꿈의 신소재 균열자기치유 재료

안 태 호_ 한양대학교 국제지속가능공학소재센터 센터소장

심 광 보_ 한양대학교 신소재공학부 교수

1. 서  론

우리는 태어나면서부터 일상생활에서 수 많은 여러 가지의 재료들을 사용하며 살고 있다. 이러한 재료들은 인류역사와 함께 석기, 청동기, 철기 등의 이름으로 지속적으로 변화되어 왔으며, 지금까지도 재료과학은 인류역사와 함께 지속적으로 발전 되고 있고 앞으로도 그럴 것이다. 이러한 재료과학의 발전은 가까운 미래에 우주개발인 화성 유인 탐사선 계획을 가능하게 해 줄 것이며, 극지방이나 해저 등 극환 환경에서의 주거 생활이나 자원 활용도 또한 가능하게 하여 인류의 신 영역 창출에 큰 원동력이 되고 있다. 또한 이제는 파인 세라믹스, 신소재, 나노소재 등의 전공 용어들도 일상생활 제품에 많이 활용되어 누구나 쉽게 이해할 수 있는 언어로 친숙하게 다가왔으며, 최근에는 학문 경계 영역을 초월한 최첨단 NT, BT, IT, ET 융합기술 소재개발 시대로 변화되고 있는 것도 직감할 수 있다. 그럼 우리는 왜 이렇게 새로운 재료들을 지속적으로 개발하여야만 하는 것일까? 물론 사용목적이나 환경에 따라서 여러 이유가 있겠지만 기본적으로는 보다 간단하고, 저렴하며, 사용하기 쉽고, 한 가지 재료가 여러 기능성을 보유하고 있으며, 재료의 내구성이 우수한 다기능성의 인텔리젼트 소재(Intelligent material) 또는 스마트 소재(Smart material)가 사회에서 끊임없이 요구되고 있기 때문일 것이다.
최근 새롭게 개봉된 터미네이터(Terminator Genisys)라는 헐리우드 공상과학 영화가 있다. 이 영화는 필자가 어릴 적부터 보았던 영화 시리즈로 특수 금속 재료로 구성된 미래형 로봇에 관한 이야기이다. 재료과학자 측면에서 영화 속 재료를 검토해 보면 이러한 획기적인 특수 금속들은 외부로부터의 충격에 의하여 모체가 손상(Damage)을 입었을 경우에도 자체적으로 고체에서 액체형태로 상전이 (Phase transition)가 상온에서 발현되기도 하며, 파괴나 손상을 입어도 스스로 원상 복구 (Self-healing)가 되고, 소재 자체에 인공지능(Artificial intelligence)기능까지 탑재된 획기적인 신소재 공상과학 영화인 것이다. 영화라는 것이 우리의 상상력을 최대한 이끌어낼 수 있는 또 하나의 새로운 세계인 것은 이미 누구나 알고 있지만, 필자는 특히 영화 기술들이 언제쯤 현실화 될 수 있는지 그리고 이러한 기술들이 향후 어떻게 실제 일상생활에서 적용이 가능할지에 큰 관심을 가지고 있다.
그럼 이러한 실제 Damage prevention과 Dama-ge management 특성을 가지는 영화 속에서 보았던 인텔리젼트 소재들도 실제 개발이 가능한 것일까? 또한 이러한 재료들은 우리 일상생활에서도 가까운 미래에 사용이 가능한 것일까? 구체적인 스마트 재료들을 설명하기에 앞서 먼저 미래 재료의 개발 개념에 관하여 좀 더 자세히 알아보기로 하자.

2. 재료의 생애주기(LCC)와 자기치유 개념의 도입

우선 자기치유 재료의 종류별 특성을 설명하기에 앞서 기존 일반 재료의 생애주기(Life Cycle Cost)곡선에 관하여 알아보도록 한다. 우리가 사용하고 있는 여러 재료들은 일반적으로 재료의 생애주기 곡선을 통하여 다음과 같이 간략하게 설명 할 수 있다. 그림 2 (a)에서 보여주는 것과 같이 초기 재료를 디자인(설계)하는 경우 우리는 최소 요구 성능치(예를 들어 강도인 경우)를 선정하여 재료를 개발하게 된다. 개발된 이러한 재료는 사용환경, 사용시간에 따라 점차적으로 열화가 진행되며, 또한 성능이 저하 되게 된다. 특히 균열을 비롯하여 재료가 국부적인 손상을 받았을 경우에는 급격하게 강도 등이 감소하기도 하며 더 이상 기능을 발휘할 수 없는 경우에는 재료를 새로 교환하거나 또는 보수비용을 투자하여 1차적으로 보수를 진행하게 된다. 시간에 따른 성능저하 곡선을 고려해 볼 경우, 이때 그림 2 (b)에서 보여주는 것과 같이 보수 횟수에 따라 추가적인 보수 비용은 지속적으로 증가되게 되는 것을 알 수 있으며, 어느 시점에서는 재료의 수명을 마감하는 것이 일반적인 재료의 LCC 형태이다. 또한 초기 재료 설계비용은 다소 높더라도 고내구성의 재료를 개발하여 적용하는 경우는 장기적으로 재료의 유지 보수 비용은 감소하는 형태를 가지게 되는 것도 알 수 있으나 이러한 재료도 최종적으로는 유사한 LCC 형태를 가지게 된다.
그러나 최근 미국, 일본, 유럽 선진국에서는 이러한 재료의 유지보수비용을 절감하기 위한 대안으로 재료의 내구성능을 극대화한 균열자기치유 개념을 도입, 새로운 신소재 개발을 적극적으로 연구 개발하고 있는 추세이다. 특히 재료의 LCC 비용 측면에서 그림 2 (c)에서 보는 것과 같이 균열 자기치유 개념을 도입할 경우, 재료에 최소 damage가 발생할 경우 균열이나 열화부위를 자체적으로 수복시켜 급격한 성능저하를 억제시키며, 그림 2 (d)에서 보여주는 것과 같이 고내구성 재료에 비해서도 장기적으로 유지 보수비용을 0에 근접하도록 개발하는 것이 목표라 할 수 있을 것이다. 실제로 이러한 새로운 재료의 설계 개념은 이미 여러 산업계에서 새로운 학문 분야로 검토 되고 있는 실정이며 이미 일부 제품은 상용화 되어 우리 일상생활에 적용되고 있는 추세이다. 이러한 균열 자기치유 또는 자기수복 기능은 일반 생활 용품 이외에도 긴급하게 보수가 필요한 우주, 항공 분야나 사람이 직접적으로 보수할 수 없는 특수 환경(원전구조물, 극한환경)에 적용이 가능하며, 모체가 손상을 입었을 경우 1차적으로 긴급하게 자동적으로 보수를 할 수 있도록 설계도 할 수 있어 구조체의 안전성과 내구성을 비약적으로 높여줄 수 있는 기술로 최근 많은 관심이 증가되고 있는 추세이다.

3. 균열자기치유 소재의 적용 범위

균열자기치유소재는 대부분 융합형 재료들로써 세라믹, 금속, 폴리머, 심지어 박테리아를 이용한 바이오 기술 등 소재 전 분야에 걸쳐 전 세계적으로 급속하게 연구가 진행되고 있는 추세이다. 이러한 재료들은 기존재료와는 달리 내구성이 반영구적으로 향상되며, 구조체의 균열 진단, 유지, 보수관리, 환경정화 기능 등을 보유한 다기능성의 최첨단 스마트 소재이다. 특히 균열자기치유 소재를 연구하는 연구 그룹들 중에는 폭 넓게 이러한 신소재 연구를 기초로 하여 지속가능 한 사회시스템 구축을 위해 각기 여러 분야(토목, 건축, 환경, 원전, 에너지, 바이오, 우주항공 등)와 국제적인 융합 연구를 추진하고 있기도 하며, 재료공학에 있어서 새로운 ‘Damage Prevention’과 ‘Self-Healing’ 개념을 도입한 신기술 영역을 적극적으로 창조하고 있기도 하다. 다음은 현재 우리 일상 생활에 이미 활용 되기 시작한 균열자기치유 기술들을 정리하였다.

자세한 내용은 세라믹 코리아 7월호에서 확인하실 수 있습니다.