인간의 삶을 이롭게 할 신소재 개발…"지금이 골든타임"

[[기획/미래 신소재에 주목하라(상)]탄소나노튜브, 그래핀, 플러렌 등은 개발 후 상용화 준비]

기술의 한계를 극복할 미래 신소재 기술이 주목받고 있다. 우리 생활을 이롭게 만들어 줄 신소재는 현재 개발 단계에 있는 것이 대다수지만, 상용화를 위한 준비에 나선 제품도 상당수다.

특히 탄소나노튜브, 그래핀, 플러렌 등의 신소재는 초기 개발 과정을 끝내고 생산 비용을 낮추는 연구에 들어갔다. 이같은 미래 신소재들이 생활 속에 밀접하게 사용될 날이 멀지 않은 만큼 국내에서도 이에 대한 연구개발과 지원 정책 마련이 시급하다.

◆ 실생활에 활용되고 있는 신소재들은?

상용화를 위해서 가장 많은 연구가 이뤄지는 것은 탄소로 이뤄진 탄소구조체인 그래핀, 탄소나노튜브, 플러렌 등이다.

그래핀은 물리학 분야에서 최근 가장 활발한 연구가 진행되는 분야 중 하나다. 미국 물리학회에서 ‘미래 정보 기술을 바꿀 가장 주목할 만한 신소재’로 선정했고, 최근 발표되는 물리학 논문 중 10% 정도가 이 제품을 다루는 것으로 알려졌다.

다이아몬드 및 흑연과 같은 원소(탄소)로 이뤄졌지만 분자구조가 달라 모양과 성질에서 차이가 있다. ‘변형에 잘 견디고 전기전도성이 높은 ‘꿈의 신소재’라고 불린다.

그래핀은 두께가 머리카락의 25만분의 1로 얇지만, 현존하는 물질 중 강도·열전도율·전기 전도성이 가장 우수하다. 전기전도성은 구리의 10배, 강도는 다이아몬드의 3배다. 웨어러블 전자기기와 투명 디스플레이 분야에 쓰임새가 높고, 고용량 고속 충전도 가능해 에너지 저장소자로도 활용할 수 있다.

탄소나노튜브는 탄소 6개가 육각형으로 연결돼 관 모양을 이루고 있는 탄소 구조체로 지름은 머리카락 굵기의 10만분의 1이다. 1991년 일본의 이지마 수미오 박사가 개발에 성공했다.

배터리, 풍력발전, 터치패널, 스포츠용품, 자동차 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 특히 터치스크린패널에서는 주원료인 인듐주석산화물(ITO)보다 저렴하고 충격에 강해 쓰임새가 높다. 장애인을 위한 인공근육 등으로 사용이 확대될 전망이다.

플러렌은 정오각형 12개와 정육각형 20개로 이뤄진 축구공 모양의 탄소구조체다. 1985년 미국의 화학자들이 최초로 발견했다. 고온과 고압에 강하고, 타 물질과 결합해 도체·반도체·초전도체 기능을 한다.

플러렌은 단단하고 가벼워 야구배트와 골프채, 테니스라켓 등의 원료에 적합하다. 반영구적인 윤활제로도 사용할 수 있다. 인체에 무해하고 내부에 여러 물질을 가둘 수 있어 의료·미용 용도로 활용이 가능하다. 전자를 가둘 수 있는 특성으로 플라스틱 태양 전지에도 사용되고 있다.

에어로젤은 공기처럼 가벼운 고체로 ‘얼어 붙은 연기(frozen smoke)’라 불린다. 자기 무게의 2000배까지 감당할 수 있는 내구성을 지녔고, 지구상에서 가장 높은 단열성능을 보유했다. 단열성능이 스티로폼이나 폴리우레탄의 4배로, 열이 전달되는 대류·전도·복사를 모두 차단한다. 1400도에서도 타지 않고 열기를 차단한다. 현재 시장 규모는 2013년 기준 2억달러로 추정된다.

◆ 앞으로 만나게 될 신소재는?

현재 개발 중인 신소재들의 연구가 진척되면, 신체의 장애가 극복되고, 반영구적인 제품도 등장할 가능성이 높다.

전 세계적으로 노령화가 진행되면서 가장 각광 받는 소재가 생체친화소재다. 생체 내 삽입되거나 접촉해 사용되는 것으로 인공장기와 의료기기로 활용도가 높다. 이 제품의 대표적인 활용 분야는 관절염 등의 치료 분야로 꼽히고, 인공혈관의 소재로도 사용이 가능할 것으로 전망되고 있다.

형상기억고분자는 외부에서 온도·압력·자기장·전류 등 일정 자극이 가해졌을 때 원래의 크기나 모양으로 돌아가는 고분자 소재다. 일정한 조건에서 원래 기억하던 형태로 스스로 모양을 변화시킨다. MIT와 독일모직연구소가 공동 개발했다. 가정용 DIY소품, 우주항공분야, 의료기기에 쓰임새가 높을 것으로 보인다.

2013년 세계 10대 유망기술로 선정된 자기치유 물질은 표면에 흠집이 생겼을 때 별다른 조치 없이 손상 이전의 상태로 복원되는 소재다. 흠집난 자동차나 전자제품, 균열이 생긴 건축소재에 사용되면 비용 추가 없이 제품 수명이 연장될 수 있다. 가장 관심이 높은 분야는 바이오와 의료 분야로 응용 가능성이 높다.

인공광합성소재도 지구 온난화를 해결하기 위한 방안 중 하나로 연구되고 있다. 온실가스를 감소시키고 햇빛을 이용해 지속적으로 에너지를 만들 수 있기 때문이다. 이 소재의 가장 큰 장점은 이산화탄소를 이용해 산소와 수소, 액체 연료를 만들 수 있다는 것이다.

빛, 소리, 파도 등 파동의 움직임을 조절하는 메타물질에 대한 관심도 높다. 1970년대에 제품 개념이 언급됐지만, 2000년대에 와서야 실질적인 연구가 진행되고 있다. 연구원들은 이 제품이 현실화 되면, 영화 속에서만 보던 투명망토도 만들 수 있다고 한다.

◆ 신소재 개발 위해선 ‘기업가 정신’ 필요

국내에서 신소재 개발이 활성화되려면, 연구 인력의 저변 확대와 기업가 정신이 필요하다고 전문가들은 조언한다. 하나의 신소재를 개발하기 위해선 최소 10여년의 시간이 필요하고, 이 시간이 지나도 제품화가 장담될 수 없기 때문이다.

고유상 삼성경제연구소 수석 연구원은 “신소재 개발을 위해서는 기술 분야의 노하우와 우수한 개발 인력 등이 우선적으로 확보되어야 하는데, 국내 현실은 그렇지 않다”며 “혁신적인 아이디어가 많이 나올 수 있는 환경, 장기적인 안목으로 이를 지원할 수 있는 기업가 정신이 필요하다”고 말했다.

고 연구원은 “우리나라는 IT(정보기술)등이 발달돼 있어 수요 측면에는 강점이 있다”며 “수요에 기반해 기업과 연구소가 협업하면 신소재 개발 성공 가능성이 높아질 것"이라고 밝혔다.

홍정표 기자 jphong@mt.co.kr

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