역사적으로 소재와 소재 기술의 발전은 인류에 크나큰 영향을 끼쳤습니다. 이제 우리는 전에는 불가능한 것으로 여겼던 제품과 기능을 가능케 하는 이러한 기술에서 새로운 변화에 직면하고 있습니다.
산업계에서는 더욱 가볍고, 강하고, 얇고, 밀도가 높고, 유연하거나 단단하고, 내열성과 내마모성이 뛰어난 소재를 요구하고 있습니다. 동시에, 연구자들은 우리가 가능하다고 상상하는 것의 한계를 넓히고, 기존 소재를 개선하고 향상시키는 동시에 완전히 새로운 소재를 개발하고, 완전히 새로운 기술로의 여정으로 우리를 인도하고 있습니다.
무한한 가능성
현재의 연구를 바탕으로 응용재료과학 분야는 완전히 새롭고 공상과학 소설에서나 볼 수 있는 방향으로 나아갈 채비를 하고 있습니다. 다가오는 자원 부족은 새롭고 혁신적인 사고를 요구합니다. 소재 분야에서는 경량, 고강성, 높은 내구성 등 바람직한 특성을 갖는 복합 소재의 시장 점유가 커지고 이러한 소재 중 재생 가능 자원에 기반을 둔 소재의 필요성이 커짐에 따라 그 비중이 더욱 커질 것입니다. 이 분야에서 가장 유망한 소재는 그래핀입니다.
그래핀은 원자 1개 두께이지만(인간 모발보다 1백만 배 더 얇음), 강보다 200배 더 강하고, 매우 유연하고 가벼우며, 거의 투명하고, 열과 전기의 전도도가 매우 뛰어납니다. 그래핀은 전설의 소재가 될 가능성이 매우 높습니다.
최근 중국 톈진에 있는 난카이 대학교의 연구자들이 그래핀 스펀지가 빛을 에너지로 변환할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 그 결과 인류는 태양광으로 작동하는 무연료 우주선의 개발에 한 발짝 더 다가서게 되었습니다.
그래핀 혁명을 향하여
그래핀은 2004년 연필과 접착 테이프로 실험하던 영국 맨체스터 대학교의 Andre Geim 교수와 Kostya Novoselov 교수에 의해 거의 우연히 발견되었습니다. 2010년 Geim 교수와 Novoselov 교수는 그래핀 연구에 관한 업적을 인정받아 노벨 물리학상을 수상했고, EU는 그래핀 상용화를 가속화하기 위한 연구 프로그램인 그래핀 플래그십(Graphene Flagship)의 기금으로 10억 유로를 약속했습니다. 그래핀의 잠재적인 응용 분야는 정수, 에너지 저장, 가정용품, 컴퓨터, 전자제품 등 무궁무진합니다. 그래핀 관련 특허가 수천 개씩 증가하고 있지만, 생산비 문제로 산업 전반에 걸친 상용화는 아직 요원합니다. 그러나 이러한 상황에 변화의 조짐이 보이고 있습니다. 글래스고 대학교의 연구자들은 기존의 생산 방식보다 100배 저렴한 비용으로 대형 그래핀 시트를 생산하는 방법을 발견했습니다.
의족이나 의수를 착용한 사람에게 감각 피드백을 전달할 수 있는 합성 피부는 이번 발견에 의한 수많은 가능성 중 하나입니다. "그래핀으로 기존의 최첨단 보철 기술로도 불가능한 방식으로 감각을 전달할 수 있는 극도로 유연한 전도성 표면을 만들어 보철 기구에 이용할 수 있습니다."라고 글래스고 대학교 연구팀을 이끌었던 Ravinder Dahiya 박사는 말합니다.
금속의 사망?
금속은 산업계를 지배해왔고, 전 기간에 걸쳐 인류 역사를 정의해왔습니다. 오랫동안 사용되어 오면서 금속에 관한 어마어마한 양의 정보와 전문 지식이 축적되어 왔지만, 과학자들과 연구자들은 계속해서 금속의 한계를 넓히기 위해 노력하고 있습니다. 이 연구에서는 금속을 향상시키고 새로운 적용 가능성을 여는 나노 소재의 잠재력이 가장 돋보입니다. 금속 기질 나노복합체(부분적으로 탄소 나노튜브나 나노입자로 구성된 복합 소재)의 개발은 무게 감소와 강성 및 강도의 증가 측면에서 우주 항공 산업에 새로운 시대의 도래를 예고합니다.
자기 치유 능력
나노복합체 연구는 인체 같은 자기 치유 능력이 있는 소재의 가능성을 열어줍니다. 미국 일리노이 대학교 벡크먼 연구소의 Autonomous Materials Systems Group 소속 연구자들은 결함이 발견되면 혼합 및 중합을 위해 배출되는 자기 치유 물질을 통합하는 자기 치유 특성의 섬유 복합 소재를 연구 중입니다.
"자기 치유 소재의 시대가 다가오고 있습니다."라고 과학자인 Mark Miodownik은 말합니다. 지금까지는 기술적으로 가능하더라도 경제적으로 타당하지 않았지만, 이제 항공기 날개에서 자전거 프레임과 차량 및 탑승자의 안전에 중요한 자동차 부품에 이르기까지 스스로를 보수하는 자기 치유 소재의 시대가 도래하고 있습니다. 이는 제품 개발, 수명 주기 및 지속 가능성에 막대한 영향을 끼치게 될 것입니다. 연구자들은 과중한 업무와 인원 부족에 시달리는 유지보수 인력을 대신해 스스로를 보수하는 도로를 위한 소재까지도 연구하고 있습니다.
자연을 뛰어넘다
수천 년 동안 재료과학은 자연에서 존재하는 물질의 우연한 발견을 통해 발전해 왔습니다. 오늘날 연구자들은 다양한 기존 물질이나 물질의 일부를 결합하고 내재된 구조나 패턴에 초점을 맞춰 자연에 존재하지 않거나 아직까지 발견되지 않은 특성을 만들어냄으로써 자연에 존재하는 것 이상의 것을 연구하고 있습니다.
이러한 연구의 한 예가 상어 피부를 닮도록 형성된 등마루(ridge)의 배열입니다. 샤크렛(Sharklet)이라고 명명된 이 마이크로패턴은 박테리아의 잠복과 전염을 방지하기 때문에 병원과 건강관리 시설에서의 사용을 위한 개발이 진행 중입니다.
현재 개발이 진행 중인 또 다른 소재는 눈에 보이지 않는 투명 소재입니다. 일부 국가의 물리학자들은 물체 주위에서 빛 같은 전자기 복사를 구부릴 수 있는 물질로 물체를 덮어 물체를 눈에 보이지 않게 만들어 물체가 없는 것처럼 착각하게 만드는 메타 소재를 연구 중입니다.
핵심 동인으로서의 지속 가능성
재료과학과 신소재의 개발 그리고 기존 소재의 개선은 자원 부족과 지속 가능성이라는 측면에서 중요한 역할을 담당합니다. 신소재, 예를 들어 빛을 흡수하는 건축 자재는 지구 온난화의 해결에 도움이 될 수 있습니다.
인류는 디지털화와 사물 인터넷(Internet of Things)뿐만 아니라 미래를 더욱 편리하고 안전하고 지속 가능하게 만드는 신소재로 정의되는 새로운 시대를 눈 앞에 두고 있습니다. 무한한 가능성의 시대가 열린 것입니다.
