미국의 융합세라믹스 산업 현황과 전망

이상호 Greene Tweed & Co. 수석연구원

지구상에 인간이 살기 시작한 것은 대략 20만년내지 40만년 정도 되는 것으로 추측하고 있지만 실제로 기록에 의한 인류의 문명 역사는 5000년 조금 넘는 것으로 알려져 있다. 과학의 발달은 인류의 삶은 획기적으로 변환시키는데, 이런 눈에 띄는 과학의 발전은 아주 최근의 일이며 인류의 과학 발달 단계는 대략 아래의 5가지 단계로 요약되고 있다.

제1단계(1780~1849) 스팀 엔진의 발명에 의한 1차 산업혁명
제2단계(1849~1890) 철도 발달과 관련된 2차 산업혁명
제3단계(1890~1940) 전기의 발명과 중화학 공업
제4단계(1940~1980) 컴퓨터와 관련된 자동차 및 산업 자동화
제5단계(1980~현재  ) 인터넷을 이용한 정보 자동화

그러나 최근에는 새로운 제 6단계가 곧 도래할 것이라는 추세가 나타나고 있는데, 그것이 바로 나노공학(nanotech- nology)과 정보공학(information technology), 생명공학(biotechnology)가 주도하는 새로운 과학시대이다. 나노공학이란 극소한 물질 단위를 상대로 한 기계적인 기술의 총칭1/1,000,000,000을 의미하는 ‘나노’에서 비롯된 명칭으로, 마이크로(1/1,000,000)의 수준을 뛰어넘어 분자나 원자 수준의 물질을 이해하고 조작하는 기술을 의미하며, 정보공학이란 컴퓨터를 기반으로 하는 정보 및 정보 시스템의 제공과 이용에 관련된 것으로 개인이나 단체, 그리고 국가의 정보화를 위한 모든 이론·방법론·시스템 등을 총망라한 기술을 뜻하고, 생명공학이란 유전물질의 변화를 유도하는 유전공학과 밀접하게 관련되어 있는데, 생물학 연구에서 얻은 앞선 기술과 기기들을 산업에 응용하는 기술을 말한다. 그런데 이런 기술들은 한 분야만의 기술개발만으로 완성되는 것이 아니라, 여러 기술분야가 유기적으로 복합되어서 새로운 가치를 창출해 내는 기술융합(Technology convergence)이라는 새로운 개념이 제시되고 있다. 본고에서는 미국에서의 융합세라믹스의 산업 현황과 전망에 대해서 기술하고자 한다.

나노기술은 1~100nm 크기와 입자를 조절하고 재배열해서 새로운 재료와 혁신적인 새로운 기능을 부여한 디바이스를 창출하는 기술인데, 미국에서 국가적인 차원에서 연구를 주도하는 기관은 NSTC(National Science and Technology Council)이다. 주 업무는 국가적으로 나노관련 기술의 목표를 설정하여 기술개발의 방향을 제시하고 있는데, 구체적인 업무수행기관은 2001년에 설립된 NNI(National Nano- technology Initiative)이며 설립당시에는 미국 과학재단, NASA, 국방부등 8개 기관으로 출발하였으나 현재는 25개 국가기관이 가입하여 기술개발을 주도하고 있다.
NNI는 나노기술과 관련된 연구개발의 예산을 배정하고, 연구목표의 설정, 우선순위, 그리고 전략을 수립하고 산업계, 학계, 그리고 정부기관, 해외 협력기관과의 연구개발을 총관리한다. 2000년부터 10년간에 걸쳐서 1단계의 연구에서 얻어진 성과를 응용하기 위한 초석을 마련하고, 새로운 나노기술의 수요를 창출하며, 기초과학 연구에서 얻어진 결과를 응용하기 위한 연구기관, 네크워크, 응용기관등의 체제를 구축하였다.
이 NNI의 목표는 1) 세계적인 규모의 나노기술의 연구개발을 주도하고, 2) 개발된 기술을 실제상업화 생산에 적용할 수 있도록 육성하며, 3) 이러한 연구를 떠받칠수 있는 교육적인 자원을 개발하고, 4) 관련 연구기관들이 협력하고 공동으로 나노기술을 개발할 수 있도록 지원하고 있다.
나노 기술을 전자통신 산업에 연구 지원은 미국 과학재단 산하의National Nanotechnology Infrastructure Net- work(NNIN) 이며, 여기에서는 나노 사이즈의 과학과 엔지니어링 기술개발을 주도하는 미국내의 14개 학교(Cornell, Stanford, George Tech, Washington, Michigan, Minnesota, Penn State, UCSB, Austin, Arizona, Harvard, Howard, Washington University at Saint Louis, Colorado 대학) 가 참여하고 있다. 연구분야는 주로 나노크기의 물리, 화학, 전자, 광학, 재료과학, 생명공학등 광범위한 분야에 이르고 있다. 자세한 연구 업적은 인데, 이들의 연구업적은 http://www.nnin.org/에서 찾아볼 수 있다.

미국의 WTEC(World Technology Evaluation Center) 에서 발간된Nanotechnology Long-term Impacts and Research; Directions 2000-2020 의 보고서에 따르면1999년 “Nano 1” 보고서가 만들어졌을 때의 개념은 광의적으로 나노과학, 나노 엔지니어링의 중요성을 확인하는 단계이었다. 나노기술은 전기, 생명과학, 정보통신 과학의 혁명으로 변천을 가져오는 것으로 인식되었다. Table 1은 미국 시장에서 나노 기술의 6가지 중요지표를 보여주고 있다.
2001년에서 2008년 사이에 발명, 특허, 나노 기술 분야 종사자, 연구 과제비와 시장 수요는 매년 25% 가량의 성장을 계속하여 왔다. 2008년 현재 미국에서 약 15만명의 인력이 직간접적으로 참여하고 있으며, 연구비는 11.7억달러에 이르고 있다. 학회지에 발표된 논문수도 2000년에는 18000여건에 불과하였으나, 2008년에는 65000건으로 증가되었다.
나노기술의 개발 추세는 figure 1 에 정리되어 있다. 초창기에는 수동적인 단순 소재의 개발에 치중하였으나, 점차 발전하여 2015년 이후에는 nano-bio-information 기술이 총체적으로 접합된 소위 융합기술(convergence technology) 로 전환될 것으로 예측된다.
나노분야에서 새로운 패러다임을 제시하는 나노재료는 전자분야, 의학분야, 석유화학 분야등 다양하게 적용된다.
전자분야에서 나노크기의 선폭 기술의 개발은 정보통신 분야에 사용되는 각종 기기의 성능 향상에 혁신적인 기여를 하고 있다. 전자분야에서 반도체 회로의 선폭기술이 작아지면 소형화가 가능해지는데, 반도체 칩이 작아질수록 내부 회로의 길이가 단축됨으로서 기억용량이 증가되고, 전력 소모가 작아지며, 처리속도가 빨라지게 된다. 따라서 우리가 사용하는 전자제품들의 성능이 계속해서 향상되는데, 이의 주원인은 반도체 회로의 선폭을 점점 작게 제조할 수 있는 기술발전이 뒤따르기 때문이다. Fig 2에서는 Nano 선폭기술이 적용되어 우리 주변에서 적용되는 전자기술을 보여 주고 있다.
위에서 보여주고 있는 선폭 기술은 32nm를 소개하고 있는데, 최근에는 벌써 25nm이하의 선폭기술이 소개되고 있다. 2003년만 해도 65nm 이하의 선폭 기술이 어려웠었는데, 몇 달 전에 인텔과 마이크론은 20nm의 선폭기술이 이용된 NAND flash 디바이스의 개발을 발표하였다.
석유화학 분야에서 Exxon Mobil, Chevron, Dow Chemi-cal과 그 외의 석유화학 관련회사는 2000년부터 나노구조를 가진 촉매개발에 착수하였다. 이 촉매는 Fig 3 과 같이 다공성 실리카, 제올라이트를 기반으로 하고 있는데, 원유에서 가솔린을 생산하는 fluid catalytic cracking(FCC)에 사용된다. 매일 8천만 배럴 이상의 원유를 정제할 때, 많은 공정에서 촉매작용이 사용되는데 이 분야에서 매우 유용하게 사용되고 있다.
의학분야에서 사용되는 인공뼈 관련 재료는 인산칼슘계 나노 크리스탈 합성원료가 Angstrom Nedica 사에 의해서 상용화 되고 있다. 이 재료는 인체의 뼈와 조성적으로 유사하기 때문에 생체친화력이 강해서 사람의 뼈를 대체, 강화할 뿐만 아니라 뼈의 접착제, 그리고 생체관련제의 코팅에도 사용되고 있다.
2005년 이후로는 수동소자에서 탈피하여 능동소자로 옮겨가기 시작하였는데, 이 때 개발된 주요 업적은 one dimensional nanowire 와 여러가지 소자의 quantum dot, graphene 등이다.
Graphene은 카본의 동소체로서 흑연과 같은 판상의 SP2 구조를 지니고 있다. Graphene 이 3백만층으로 적층되어야 겨우 1미리 미터 두께에 불과하게 된다. 2차원적인 재료인 graphene 을 발명한 Andre Geim과 Konstantin Novoselov에게 2010년 노벨상이 수여되었으며, 최근에 잇달아 기술적인 혁신은 보여 주고 있는 카본 재료중에서 Carbon nanotube 는 카본이 실린더 형태로 배열된 것으로 길이: 직경의 비율이 1억 3천만배를 넘는 구조이다.
Carbon nanotube는 여러 가지 기이한 특성을 지니고 있어서, 전자, 광학, 재료, 건축 분야에 광범위하게 사용될 수 있다. 카본 나노튜브의 특성은 튜브 형상을 지닌 흑연구조에 근거하는데, 결함이 적고, 강한 공유결합력이 기계적, 화학적인 안정성을 가져다주기 때문이다.
나노튜브는 직경의 크기에 따라서 제조방법이 다양한 방법으로 생산될 수 있다. 아직 확실한 대량 생산 방법이 정립되어 있지는 않지만, 일본을 비롯한 아시아에서 생산이 북미보다 앞서고 있다. 리치움 이온 배터리 전극은 이미 연간 수톤(ton) 규모로 생산되고 있으며, ITO 글라스 대체용으로는 보다 향상된 품질이 요구되지만 현재 적용테스트가 실행중이며 그 외의 스포츠 용품에도 적용되고 있다. 기술융합측면에서 볼 때는 한 분야의 산업이 아니라 전반적인 산업분야가 서로 집약되어서 새로운 가치창출을 이루어 내지만, 우리 세라미스트의 입장에서 거꾸로 접근하고 있는 기술 융합분야에 대해서 세라믹스의 적용사례를 분야별로 열거하고자 한다.
1) 전자 사업분야
전세계적으로 2조달러에 해당하는 전자제품 시장이 세라믹 없이는 불가능하다. 세라믹이 지니는 다양한 전기적 성질(단열성, 반도성, 초전도성, 압전성, 자기적 성질)등이 다양하게 이용되어서, 휴대전화, 컴퓨터, 텔레비젼 같은 전자기기가 만들어지고 있다. 2조 달러의 전자제품 시장에서 세라믹이 차지하는 비중은 90억 달러정도로 추정되고 있다.
휴대전화나 GPS는 안테나 없이는 사용이 불가능한데, 특별한 안테나는 Morgan advanced ceramic 회사에 의해서 개발되었다. 일단 크기가 작도록 소형의 실린더에 구리를 증착시킨 것이다. 이러한 안테나는 성능의 저하없이 블루투스와 GPS에 병합되어 사용됨으로서 능률을 극대화시키고 있다. 현재 미국에서는 휴대폰에 GPS 기능을 부여하여서, 3G 휴대폰이나 Wi-Fi를 이용하여서 비상시 911 비상서비스 요청을 할 때 이용될 수 있도록 의무규정을 부여할 입법화를 추진중에 있다.
한편 인텔에서는 새로운 세라믹/금속 유전체를 개발하여 45nm 트랜지스터를 개발하고 있다. 종전의 HfO2(hafnium oxide)를 사용한 두꺼운 유전체를 아주 작은 트랜지스터로 대체함으로서 gate leakage를 10배 이상 줄일 수 있는 소형의 트랜지스터가 전력소모를 감소시킴으로서 컴퓨터의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

2) 자동차 산업 분야
경주용 Formula one에서 세라믹 컴포지트를 사용한 브레이크 로타가 사용되며, 일반 상용 자동차에도 페라리, 람보기니, 포쉐, 벤트리 같은 고급차에는 세라믹 로타를 사용한다. 세라믹 로타는 자동차의 무게를 5kg 이상 줄여주며 고온에서 견디기 때문에 브레이크를 자주 사용할 때의 성능저하를 방지하고 수명을 연장시킨다. 세라믹 로타를 사용하면 브레이크 패드의 수명도 3배이상으로 증진되는 이점이 있다. 한편 세라믹 클러치도 포쉐, 카레라 같은 고급차에 장착되어 시속 100 km를 3.6초에 도달한다. 무게는 3.5 kg에 불과하고, 클러치의 직경도 겨우 17cm 정도의 소형인데 소재는 카본 화이버와 실리콘 카바이드의 복합소재이다.
최근에는 새로운 개념의 자동차 앞유리가 만들어지고 있다. 90% 이상의 적외선을 차단하며 햇빛에 의한 자동차 실내의 온도상승을 방지한다. 이 유리는 nanocomposite coating 이 사용되고 있다. 현재 Crysler 300C, Dogdge Magnum, Dodge charger 등의 차에 장착되고 있다.

3) 의학분야
댜양한 종류의 세라믹 재료가 의학 분야에 적용되고 있다. 예를 들어 인공뼈, 인공치아 같은 것이 이미 오래전부터 상용화 되고 있으며, 최근에는 유전자와 관련된 분야까지 적용되고 있다.
수술이 불가능한 간암 같은 질병에 화학요법 치료가 적용되고 있지만 이 방법은 멀미, 탈모증 등 여러 가지 부작용을 수반하기에 환자들이 화학요법 치료시 많은 고통을 호소하고 있다. 이에 반해 새로운 개념의 치료방법이 개발되었는데, 미쥬리 롤라 대학에서 개발된 glass microsphere 는 FDA의 인증을 받았고 현재 미국내 29개의 병원에서 임상실험중이다. TheraSpheres라고 명명된 이 제품의 크기는 머리카락 굵기의 1/3 정도 되는데, 아주 조그만 유리알처럼 생긴 세라믹 알갱이를 원자로에서 방사선 처리시킨 뒤 동맥을 통해서 체내에 삽입시켜서 혈액을 통해 순환하도록 하면서 체내의 종양을 치료하는데 사용된다. 수술은 통상 1시간 이내의 짧은 시간내에 이루어지고, 입원할 필요 없이 통원치료가 가능하다고 하는데 이 방법은 간암 이외의 신장암, 뇌암, 전립선 암등에도 적용될 것으로 기대된다.
다결정질 투광성 알루미나는 당초에 미사일을 열감지 방식으로 추적하려고 NASA에 의해 개발주도 되었지만, 현재는 인공 치아 교정기에 사용되고 있다. 종래의 금속 재질의 교정기가 시각적으로 혐오감을 주었지만, 이것은 색상이 치아와 비슷해서 쉽게 눈에 뜨이지 않아서 쉽게 구별이 되지 않는다. 지르코니아(ZrO2) 소재는 알루미나(Al2O3)에 비해 강도가 높은데 무릎, 어깨, 지골 관절 등에 적용된다.
4) 우주 분야
우주 왕복선의 표면이 세라믹 타일로 만들어져 있다는 것은 익히 많은 사람들에게 알려져 있다. 이 세라믹 타일은 고온에서 견디기 때문에 우주 왕복선이 고속으로 지구에 진입할 때 내부를 고열로부터 보호하는 역할을 하고 있다. 2003년 콜롬비아 우주 왕복선이 비극은 이 외벽 연료탱크 주위의 결함이 왼쪽 날개의 세라믹 타일이 발사시 떨어져 나가게 한 것으로 규명되었다.
이와는 별도로 여러 가지 기능성 세라믹이 항공 우주 분야에 적용되고 있다. 예를 들어 세라믹 화이버는 화재방지를 위한 단열재로 사용되고, 비행기나 우주선의 전면 유리창은 특수 세라믹 코팅으로 되어 있는데, 이것은 투명하면서도 전기를 통하기 때문에 안개나 서리에 의한 시야장해를 방지하는데 적용되고 있다. 보잉 777의 최신 기종에는 세라믹 압전체 센서를 연료통에 장착하여 연료의 표면에서 반사되는 음파를 측정하여 정확한 연료의 양을 측정하고, 잔여 비행시간을 계산해 주고 있다.

5) 건축 분야
Suspended particle device technology라는 새로운 개념의 창문은 아주 미세한 방울의 액체를 코팅한 필름으로, 도포된 액체 입자내에 빛을 흡수하는 알갱이가 분산되어 있다. 이 입자들은 크롬-철, 구리-크롬, 또는 비스므드-망간계의 산화물로 빛을 적외선 가까운 파장에서 빛을 반사하는 특성을 가지고 있다. 이 필름을 두 개의 유리판 또는 플라스틱 판 사이의 내부에 장착하여 사용하는데 이 필름에 전압을 가하지 않았을 때는 필름속의 입자들이 빛을 흡수하여서 불투명한 유리창이 되게 만들지만, 여기에 전압을 가하면 입자가 한 방향으로 정렬되면서 빛이 통과하게 되어 투명한 유리창을 만들어 준다. 따라서 스위치 조작에 의해서 창문을 투명하게 또는 불투명하게 자유자재로 조절 가능하게 하여 준다.

6) 스포츠 분야
압전체 화이버를 이용한 스키나 스노우 보드는 날의 끝부분을 날카롭게 또는 무디게 형상을 조절할 수 있다. 스키가 고속으로 활강할 때는 스키가 떨게 되어 스키 표면과 에지사이의 접촉을 감소시켜 스키의 조절이 불안정해지고 속도가 감소하게 된다. 여기에 압전체 화이버를 넣으면 불필요한 진동을 5/1000초내에 전기에너지로 변환시키고, 에지를 날카롭게 해 주는 역할을 한다. 여기에 사용되는 세라믹 화이버는 물론 마모가 적고, 다른 플라스틱 보다 휨에 잘 견디도록 설계되어 있다. 테니스 라켓에도 세라믹 화이버가 적용되는데, 15% 이상의 파워를 증진시키는 효과를 가져다주는 것으로 알려져 있다.

필자가 미국에서 생활하면서 느끼는 점은 미국 개인각자는 한국 사람들에 비해서 뛰어난 것이 별로 없다고 생각되지만, 그들은 조직적인 사고방식을 가지고 있으면서 뛰어난 조직력의 개념을 가지고 있는 것으로 생각된다. 구체적인 목표가 이루어졌을 때, 내가 할 수 있는 일, 그리고 내가 할 수 없는 일을 나름대로 정의하고, 내가 할 수 없는 일은 누구의 도움을 받아서 어떻게 하면 해결할 수 있는가를 설계하는 통찰력이 우리보다 훨씬 뛰어난 것이 미국을 이끄는 원동력인 것이다.
예를 들어 우주선을 타고 달나라에 간다고 하면, 모든 분야의 과학이 집대성이 이루어져야만 가능할 것이다. 한 분야의 전문기술이 아무리 많아도 이것을 접목시킬 수 있는 조직이 없다면 달나라에 가는 것은 불가능하다고 생각한다. 소위 본고에서 말하는 기술 융합(Technology Convergence)은 우리가 몸담고 있는 세라믹 분야에서만 머물 것이 아니라 세라믹을 다른 분야에 접목시켜서 새로운 가치창조를 이룰 수 있는 원시안적인 사고방식으로의 전환을 요구한다.
참으로 영화배우가 대통령이 될 수 있는 나라이고, 돌이켜 볼 때 그 대통령은 정치를 잘 했다고 평가가 되는 나라가 미국이다. 우리도 시야를 넓혀서 세라미스트가 기술융합을 선도해 나갈 수 있기를 바라면서 본고를 마치고자 한다.

공동기획 :

이상호
서울대학교 요업공학과 학사
서울대학교 무기재료 공학과 석사
서울대학교 무기재료 공학과 박사
쌍용중앙연구소 책임연구원
미국 펜실베니아 주립대학 Senior scientist
현재 Greene Tweed & Co. Senior scientist