재료공학 소개

 재료공학이란 ? 

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재료공학은 인간의 요구에 맞는 재료의 설계·합성·부품화를 연구하는 학문이다. 경량·고강도 소재로 부터 초내열 소재, 고효율 에너지 소재, 환경 소재, 스마트 소재, 바이오 소재 등에 이르기 까지 현대 인간 사회는 다양한 고성능, 고기능 재료를 요구하고 있다.

재료가 인간이 원하는 기계적, 전기적, 자기적, 광학적, 또는 화학적 특성을 내도록 하기 위해서, 재료의 상태, 즉 원자의 배열과 결함, 재료의 상, 조성, 표면 구조 등이 이러한 특성과 어떠한 상관 관계를 가지는지 파악해야 한다. 그리고, 이러한 정보를 바탕으로 재료공학자들은 재료가 원하는 특성을 발현하도록 하기 위해 재료를 어떻게 설계해야 하는지, 설계된 재료를 어떻게 만들어 낼 수 있을지를 고민한다.

이러한 점에서, 영화 속 캐릭터 아이언 맨은 구조재료 기술 (경량, 고강도 합금 수트), 극한 재료 기술 (초내열 합금 부츠 및 초고압 재료), 에너지 재료 기술 (고효율 발전), 환경 재료 기술 (촉매/담체 기반 정화 장치), 스마트 재료 기술 (디스플레이, 센서 등 전자 소자) 등이 집약된 재료공학 기술의 미래라 할 수 있다.

원하는 기능을 발현시키기 위해, 재료 내부 조직 (원자, 분자 등) 을 효과적으로 제어해야 하므로, 재료공학은 물리, 화학, 수학 등 기초 과학에 기반을 둔다. 또한, 물리, 화학 등 기초 과학의 발견이 인류 생활을 크게 변화시키는 신소재 발명으로 이어진 경우도 많은데, 극저온에서 전기 저항이 0 이 되는 초전도 현상의 발견 (K.K.Onnes, 1911) 에 기인한 "초전도 재료", 반도체 고체 물질에서 전류 흐름의 원리 규명 (W.Shockley, 1947) 이 바탕이 된 "반도체 재료", 나노 영역에서의 재료의 신특성 발견 (R.Feynman, 1950) 에 기인한 "나노 재료", 전기장 내 절연체의 표면 전하 유기 발견 (E.G.von Kleist, 1745) 에 기인한 "커패시터" 등이 대표적인 예이다.

과학적 발견내용과학적 발견내용과학적 발견내용
-전기에 의해 화합물에서 금속 분리방법 발견H.Davy(1807)ALMg 합금
-영하 273℃ 전기사항이 소멸되는 초전도 현상발견H.KOnnes(1911)초전도재료
-반도체 고체물질에서 전류흐름 원리 밝힘.W.Shockley(1947)반도체재료
-이온화된 분자들은 고에너지의 플라즈아상태가 됨I.Langmuir(1928)플라즈마코팅
-원자의 불규칙적 배열 방법과 그 특성의 발견 비정잘합금
-나노영역(10억분의1m)에서 재료의 신 특성 발견Feynman(1950)나노재료
-접한된 두 금속에 다른 온도 가하인 열기전력발생T.Seebeck(1921)열전변환재료
-가압시 전압발생, 전계를 가할때 기계적변형 발견 암전세라믹
-절연체가 전기장 내에서 표면에 전하가 유가 커때시티
-천연으로 존재하는 고분자 화합물질의 성질 플라스틱
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최근 화석 연료의 고갈과 환경 문제로 인해 신재생 에너지, 대체에너지에 대한 많은 연구, 개발이 진행 중이다. 대표적 예인 풍력 발전, 태양광 발전, 연료전지 시스템에 있어서 재료공학 기술은 매우 중요한데, 대단위 풍력 발전을 위한 대형 복합재료 터빈 블레이드 설계 및 제작 기술, 고효율 태양전지를 위한 박막 실리콘 기술, 경제성 있는 연료전지 구현을 위한 촉매 기술이 이들의 상용화에 있어 결정적인 역할을 한다.

그 밖에 백열등과 형광등을 대체할 LED 조명, 경량 자동차용 소재, 대기중의 이산화 탄소를 활용하여 만든 고분자 소재, 투명함과 전도성을 동시에 가지는 투명 전도성 소재, 생물 기능을 모방한 소재 등이 현재 연구 중이거나 미래에 유망한 재료들로서 연구가 진행 중이다.

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우리나라 소재 산업의 현실 

인간 생활 및 산업 분야에서 소재가 가지는 중요성을 인식한 세계 각국은 오래 전부터 소재기술확보에 집중해 오고 있다. 일본은 80년대부터 정부차원에서 신소재분야 R&D 를 중점 지원하고, 기업차원에서도 미래시장 선점을 위해 선제적으로 R&D 설비 투자를 강화한 결과 세계 시장에서 디지털 가전과 관련된 소재 점유율이 60%를 넘고 있다.미국은 에너지부, 국방부, NASA, 상무부 등 여러 기관들이 신소재 개발을 지원하고 있고, 이미 1991년에 [신소재 공정 및 상용화 법률] 을 제정하여 미래지향적 소재개발에 주력하고 있다. 또한, 독일은 1985년부터 신소재에 특화된 전주기적 기술개발 프로그램을 시행하였고 (21년간 총11조원 투입), 기초과학연구에서 응용기술에 이르는 산·학·연간 긴밀한 협력을 바탕으로 세계적 수준의 소재 경쟁력을 확보하고 있다.

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그러나 한국은 기술의 세계 평준화가 비교적 용이한 최종재와 모듈부품 생산을 위한 기계가공, 조립 산업에 주로 치중한 나머지, 수익 창출의 동력이 되는 소재가공/부품성형, 제철/합금/합성, 설계 기술에 있어서는 원천 기술 부족으로 충분한 경쟁력을 갖추지 못하고 있다. 특히 일본에 대한 무역 역조는 심각한 수준인데, 우리나라는 2013년 소재부품 산업에서 약 1000억 달러의 흑자를 기록했지만 일본에는 200억 달러의 적자를 기록하고 있다. 이는 일부 소재들을 거의 모두 일본에 의지하기 때문인데, 2012년 기준으로 반도체 디스플레이 제조용 유리, 반도체 제조용 포토레지스트 등의 첨단 소재들은 90% 이상의 대일 수입 의존도를 보이고 있다.

이러한 상황에 대한 일본 전문가의 말에 귀 기울일 필요가 있는데, 일본 경제 평론가인 고무로 나오키는 "한국 경제는 목줄에 묶인 양쯔강의 가마우지 같다" (1989) 는 말로서 소재부품 산업이 일천하여 완제품을 만들어도 이익을 일본에게 빼앗기는 한국 경제의 문제를 지적했고, 오오가키 정공의 우에다 가츠히로 회장은 "높은 부품 불량률! 원가, 재료, 기계 기본적인 기술력이 모두 문제" (2009) 라고 지적하여 우리나라의 기초 기술 부족을 꼬집었다.

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우리나라는 최근 소재 원천 기술의 중요성을 인식하고, 소재 산업 육성을 위해 많은 지원과 투자를 하고 있다. 대표적인 정부의 소재산업 육성 프로그램으로 꼽을 수 있는 것은 World Premium Materials (WPM)" 사업으로 우리나라가 세계 최초로 상용화하거나 시장을 창출하고, 지속적으로 시장 지배력을 갖는 세계 최고 수준의 소재를 개발하기 위해, 수송기기용 초경량 마그네슘 소재, 에너지절감변환용 나노복합소재, Flexible 디스플레이 기판소재, 고에너지 이차전지용 전극 소재 등의 10대 핵샘 소재에 2009년부터 2019년까지 약 1조원을 투자하여 일자리 3만개와 매출 40조원을 달성하고자 하는 목표를 가지고 추진 중이다. 

 

소재산업과 관련하여 정부는 2011년 11월 [소재·부품 미래비전 2020] 을 선포하고 핵심소재 경쟁력이 부족하고 대일역조가 지속되는 현실을 극복하기 위해 첨단소재 개발과 관련된 4대 전략, 12대 핵심과제를 추진하여 2020년까지 소재 부품산업 글로벌 4대 강국으로 도약하고자 하는 청사진을 제시한 바 있다. 

 

소재 산업에 대한 기업의 대규모 투자도 진행되고 있는데, 삼성그룹은 2013년 5월에 삼성미래기술육성재단을 설립하고, "소재기술 육성"을 포함한 3대 프로그램에 10년간 1조 5천억원을 출연할 것이라 밝혀, 소재 원천 기술 확보를 위한 본격적인 행보에 들어갔다. 


  향후 소재 산업에 정부의 자원이 더욱 집중되고, 기업 차원에서도 소재 원천 기술 확보를 위한 노력이 증폭될 것으로 예상되는 바, 현재 재료공학자들의 역할은 매우 중요하고 미래에는 그 중요성이 더욱 높아질 것이다.