趙南熙 공학박사 / 인하대학교 재료공학부 교수 1. 세라믹스 재료 세라믹스는 금속이나 고분자재료에 비해 화학적으로 안정하여 산화나 부식이 되지 않고 높은 온도에서도 특성을 잘 유지하는 장점을 가지고 있어서, 일상생활에서뿐만 아니라 공업기술 부문에서도 긴요하게 사용되어 왔다. 그러나 세라믹스 제품들은 일정한 한계이상의 기계적인 충격이나 갑작스런 온도변화에 의해 깨지기 쉬운 단점 때문에 그 용도가 많은 제한을 받아왔다. 최근에 들어서 급속히 고도화되어 가는 첨단 공업기술들을 뒷받침하기 위해서는 화학적으로 더욱 안정되고 기계적으로 더욱 강하며 보다 더 높은 온도에서도 견디어 낼 수 있는 새로운 재료의 개발이 절실하게 요구되고 있다. 20세기 문명의 꽃이라고 볼 수 있는 전자산업의 발전은 전기, 자기, 광학적으로 특수하고 다양한 전자적 기능을 갖는 전자재료라는 새로운 소재를 개발시키고 그 기능을 계속 개선시켜왔다. 또한 지난 20여년동안 급격하게 대두된 에너지 위기는 새로운 대체에너지 개발 및 환경보전에 꼭 필요한 소재 개발에 대한 필요성을 더욱 절실하게 만들었으며, 세라믹스 소재가 환경 에너지 재료로서 활용되거나 연구개발의 주대상이 되고 있다. 이처럼 2차 세계대전 후 철강, 자동차, 항공기, 전자제품, 환경에너지 등 새로운 산업이 급속하게 발전함에 따라 재래의 공업재료에 비하여 보다 좋은 성능과 다양한 성질을 갖고 있는 재료가 필요하게 되어 도자기나 타일, 벽돌과 같은 것으로만 알려져 있던 세라믹재료들이 다시 인류의 새문명을 짊어지게 될 신소재로서 새로운 각광을 받게 된 것이다. 2. 세라믹스 특성 및 분석평가 필요성 세라믹스 신소재는 기능에 따라서 다양하게 분류할 수 있다. 이에는 기계구조 세라믹스, 전자 세라믹스, 광학 세라믹스, 환경 세라믹스, 에너지 세라믹스 등이 있으며, 이들이 지닌 독특하고 유익한 물성은 재료의 화학조성, 미세구조, 원자구조, 전자구조 등에 의하여 결정된다. 따라서 재료 물성발현의 이해와 응용을 위해서는 이들 물성의 정량적 분석평가가 필요하며, 또한 화학분석, 구조분석 등이 수반되어야 한다. 특히 기존 재료가 지닌 물성을 향상시키거나 새로운 특성을 지니도록 하기 위해서는 이 물질의 화학조성과 구조 변화가 필수적이며, 이러한 신기능 창출을 위한 소재 개발에 물성과 특성분석은 필수적인 과정이다. 따라서 물성측정은 재료응용과 신소재 산업의 기본이 되는 과정으로서, 이를 위한 적절한 분석평가기법과 장비가 표 1에서 처럼 고안되어 이용되고 있으며, 보다 정교한 분석기법이 지속적으로 개발되고 있다. 한편 재료의 물성에 대한 조절과 제어를 위해서 재료의 미세구조, 원자구조, 전자구조, 화학분석 등에 대한 이해와 분석이 필요하며, 아래 표 2에서 처럼 다양한 기법들이 재료의 구조 및 화학분석에 사용됨을 볼 수 있다. 지난 10여년 동안 재료의 급격한 발전은 이러한 물성과 구조분석의 발전을 바탕으로 이루어졌으며, 또한 이들 분석기법의 발전을 동반하여 왔다. 한 예로써, 전자산업에서 부품의 집적화와 고기능화를 위한 박막 응용을 들 수 있다. 원하는 고순도 또는 ppb 단위의 화학조성이 제어된 박막증착을 위해서는 기판표면의 구조 및 조성 제어를 위한 분석평가가 필요하였으며, 결과적으로 관련된 분석기법의 개발을 가져왔다. 또한 이를 바탕으로 증착기술이 발전하였다. 이러한 분석기법으로 표면의 원자구조분석을 위한 STM, AFM, REM, REED 등을, 그리고 화학조성의 분석을 위한 SIMS, RBS 기법의 개발과 분해능 향상을 들 수 있다. 나노재료에 대한 특성평가기술은 다른 분야에서와 마찬가지로 나노산업의 발전에 중요한 부분을 차지하고 있다. 나노기술은 나노미터(nm, 10억분의 1미터)크기 수준에서 물질을 다루는 기술로서 21세기 산업의 핵심기술 한 부분으로 인식되고 있다. 마이크로미터에서 나노미터로 스케일이 작아지면서 한층 고도의 분석기술과 장비가 요구된다. 이러한 요구에 부응하는 방법으로 주사전자현미경에 전계방사형 전자총(FEG), 원추형 렌즈, 장입형 검출기 등을 첨가사용하므로써, SEM 시편으로부터 나노영역의 분석을 가능하도록 하고 있다. 또한 투과전자현미경에서의 나노스케일 관찰기법은 이미 정착되어있으나, 전자에너지손실분광분석(EELS)과 고각환형암시야주사투과전자현미경(HAADF-STEM)을 활용하여 나노 및 원자스케일에서도 구조적 화학적 정보를 동시에 얻을 수 있도록 하고 있다. 한편, 주사탐침현미경(SPM)이 나노분석에 중요한 부분을 차지하고 있다. 미세한 탐침을 이용하여 재료표면을 주사하면서 재료표면에서 요철, 원자배열, 결함 등을 관찰분석할 수 있으며, 실공간에서 나노미터 스케일의 영상이 얻어진다는 특징을 가지고 있다. 주사터널링현미경(STM), 원자간력현미경(AFM), 자기력현미경(MFM), 펄스력현미경(PFM), 정전기력현미경(EFM), 주사축전현미경(SCM), 누설전류현미경(LCM), 주사열현미경(STHM) 등 다양한 종류의 현미경이 주사탐침현미경 군을 이루며 개발되고 있다. 이러한 현미경의 개발과 분석력 향상은 나노소재의 개발에 필수적이며, 나노소재의 개발과 더불어 함께 발전해 나가야 할 것이다. 이처럼 신소재의 평가는 신소재의 새로운 응용을 위해서는 필수적인 과정이다. 실제로 대규모의 연구개발사업에서는 반드시 평가와 분석기술개발이 들어있다. 예로써, 일본의 구조용요업재료 개발계획이나 미국의 열엔진 개발 프로젝트계획에서도 원료 및 원료조정기술, 성형기술, 소성기술 등 제조기술과 더불어 분석평가기술이 포함되어 있다. 우리나라에서도 한국표준연구원 주관의 신소재 특성평가 기술개발 조사연구에 의하면 산업체, 대학, 연구소의 신소재 개발 관련 종사자 응답자의 68%가 특성평가기술 때문에 기술개발에 어려움을 겪었으며, 대부분의 연구자가 그 중요성과 필요성에 대해 인식하고 있었다. 또한 이들은 가까운 장래에 우리나라에서도 선진국 수준의 특성분석평가기술이 요구될 것이라고 하였다. 3. 분석평가센터 발전방향 소재개발연구에서 분석평가기술의 접목은 필수적이며, 관련되는 분석평가장비의 확보가 요구된다. 대부분의 분석평가장비는 고가이며, 또한 유지하는데 상당한 비용이 든다. 더구나 고가분석장비를 활용하여 장비가 가지는 사양을 최대한 활용하기 위해서는 숙련된 전문가가 필요하다. 이러한 조건을 충족시키기 위해서 대부분의 대학, 연구소, 산업체에서는 조직 내 분석평가센터를 두어서 이 센터에서 분석평가장비를 관리하고 구성원들이 활용하도록 하고 있다. 국내 각 대학, 연구소, 산업체의 분석평가센터의 운영과 활용에서 몇 가지 공통된 문제점을 발견할 수 있으며, 이들에 대한 대책과 보완을 아래에서 언급하고자 한다. 1)지금까지 분석평가의 필요성을 제기하면서, 분석장비의 필요성과 개선을 언급하였다. 그러나 이러한 장비를 이용하여 분석 평가하는 것은 연구자이다. 즉, 분석평가센터의 분석장비에 해당 전문가가 반드시 필요하다. 이들 전문가는 관련 분석업무를 잘 숙지하고 응용할 수 있는 능력을 보유하고 있어야 한다. 또한 분석평가업무에 전념할 수 있도록 행정적 재정적 지원이 있어야 할 것이며, 타부서에 속한 자에 비하여 인사 불이익을 받지 않도록 하여야 할 것이다. 2)신소재의 개발이나 신기능 창출을 위한 연구개발에서는 분석평가기술의 향상이 필수적이다. 분석평가센터 내 필요한 장비의 구입 뿐 아니라 이의 응용향상을 위한 지속적인 노력이 필요하다. 즉 장비의 사양을 완전하게 응용할 수 있도록 하며, 또한 새로운 기법의 개발을 위한 제도적, 재정적 지원이 분석평가 센터에 주어져야 할 것이다. 3)분석평가센터가 속해 있는 기관의 특성에 따라서 이들의 역할이 서로 다를 수 있다. 그러나, 분석평가 업무의 일반적 특성상, 서로 유기적으로 협력, 보완하는 관계를 가질 필요가 있다. 특히 동일한 지역 내 대학, 연구소, 산업체의 분석평가센터들 간에 장비사용과 분석기법 문제 공유 등은 장비의 효율적인 활용과 연구개발의 역동성 유지에 크게 이바지할 수 있을 것이다. 4)분석평가용 장비 중 일부는 상당히 고가이다. 일부 장비는 매우 비싸기 때문에 각 대학이나 산업체에서 개별로 구입하기에 어려움이 있을 수 있다. 이러한 경우에는 지역별로 구입하여 공동으로 활용할 수 있도록 하는 것이 바람직 할 것이다. 기초과학지원연구센터에서 지역별로 분소를 설치하여 운영하며, 국가차원에서 초고전압투과전자현미경의 설치 등을 시도하고 있는데, 이는 적절한 노력이라 여겨진다. 특히 최근에 인터넷 활용이 보편화되고 있으므로, 이러한 초고가 분석평가장비의 지역별 설치와 활용은 보다 효율적으로 이루어질 수 있으리라 여겨진다. 이미 선진국에서는 80년대 초부터 특성평가의 필요성을 인식하고 이에 대한 노력을 기울여왔다. 우리나라에서도 이의 필요성을 인식하여 각 대학과 산업체에서 신소재 특성평가센터를 두고 이에 관한 효율적이고 적절한 활용을 위하여 노력을 기울이고 있다. 선진국과의 세라믹스 분야 특성평가분야 수준격차를 줄이고 이 분야의 발전을 위해서는 한 기관의 노력만으로는 불가능하고 연구자 및 기관사이의 정보교류, 선진관련 기관과의 협력연구 및 교류, 그리고 국가적 차원에서의 지원이 복합적으로 이루어져야 한다.