尹存道 공학박사 / 경남대학교 신소재공학부 교수 1. 서론 재료공학 논문을 보면 “OO재료의 제조와 특성평가”의 제목을 갖고 있는 경우가 많은데, 이는 재료공학에서 재료의 제조공정과 특성평가가 중요한 두 축이기 때문이다. 특성평가가 매우 중요한 부분임에도 불구하고 우리나라의 재료공학 사회는 아직 그 중요성을 충분히 인식하고 있지 않다. 현미경 사진이나 물성 데이터 등 특성평가 결과를 논문을 장식하는 장식품 정도로 생각하는 연구자도 적지 않고 특성 평가자 또한 그 질을 높이기 위하여 힘을 기울이지 않으므로 우수한 특성평가 결과가 나오지 않고 있다. 공학논문에 많은 특성평가 데이터가 들어가 있으나 특성평가자를 저자로 표시하거나 감사의 표시를 하는 경우도 드물다. 외국의 경우, 많은 훌륭한 연구가 공정연구자와 특성평가자와의 공동연구에 의하여 이루어 지고 공동저술의 형태로 발표되는 것과 많은 차이가 있다. 이러한 것들이 중국, 대만, 싱가포르 등 아시아의 경쟁상대 국가들보다 훨씬 많은 수의 우수한 기기를 보유하고도 그들 국가보다 훨씬 저조한 특성분석평가결과를 얻는 이유중의 하나이기도 하다. 우리나라의 특성분석평가의 발전을 위해 평가의 제반 요소와 문제점을 짚어보기로 한다. 2. 특성분석평가의 요소 가. 특성분석평가의 특징 재료의 특성분석평가란 재료의 구조, 성분과 물성을 측정하고 분석하고 평가하는 것을 말한다. 이는 측정을 통하여 측정값을 얻는 것 뿐만이 아니라 이 데이터에 대한 재료과학적인 분석과 공학적인 평가까지 종합적으로 포함하는 지적 활동을 뜻한다. 그러므로 정확한 측정분석을 위하여 물리화학, 재료과학, 광학, 역학 등 기초과학의 백그라운드가 필요하고 평가를 위하여 통계적 지식의 도움이 필요하며 객관적인 사회적 합의와 동의를 위하여 표준화 과정이 필수적이다. 2000년대부터 우리나라의 산업발달을 위하여서는 부품소재의 개발이 반드시 필요하다는 사회적 공감대가 형성되었고 그에 따라 정부에서는 부품소재육성 특별조치법을 제정하고 부품소재발전 기본계획을 수립하여 10년간 2조원의 재원을 집중투자하기로 하는 등 부품소재 개발연구의 분위기가 형성되고 있다. 부품소재의 연구는 첫째, 특성평가와 연계하여 이루어지는 제품·공정기술의 개발연구와 둘째, 제품의 신뢰성평가과정으로 나뉘어지는데 첫번째의 경우에는 특성평가를 통한 피드백 과정을 통하여 정밀히 제어된 개발연구가 가능하며 둘째의 경우에는 특성평가의 다른 형태인 고장분석과 수명예측을 통하여 신뢰성이 평가된다. 이와 같은 점에서 볼 때, 우리나라 산업의 발달과 경쟁력 제고를 위하여 특성분석평가는 핵심요소의 하나라고 말할 수 있을 것이다. 또 한편으로, 새로운 재료 또는 기능을 개발하는데 있어서 새로운 특성분석평가 기술은 매우 중요할 것이다. 예를 들면 새로이 합성되는 나노물질은 크기만 작은 것이 아니라 특성 또한 새로운 것이어서 새로운 나노분석기술을 요구한다. 특성평가의 요소로는 기술, 장비, 인력의 세가지를 들 수 있다. 요구되는 특성을 측정분석하기 위한 기술이 있어야 하고 이를 위한 정밀도를 갖춘 장비가 필요하며 이와 같은 기술을 소화하며 장비를 다룰 수 있는 인력이 필요하다. 이 가운데 평가 장비와 인력에 대하여 논의해 본다. 나. 특성분석평가의 내용과 장비 특성분석평가는 구조분석, 성분분석, 물성분석 및 신뢰성 분석으로 나뉘어진다(표 1). 구조분석은 재료의 표면, 계면, 단면, 내부의 미세구조, 결함구조 및 결정구조를 관찰하는 것이며, 영상정보와 더불어 성분정보와 결정학적 정보를 함께 수집하기 때문에 재료특성에 대한 종합적 판단을 할 수 있다. 구조분석을 위한 장비로는 모폴로지와 포토그래피 등 영상관련 정보를 얻을 수 있는 각종의 현미경, 엑스선회절현상을 이용하여 결정학적 정보를 얻을 수 있는 각종의 엑스선 분석기, 재료를 파괴하지 않고 결함관련 정보를 얻을 수 있는 비파괴 탐상기 등이 있다. 성분분석은 재료의 구성원소, 화합물의 종류 및 그 원자결합 상태 등의 정보를 얻는 것이다. 분석방법은 대부분의 경우 열 또는 전기에너지로 재료내 원자의 에너지를 들뜨게 하고 그로부터 나오는 각종의 신호를 분광분석하여 정보를 얻어내는 것이다. 이를 위한 장비로는 XRF, ICP, IR, AAS 등이 있는데, 들뜨게 하는 방식이 엑스선이냐 플라즈마냐 등에 따라 분석 방법이 달라진다. 이들 장비들은 일반적으로 시편 전체를 녹이거나 또는 조사(照射)하여 분석하기 때문에 평균된 성분정보가 얻어지지만 국소부위만을 들뜨게 하여 공간분해능을 갖고 성분정보를 얻어내는 분석방법(EPMA)도 있다. 물성분석은 재료의 물리적, 기계적, 전기적, 자기적, 광학적 물성을 측정하고 분석하는 것이므로 물성의 종류가 많은 만큼 측정하는 평가기술과 장비도 다양하다. 다. 특성분석평가 전문인력 특성분석평가 전문인력은 깊이 있는 전문지식과 경험이 필요하다. 전문인력은 우선 분석기술의 바탕이 되는 물리학, 화학, 광학, 또는 역학적 지식을 충분히 갖고 있어야 한다. 예를 들면 전자현미경 전문인력은 전자파의 발생과 집속을 이해하기 위하여 전자기학과 전자광학을 알고 있어야 하며, 전자와 원자와의 탄성/비탄성 충돌과 이차전자, 후방산란전자, 특성엑스선, 오제전자, 플라즈몬 등의 발생을 이해하기 위하여 물리학적 지식을 갖고 있어야 하며 결정격자와 격자결함에서의 전자파 회절과 영상형성 원리를 이해하기 위하여 결정학적 지식이 필요하고 신호 검출처리, 디스플레이, 진공발생 등의 과정을 이해하기 위하여 반도체 소자, 전기회로, 기계장치에 대한 기초 지식이 필요하다. 한편, 특성평가란 복잡한 공정을 통하여 제조된 재료를 대상으로 하기 때문에 재료의 제조공정에 대한 지식이 반드시 필요하다. 왜냐하면 특성평가란 단순 측정이 아니라 재료에 대한 종합적 분석과 판단을 필요로 하기 때문이다. 예를 들면, 박막의 특성평가를 위하여 박막과 기판사이의 계면에 형성된 이차상을 분석해야 할 때 박막의 제조공정과 공정조건을 이해할 때만 입체적 분석이 가능하고 분석의 질이 높아지게 된다. 전문 인력에 또 하나 요구되는 점은 많은 경험이다. 이는 분석과정에는 착란효과(artifact)가 존재하고 다양한 재료에 대한 시편준비와 분석의 경험이 있어야 착오가 없는 정밀한 분석이 가능하기 때문이다. 이러한 점에서 보면 분석 전문인력은 최소한 대학이나 대학원 이상의 학력이 필수적이고 최소 4년 이상의 경력이 필요하다. 또한 고도의 분석장비는 장비마다 요구되는 기초지식의 종류가 다르므로 장비마다 고유의 전문인력이 필요하게 된다. 특성분석을 위한 시편준비과정은 분석과정 못지않은 어려움이 따르고 고도의 기술과 많은 시간을 요구하는 경우가 적지 않다. 따라서, 다양한 재료에 대한 시편준비기술을 갖고 있어야 하며, 단순반복성의 시편준비공정을 위한 보조인력이 반드시 필요하다. 라. 문제점 이와 같이 특성분석평가에는 고도의 장비와 고급 전문인력을 필요로 하고 또한 평가기술을 확보하여야 하므로 개별 연구기관에서 고급 수준의 평가능력을 보유 유지하기 위하여 많은 비용을 지출하여야 한다. 그러나 우리나라의 대학, 연구소, 기업 등의 개별 연구기관에서 그와 같은 충분한 예산상의 여유를 갖기가 힘들기 때문에 장비와 인력과 기술의 삼 요소를 모두 갖추고 있는 곳은 매우 드물다. 우리나라의 연구기관에서 고가의 우수한 장비를 보유하고 있으면서 그 활용 능력과 성과는 매우 저조한 기현상을 흔히 보게 되는데 이는 특성분석평가의 삼요소 중 전문인력과 평가기술의 중요성을 잘 이해하지 못하고 있거나, 아니면 고가의 장비 보유에 의한 전시효과만을 꾀하고 있기 때문이며 육성의지가 부족하기 때문이다. 한편, 이와 같은 문제를 더욱 어렵게 하는 요소로는 과학기술 전문가의 전문성을 인정하지 않으려는 태도인데 특성분석평가에 드는 고비용의 지출을 꺼리게 되고 결국, 개별 연구기관에서의 특성평가업무의 재정자립화를 불가능하게 만들고 있다. 그러므로, 우리나라에서 택할 수 있는 차선의 방식은 고비용이 소요되는 특성분석평가를 개별연구기관에서 수행할 것이 아니라 전문화된 특성평가센터에서 수행하는 것이다. 특성평가센터는 공공자금을 이용하여 정책적으로 육성을 하여야 하며 고가의 장비 뿐만 아니라 연구인력과 평가기술연구 및 운영에도 많은 재원을 할애하여야 한다. 외국의 경우에는 개별 연구기관에서 특성평가를 수행하는 곳이 많은데 이는 외국에서 특성평가의 중요성을 인식하고 그 쪽으로 많은 예산을 배분하기 때문이며, 높은 분석용역비를 인정하여 자체 수입분이 높기 때문이다. 외국의 연구기관의 예(표 2)를 보면 연구인력이 생각보다 많지 않으나, 이는 연구인력의 대부분을 4~6년 동안 한 곳에서 연구에 집중할 수 있는 박사과정 대학원생으로 충족하고 있기 때문이다. 즉, 수 명의 박사급 연구인력과 3~5명의 기술자가 중심이 되고 십수명의 박사과정 대학원생이 단위가 되어 특성평가장비를 운영하고 평가기술을 개발하며 재료 연구개발에 유기적으로 참여하고 있는 것이다. 마. 발전방안 우리나라 사회의 특성분석평가 기능을 어떻게 극대화할 것인가에 대하여 여러 가지 이견이 있을 수 있지만, 한가지 분명한 것은 특성분석평가가 우리나라의 산업기술 경쟁력의 핵심이라는 것을 인식하고 특성평가에 대한 자세를 전환하는 것이 중요하며 이를 위하여 민간과 정부가 노력을 기울여야 한다는 것이다. 정부에서 2000년부터 전국 18개 기관을 신뢰성시험평가센터로 단계별로 지정해 오고 있고, 현재 서울과 부산 두 지역에 설치되어 있는 ‘신뢰성분석센터’를 각지역으로 확대 설치할 계획을 세우고 또한, 국가 알앤디 사업 전반에서 신뢰성 평가의 의무화를 추진하고 있는 것은 고무적인 일이다. 그러나 아직도 우리나라에서의 투자우선순위는 가시적 효과가 나타나는 장비구매에 집중되고 있고 전문인력양성, 평가기술개발 및 특성분석평가사업 운영에는 소홀한 상태여서 실제로 필요한 부분에 집중적 투자를 하는 것이 아니라 상대적으로 과잉투자된 부분에 투자를 계속하고 있는 상태이다. 몇가지 발전방안을 생각해 보자. 첫째, 특성평가 전문인력의 양성에 투자를 하여야 한다. 대학 또는 대학원에 특성평가, 분석과학 또는 신뢰성평가 전공과정을 설치하고 학문적 기초가 튼튼한 전문인력의 양성과 기존 전담인력의 재교육을 통한 고급화를 지원하여야 한다. 둘째, 특성평가기술 개발과제에 대한 지원을 확대하여야 한다. 현재 대부분의 국가지원 연구과제는 공정개발에 투입이 되고 있고 한국표준연구원에서 수행하는 일부 평가기술 연구개발사업이외에는 특성평가 기술개발 과제는 거의 지원을 받고 있지 못한 실정이다. 부품 소재의 각 분야에서 평가기술개발 과제에 대한 지원책이 마련되어야 할 것이다. 셋째, 지역별로 특성분석센터를 설립 또는 지정하여 지역거점으로 활용하여야 한다. 현재 전국 7개 지역의 기초과학지원연구원에서 이같은 역할을 하고 있으나 수요를 충족시키기에는 너무나 부족하므로 12개 지방 자치단체내 지방대학에 설치되어 있는 공동기기센터를 적극 활용하는 것이 효과적 방법일 것이다. 넷째, 특성평가장비의 국산화 개발지원을 해야 한다. 우리나라 특성평가장비의 80%이상이 외국제품으로 보고되었는데 이같은 평가장비의 높은 외국의존도는 무역불균형, 국내산업기반부실 등의 문제가 되고 있다. 또한, 평가장비 산업이 있어야 평가기술 연구결과가 활성화되고 상용화될 수 있는 만큼 국내의 평가장비 산업육성에 힘을 써야할 것이다. 3. 결론 우리나라의 산업경쟁력을 높이기 위하여 특성분석평가 기능을 진작시켜야 하며 특성분석평가 장비, 인력, 기술의 세 가지 요소가 균형있게 투입될 때 특성평가의 최대효율을 꾀할 수 있을 것이다. 현재까지 집중되어 온 평가장비에의 투자 뿐만 아니라 전문인력 양성과 평가기술 개발에 더 큰 투자를 하여야 한다. 정부의 재정적 및 제도적 지원도 중요하지만 의식 변화가 있어야 사회의 변화가 뒤따르는 만큼 과학기술인들의 특성분석을 보는 시각의 조정이 더욱 시급하다고 하겠다. 제조공정 개발도 중요하지만 특성평가의 중요성을 인식하고 전문인력에 대한 대우수준을 높이는 등 장기적 안목에서 인재 양성과 확보를 할 수 있는 시스템 구축에 인색하지 말아야 할 것이다. 4. 감사의 글 본 원고의 작성을 위하여 자료조사를 수행해 준 경남대학교 공동기기센터 전자현미경실의 고철호 연구원에게 감사를 표합니다. 5. 참고문헌 ① 정초시, “측정표준이 한국의 경제성장에 미치는 영향”, 측정표준 제21권, 제3호, 2~11쪽(1998) ② 김동진, “한국산업의 정밀측정기술”, 측정표준, 제18권 제2호, 88~93쪽(1995) ③ “신뢰성 향상사업 중장기 발전전략 정책연구” 대한민국 산업자원부 연구보고서, 2002년 3월 ④ “파인세라믹산업 중장기 발전계획” 대한민국 산업자원부 연구보고서, 2002년 11월. ⑤ “경남 부품소재산업의 현황과 발전방안” 경남대학교 신소재연구소 심포지엄 자료집, 2002년 6월.