기고 · 칼럼

참고자료

 지난 8월 11일, 삼성은 전 세계인을 대상으로 자사의 신제품을 공개하는 '언팩 쇼'를 진행했다. 이 '언팩 쇼'에 대한 사람들의 기대는 컸고, 삼성은 그 기대에 부응하듯 쇼에서 이전보다 진보된 기술을 적용시킨 신제품들을 출시했다.

 

 이렇듯이 인류의 기술 발전 속도는 시간이 지날수록 점점 빨라지고 있고, 전 세계는 이런 기술 발전에 집중하고 있다. 이런 개발 과정에서 연구진은 여러가지 기술적 한계에 부딪치게 되는데, 이를 해결하기 위해서 신소재 기술에 관심이 쏟고 있다.

 

 

용인삼계고 학생들의 신소재에 대한 인지도를 알아보기 위해서 용인삼계고 학생 36명을 대상으로 설문조사를 진행한 결과, 70% 이상의 학생이 신소재에 대하여 어느 정도의 지식을 갖고 있다고 응답했다. 그러나, 신소재에 대하여 매우 잘 안다고 응답한 학생은 없었다. 이를 통해 많은 학생들이 신소재에 대하여 교육과정 내에서 배운 지식을 갖고 있지만, 특별히 관심을 갖고 신소재에 대해서 학습한 학생은 적다는 것을 추정할 수 있었다. 아래 그래프는 신소재에 대해 알고 있다고 응답한 학생들이 생각하는 신소재 기술 활용 분야다.

 

 많은 학생들이 의료 분야, 그리고 생활 용품 분야에서 신소재 기술이 활용된다고 응답했다. 다음으로 전자기기, 의류와 스포츠, 건설, 군사, 수송분야 순서로 신소재 기술의 활용에 대한 인지도가 있음을 알 수 있었다. 

 

 본 기자단은 여러가지 신소재 기술 적용분야 중, ▲의료 ▲의류 ▲수송 분야에 대해서 알아보았다!

 

 ▲ 신소재 활용 분야의 셀럽, 의료 기술에서의 신소재

 신소재 인식 설문조사 결과, 가장 많은 비율을 차지한 분야는 '의료'다. 현재 생체 재료, 보철, 의료 기기 등... 여러 의료분야에서 신소재가 사용되고 있다. 그 중, '인공 뼈'에 사용되는 신소재에 대해서 알아보자!

 

 

 우리 몸에는 약 206개의 뼈가 있다. 이런 뼈가 손상되었을 때, 그 조직이 회복될 수 있도록 보조하거나, 기존의 뼈를 대체할 수 있도록 사용하는 물질을 '인공 뼈'라고 한다. 뼈는 단순히 지지체 외에도 무기물 농도 유지 등... 많은 기능을 수행함으로, 인공 뼈에 활용되는 물질에은 많은 조건이 필요하다. 인공 뼈는 시간이 지나도 마모되거나 부식되지 않아야 하고, 체내에서 생분해되더라도 그 산물이 인체에 유해해서는 안 된다. 또 탄성이 너무 크거나 작아도 않된다. 기존 조직을 훼손하는 등의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.


 인공 뼈에 사용되는 소재로, '세라믹'이 있다. 이 것은 열에 의해 녹아있던 물질을 냉각시켜 굳힌 무기 화합물 고체다. 용암이 굳어 만들어진 돌멩이나 도자기를 떠올리면 된다. 세라믹은 가볍고 강도가 높기에 인공 뼈를 만들 때 많이 사용된다. 하지만 세라믹은 쉽게 깨지는 단점이 있다. 따라서 세라믹을 강화시킬 수 있는 물질을 개발하는 연구가 활발히 진행 중이다.

 

 또 다른 소재로 '그래핀'이 있다. 그래핀은 대표적인 탄소 신소재로, 흑연과 같이 탄소를 육각형의 벌집 모양으로 층층이 쌓아올린 구조 중, 한 층을 떼어낸 것이 그래핀이다. 이것은 얇고 가벼우며, 철보다 강도가 200배 이상 강하다. 하지만 전기 절연성이 없고 색이 검을 뿐더러, 일정 온도 이상에서 산화되는 성질이 있어서, 인공 치아나 뼈를 만드는 데 사용하기에는 부적합하다. 그래서 새로 떠오르는 신 물질이 백색 그래핀이라고 불리는 '질화 붕소'이다. 질소와 붕소가 혼합된 이 물질은 그래핀과 구조가 같지만, 전기 절연성이 있고 하얗다. 열 전도율이 크고 변형되는 정도가 작고, 세라믹과 달리 충격에 의한 형태 변화가 거의 없다.

 그래핀에 비해 제조 공정이 복잡하다는 단점이 있어서 이전까지 널리 활용되지 못했지만, 2016년 KAIST 연구팀은 이 질화 붕소를 세라믹에 응용하는 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 연구진이 이용한 방법은 ‘볼 밀링 (ball milling) 공정’이다. 이 공정은 먼저 질화 붕소에 철로 된 작은 공을 넣고 회전시켜, 질화 붕소의 각 층을 박리시킨다. 그 다음 이것을 여러 층으로 쌓아 '나노플레이트렛' 형태로 만든다. 이렇게 하면, 대량 생산도 가능하고, 결함율도 낮아진다. 이런 과정을 거쳐 만들어진 질화붕소 '나노플레이트렛 (BNNP)'를 계면활성제를 사용해 세라믹 내에 균일하게 분산시킨다. 대표적 세라믹인 질화 규소에 BNNP를 2% 첨가한 결과, 강도는 10%, 내마모성은 30% 향상되었다고 한다.

 BNNP는 섭씨 1,000도에서도 안정적이고 투명하며, 생체에 넣어도 안전하다. 쉽게 깨지던 세라믹을 더 강하게 만들 수 있는 BNNP는 인공 치아와 뼈뿐만 아니라, 우주 항공용 소재에도 다양하게 응용될 것으로 보인다.

 

 ▲ 지구를 위한 패션쇼, 의류기술의 신소재  

 의류기술은 신소재 인식 설문 조사에서 세 번째로 많은 투표 수를 얻었다. 의류는 사람들이 입는 옷을 말하는데, 의류와 신소재가 어떤 연관이 있나 싶겠지만 알고 보면 깊은 연관성이 있다.

 


 

  요즘 환경 문제는 전 세계의 관심사다. 그런데, 환경 오염 중 하나는 우리가 입는 옷이다. 이 옷을 만드는 과정과 버리는 과정에서 우리는 알게 모르게 환경을 오염시키고 있다. 최신 트렌드를 즉각 반영해 빠르게 제작하고 빠르게 유통시키는' 패스트 패션'의 유행은 우리 환경을 더 빠르게 오염시키고 있다. 이를 해결하기 위해서, 연구진들은 신소재를 이용해 환경 오염을 최대한으로 막는 의류 소재를 개발하고 있다.

 

  환경 오염을 막는 신소재 의류 원단중, 첫 번째는 '다이나마(Dyneema)'이다. 이 소재는 세상에서 가장 강한 원단으로, 온도가 낮아질수록 그 힘을 발휘해 극강의 보온성을 제공한다고 한다. 이 소재는 칼로 그어도 찢어지지 않아서, 겨울철에 입는 패딩을 만드는데 많이 사용되고 있다. 

 두 번째 원단은 제트엔진에 적용되는 세라믹 소재가 적용된 소재이다. 이 소재는 뛰어난 탄성과 함께 우수한 보온력을 제공한다. 또한 가볍고, 통기성도 높다. 쉘러가 만든 6만개의 세라믹 입자로 구성되어 있는데, 이 원단로 만든 의류는 100년을 넘게 입을 수 있다고도 한다. 

 세 번째 원단은 '유칼립투스', '너도밤나무', '해조류'를 소재로 만든 원단이다. 이 원단은 100% 식물로 만들어진 원단으로, 땅에 묻으면 3개월만에 분해되어 벌레들의 먹이가 된다. 일반적인 염료와 달리 해조류에 있는 천연염료를 사용함으로, 공기와 만나는 순간부터 산화가 시작되기 때문에 시간이 지나면서 색이 점점 흐려지는 특징이 있다.


  다음으로는 환경오염들을 막기 위해 신소재를 사용하여 옷을 제작하는 패션 브랜드들을 소개한다.

 먼저  '나우(nau)'는 식물염색 특유의 자연스러움이 매력적인 ‘보타닉 디잉 티셔츠'를 출시했다. 이 셔츠는 단순하고 지속가능한 소재를 사용하고, 염색과정도 자연을 배려한 염색 방식으로 수중생태계 악화를 늦출 수 있도록 염색 과정의 전부를 자연에서 얻은 식물 성분과 염료로 바꾼 것이 그 특징이다. 색상 또한 천염 염색 특유의 은은함과 자연스러움이 느껴지는 다양한 컬러로 준비해 선택의 폭을 넓혔다.


 다음은 아웃도어 브랜드인 '마모트'이다. 마모트는 지난해부터 플라스틱 폐기물을 재 활용해 원사를 뽑아낸 ‘마모트 스레드 티셔츠 시리즈’를 선보이며, 친환경 흐름에 동참하고 있다. 이 제품은 아이티나 온두라스 지역에 버려진 페트병과 플라스틱을 혁신적으로 업사이클한 ‘스레드’라는 원단을 사용한다. ‘스레드’는 수명이 다한 플라스틱과 페트병에서 추출한 재생 폴리에스터와 혼방 섬유로 만든 원단으로, 엄격한 세척과 방사과정을 거쳐 제작된다. 친환경 소재인 ‘스레드’와 면 느낌의 합성 섬유 '혼방'으로, 면보다 땀과 수분을 빠르게 건조시키고 내구성이 강한 것이 특징이다. 

 '폴로 랄프로렌'도 100% 재활용 플라스틱 병을 사용한 제품 '어스(earth) 폴로’ 셔츠를 선보였다. 재활용된 플라스틱 병에서 추출한 화학섬유에 물을 전혀 사용하지 않고 염색을 했다. 폴로는 ‘어스 폴로’를 출시하면서, 오는 2025년까지 100% 환경 파괴없는 면의 사용과 100% 재활용 또는 지속가능한 소재로 만든 포장재를 사용하겠다는 목표도 세웠다고 밝혔다. 

 

 이와 같이 많은 사람들과 브랜드들은 의류를 통해서 환경오염을 줄이기 위한 노력을 하고있다. 최근, 소비자들의 윤리적이고 친환경을 지향하는 트렌드가 뚜렷해지면서 ‘착한 소비’가 트렌드로 주목받고 있다. 이렇게 친환경을 지향하며, 환경오염을 줄이는 섬유소재와 의류들이 계속 발전하고 있다. 이에 패션 업계는 지속가능한 패션을 위해, 친환경 소재와 재활용 소재를 활용한 패션라인을 선보이거나 환경 관련 캠페인을 진행하는 등... 다양한 방식으로 지속가능한 가치를 공유하는데 동참할 것으로 보인다.

 

 ▲ 극한으로 연구한 결과, 수송기술의 신소재기술

 설문조사 결과, 용인삼계고의 많은 학생들이 생각하지 못한 분야가  '수송(운송)기술'이다. 수송기술의 정의는 '사람이나 물건을 한 곳에서 다른 곳으로 이동시키는 기술'인데, 모두의 예상과 달리 이런 수송기술에도 신소재가 적용되고 있다. 

 수송기술에 적용되는 신소재에 대하여 알아보기 위해서는 수송기술의 핫 이슈에 대해서 먼저  알아봐야 한다. 현재 수송기술과 관련된 가장 큰 이슈는 "친환경"이고, 그 전에 존재했던 제일 큰 이슈는 "효율"이었다. 이러한 이슈와 소비자들의 니즈에 대응하기 위해서 신소재가 연구/개발되고 있다. 이런 상황에서 연구/개발시킨 수송기술의 신소재에 대하여 알아보자!


 먼저 이야기해 볼 주제는 "친환경"이라는 이슈에서 적용된 신소재다. 현재 지구 곳곳에는 지구  온난화 현상으로 인해, 이상기후 현상이 발생하고 있고, 지구 온도는 높아지고 있다. 현재 우리는 지구 온난화를 완전히 정지시킬 수는 없지만, '지구 온난화를 촉진시키는 이산화탄소를 적게 배출함으로서 지구온난화의 진행을 둔화시키자'라는 목표를 갖고, 여러 산업에서 친환경을 추구하고 있다. 이러한 움직임은 수송기술에도 영향을 끼치고 있는데, 탄소배출이 없는 'EV(Electric Vehicle)'가 각광받고 있다. EV는 여러가지 방식으로 동력을 만들어내는데, 그 중  수소의 산화환원반응을 이용해 전력 을 생산하는 'FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)'에 신소재가 적용되었다.

FECV는 산화환원 반응을 이용하는데, 이 반응에서 산소와의 결합을 위해서는 촉매가 필요하다. 현재 가장 대중적으로 사용되고 있는 촉매는 '백금'을 활용한 촉매인데, 이 백금 촉매는 비용이 너무 높다는 단점이 있다. 이 백금 촉매를 대체하고자 개발된 것이, 순수 탄소로 이루어진 '그래핀' 신소재를 활용한 촉매다. 이 촉매를 사용하면 비용 문제를 해결할 수 있기 때문에, FCEV 뿐만 아니라  건축물에서도 사용가능한 수소 연료전지 시스템의 대중화를 이끌어 낼 것이라고 전망한다.


 앞에서 '친환경'이라는 이슈에서 탄생한 신소재기술에 대하여 알아보았으니, 이번에는 수송기술의 근본적인 이슈인 "효율"에 대하여 탄생한 신소재 기술에  대하여 알아보자. 

수송 수단의 발전을 위한 필연적인 개념은 "동력대비 최고효율"이다. 동일 동력 대비 더 많은 거리를, 혹은 더 빠른 속도로 움직이는 것은 수송수단의 발전을 위해서 꼭 필요하다. 동력대비 효율을 극한으로 끌어올린 결과 중 하나가 바로 '모터 스포츠'이다. 모터스포츠에서는 강한 엔진과  가벼운 차체가 승패에 매우 큰 영향을 끼친다. 그렇기 때문에, 가벼우면서도 사고시 운전자를 보호할 수 있는 단단한 차체가 필요했다. 이러한 니즈는 합금이라는 단단하면서 가벼운 새로운 소재를 만들어냈고, 최근에는 '탄소섬유(carbon fibers)'라는 신소재를 탄생시켰다. 이 소재들은 가볍고 단단하기 때문에, 모터스포츠 뿐만 아니라 항공/우주산업에서 기체의 외장을 만드는 것에 큰 기여를 하고 있다.  이렇게 수송기술에 적용되는 신소재들은 극한의 상황을 버티기 위해, 혹은 엄청난 효율을 끌어내기 위해 개발되었다. 

 

 지금까지 여러 분야에서 사용되는 신소재에 대해 알아보았다. 그렇다면 다가올 미래, 신소재 연구의 동향과 그 전망은 어떨까? 이를 알아보기 위해 본교의 화학 과목을 담당하고 있는 '유성렬' 교사와 간단한 인터뷰를 진행했다.

 

 Q. 요즘 여러 가지의 신소재들이 우리의 생활 속에 스며들었습니다. 선생님께서 생각하시는 가장 우리의 삶을 많이 바꾼, 바꿀 것 같은 신소재는 무엇입니까?

A. 스테인리스라고 생각합니다. 식기나 가구 등 생활에서 흔히 접할 수 있는데, 일상 외에도 매우 다양한 분야에서 사용되는 만큼 우리의 삶을 가장 많이 바꾼 신소재라고 할 수 있습니다.

 

 Q. 현재 여러 가지 신소재들이 개발되고 있습니다. 선생님께서 생각하시는 머지않아 각광받을 신소재는 무엇인가요?

A. 케블라입니다. 딱딱한 플라스틱이지만 섬유와 같은 구조를 띄고 있어, 여러 방향에서 가해지는 충격을 잘 막을 수 있습니다. 이런 특징 덕분에 방탄복, 헬멧 등 여러 분야에서 사용될 것으로 보입니다.

 

 Q. 다양한 신소재가 점점 범위를 넓혀 여러 분야로 진출하고 있습니다. 다가오는 미래, 앞으로 신소재의 발전 동향은 어떨 것이라고 예상하시나요?

A. 지구의 오염이 심해짐에 따라 환경 보호에 세계적인 관심이 쏟아지고 있습니다. 신소재 분야에서도 생산과 폐기 과정에서 오염이 적은, 환경 친화적인 기술 개발이 중요시될 것이라고 생각합니다. 또한 최근 항공 및 우주 분야에서 뜨거운 이슈들이 쏟아져 나오고 있는 만큼, 그러한 특수 환경에서 필요한 신소재를 개발하고 적용하는 직종이 유망합니다.

 

 Q. 신소재 관련된 진로 분야를 희망하는 학생들에게 하고 싶으신 말씀이 있나요?

A. 신소재 개발에는 화학뿐 아니라 물리학, 생물학 등 여러 지식이 필요합니다. 다양한 분야의 과학 지식에 관심이 있고, 과학 탐구에 지적 호기심과 열의가 있는 학생들에게 신소재 분야를 추천합니다.

 

 글을 마치며

 "신소재"는 인류의 모든 순간과 함께한 키워드이다. 석기 시대에는 규산염 광물인 돌이 신소재였고, 청동기 시대에는 주석과 니켈 등을 섞어 만든 청동이라는 합금이 신소재였다. 또 철기 시대에는 산화 알루미늄에서 알루미늄만을 추출해내는 기술이 개발되면서 알루미늄이 새로운 신소재로 각광받았고, 반도체 산업이 발전한 시대에는 규소와 같은 준금속 물질들이 신소재로 활발하게 이용되었다. 현재는 그래핀처럼 탄소 등을 이용한 비금속 소재가 신소재로 각광받고 있다. 이러한 신소재들은 시간이 지날수록 더욱 발전하고 있으며, 우리의 삶을 더 풍요롭고 편안하게 만들었다. 신소재 기술이 계속 발전하여 인류의 문제를 해결하는 데에, 그리고 인류가 더 넓은 세상으로 도약하는 데에 큰 기여를 할 수 있기를 바란다.