 총괄인 Scoley는 새의 골격에서 영감을 얻는다고 말합니다. "새의 골격은 강해야 할 곳에서는 강하지만, 유연성이 필요한 곳에서는 가볍고 속이 비어 있습니다."
놀라운 재활용
새로운 소재와 설계 덕분에 항공기와 자동차의 에너지 사용과 배기가스 배출이 감소하고 있지만, 재활용성의 중요성도 점점 커지고 있습니다. 예를 들어, 대부분의 복합 소재는 분리와 재활용이 어려운 점착성 점결제로 제조되지만, 최근 자동차 산업에서 사용하는 알루미늄 합금은 미래의 재활용을 고려해 제조됩니다.
사실, 재활용성은 자동차 제조에서 일종의 구동력이 되었습니다. 유럽 정부는 모든 자동차에 사용되는 자재의 85%를 재활용할 수 있도록 제조할 것을 요구하고 있습니다. "자동차 회사들은 이러한 요건을 충족하기 위해 자동차에 사용되는 모든 부품을 평가합니다."라고 독일에서 활동하는 자동차 산업 분석가인 Arjen Bongard는 말합니다.
재활용성 문제는 창의적인 솔루션의 기폭제가 되고 있습니다. Ford는 실내 디자인에 밀짚과 콩 제품을 이용하기 시작했고, 코코넛 껍질, 당근, 옥수수 기반 플라스틱을 자재로 사용하는 방법을 연구 중입니다. Ford의 비전은 실내를 100% 생분해성으로 만드는 것입니다.
"비용 효율적인 대안과 재활용 프로세스를 고안해야 하기 때문에 대체 소재의 발견은 매우 중요합니다."라고 샌드빅 코로만트의 수석 R&D 전문가인 Anna Hultin Stigenberg는 말합니다. Stigenberg는 최근까지 원료에 관한 국제 운영 위원회인 Knowledge and Innovation Community의 위원장이었습니다. 이 프로그램에는 지속 가능한 소재 개발을 증진하기 위해 100개 이상의 기업과 연구소가 참여하고 있습니다.
원자 수준에서
그러나 이미 존재하는 소재에 안주할 이유는 없습니다. 인류는 특정한 특성을 가진 완전한 신소재를 개발할 능력을 발전시키고 있습니다.
"인류는 최첨단 현미경과 컴퓨터 계산의 도움을 받아 원자 수준의 신소재를 개발하는데 한층 더 가까워지고 있습니다."라고 Hultin Stigenberg는 말합니다.
기원전 550년경에 철기 시대가 끝난 후, 인류 역사의 한 기간을 정의한 특정 소재는 없었습니다. 학계에서는 인류가 플라스틱 시대를 살고 있다고 말하지만, 미래의 새 시대는 신소재의 시대라고 명명될 수도 있을 것이고, 신소재가 인류의 발전에 끼친 영향은 지금 우리가 상상하는 것보다 훨씬 더 클 수도 있습니다.
