07월호 생생 연구현장

구조소재 스페셜리스트들의 꿈
“우리는 100년 연구센터로 간다”

선도연구센터지원사업(ERC)
서울대학교
전략 구조소재 신공정 설계 연구센터

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2019년 7월 1일 월요일, 갑작스런 일본의 수출규제 소식이 여느 날처럼 새로운 한 주를 준비하던 대한민국의 평온한 일상을 흔들었습니다. 이날의 충격은 당면한 사태 수습을 넘어 그간 보이지 않는 곳에서 조용히 세상을 움직여 온 ‘소재’의 가치를 새롭게 각성하는 계기이기도 했습니다. 그로부터 꼭 1년의 시간이 흐른 지금, 우리나라는 정부와 기업, 연구소와 대학을 가릴 것 없는 전 방위적 협력 아래 이른바 소재 주권 확보를 위한 노력을 거듭 이어가고 있습니다. 일상적으로 사용하는 기초소재의 90%, 주요 기간산업에서도 20% 이상의 비중을 차지하는 ‘구조소재’의 연구와 공정 혁신에 힘을 쏟고 있는 서울대 전략 구조소재 신공정 설계 연구센터(이하 구조소재 연구센터) 역시 그중 한 곳입니다.

초미세부터 초대형까지

“구조소재는 이름처럼 사물의 틀(structure)을 갖추는 소재를 말합니다. 나노 단위의 미세한 소자부터 선박, 항공기, 초대형 건축물에 이르기까지 힘을 지탱하고 유지하는 재료 전체를 통칭하지요.
반도체·정보통신·조선·철강·석유화학 등 10대 주요 산업 전반의 경쟁력과 신뢰성을 좌우하는 핵심요소이자 국방, 안전, 극한환경에 이르기까지 국가사회 유지의 중요한 골격이 되기 때문에 연구개발에 있어서도 장기적이고 전략적인 접근이 필요한 영역입니다.”

한흥남 센터장, 서울대 재료공학부 교수

구조소재가 제조업 전반에 미치는 영향은 한흥남 센터장이 제시하는 수치 속에서도 확인할 수 있습니다. UN공업개발기구(UNIDO)가 매년 발표하고 있는 세계 제조업 지수에서 한국은 전통적인 소재·부품·장비 강국 독일과 일본, G2국가인 중국과 미국에 이어 7년째 5위 자리를 지키고 있습니다. 결코 낮은 순위가 아니지만 경쟁이 치열한 국제무대에서 정체는 곧 추락을 의미합니다. 지난 2015년 한국연구재단 선도연구센터(ERC)에 선정된 구조소재 연구센터가 전략적인 구조소재 개발과 신공정 설계 시스템 구축, 그리고 차세대 전문 인재 양성에 주력하고 있는 것도 제조업 혁신의 돌파구를 마련하기 위해서입니다.

이들은 크게 3가지 분야의 연구를 진행하고 있습니다. 먼저 서울대 권동일·김미영 교수와 한양대 장재일 교수 등이 참여하고 있는 1그룹(책임자 김주영 UNIST 교수)은 구조소재의 신뢰성을 평가하고 진단하는 기술 개발을 맡고 있습니다. 복합적인 환경 속에서 사용되는 구조소재의 신뢰성과 물성 평가는 안전이 최우선인 대형 구조물은 물론, 점점 더 작고 정교해지는 전자기기에서도 내구성과 안정성을 보증하는 중요한 요소입니다.

선도연구센터지원사업(ERC) 구조소재 연구센터 워크샵

무엇을, 어떻게, 얼마나

서울대 유웅열·정인호 교수와 KAIST 류호진 교수 등이 포진하고 있는 2그룹(책임자 이혁모 KAIST 교수)은 여러 가지 특성의 구조용 신소재 개발에 필요한 최적의 설계 기술을 찾고 있습니다. 이들은 특히 최근 본격적으로 대두되고 있는 데이터와 인공지능 기반의 물성 탐색 및 예측, 설계의 새로운 소재개발 패러다임을 통해 물성의 한계를 극복하는 한편, 소재 개발에 소요되는 시간과 비용을 획기적으로 줄이려는 연구가 한창입니다.

성과와 연구계획 공유를 위해 모인 구조재료 연구센터 연구진

한흥남 센터장이 책임을 맡고 있는 3그룹(서울대 황농문·홍성현·최인석 교수, 울산대 홍성태 교수)은 구조소재가 실제 산업용 부품과 장비 등으로 상용화되기 위해 거쳐야 하는 공정 기술의 혁신을 담당합니다. 소재의 양산은 대부분 거대 설비와 막대한 자본을 필요로 합니다. 제대로 된 R&D라면 작은 규모의 실험실 단위를 넘어 본격적인 양산 단계에서도 품질과 신뢰성, 수익성을 동시에 담보할 수 있는 고도의 공정기술까지 종합적이고 전주기적인 전략을 마련하는 것이 필수입니다. 소재 개발이 ‘무엇을’의 단계라면 공정은 ‘어떻게’와 ‘얼마나’에 해당한다고 할 수 있는데요. 이들은 현재 통전소성(Electroplasticity)과 전하유도결정화 같은 전류와 전하의 독특한 효과를 이용하는 하이브리드 공정의 완성에 박차를 가하고 있습니다.

구조재료 연구센터의 국제네트워크

선도연구센터는 우수 연구자들의 결집을 통해 세계적 수준의 연구 집단을 육성하기 위한 지원 사업입니다. 구조소재 연구센터는 이런 범국가적 목표에 걸맞게 국내의 내로라하는 구조소재 전문가들의 집단연구 속에 지난 5년 간 금속·재료 분야의 큰 영예인 ASM Henry Marion Howe 메달을 수상하는 등 우수한 학술활동뿐만 아니라 지식재산권 확보, 산학협력, 국제협력, 차세대 인력양성까지, 평가의 지표가 될 수 있는 영역 모두에 걸쳐 고르게 굵직굵직한 성과들을 양산해내고 있습니다.

선도연구센터의 깃발 아래

ISMEF 2018

한흥남 센터장은 여러 성과들 가운데서도 특히 미국·중국·영국 등으로 수출한 ‘국제 표준화 기술’과 구조재료 연구센터의 독보적 기술(Thermodynamic data-driven analysis, Kinetic Process data driven model)을 중심으로 뭉치고 있는 철강 및 세라믹 분야의 국제연구 컨소시엄, 국내 주요 제조기업들과의 협동연구를 통해 첨단 신소재인 고강도·고경량 콤프스틸(스틸과 탄소섬유 등의 복합재료) 등을 개발하고 있는 다양한 형태의 ‘스핀오프형 산학과제’들을 특히 자랑스러워합니다. 구조재료 연구센터가 자립을 넘어 세계 소재산업계에 큰 영향을 미치고 있는 듀폰, 바스프(BASF) 같은 100년 기업들처럼 ‘100년 연구센터’로 존속할 수 있는 중요한 기반이 되기 때문입니다.

“미국의 1호 ERC인 오하이오주립대 금속가공연구센터가 스핀오프 프로젝트들을 기반으로 1980년대부터 지금까지 계속 왕성하게 활동하는 것에서 우리 구조재료 연구센터의 미래를 떠올리게 됩니다. 지난 5년간 ERC 사업을 통해 이뤄낸 유무형의 자산과 네트워크들을 잘 계승, 발전시킨다면 우리 구조재료 연구센터 역시 사람이 아닌 조직의 힘으로 우리나라를 대표하는 범국가적 선도연구센터로 지속될 수 있으리라 믿고 있습니다. 다만 한 가지 중요한 점은 예산의 많고 적음과 상관없이 ‘선도연구센터’의 기치를 계속 내걸 수 있어야 한다는 것입니다. 국가의 인정은 튼튼한 학문적 기초와 창의성을 고루 갖춘 인재들에게 대체할 수 없는 자부심이자 보람이기 때문입니다.”

구조재료 연구센터는 그간의 성과와 독창적인 미래 비전에 힘입어 올해 초 ERC 후속연구에 선정됐습니다. 이에 따라 향후 3년 간 국내 구조재료 산업의 도약과 제조업 전반의 기술자립을 위한 ‘전략 구조소재 제조·설계 통합 플랫폼’ 구축에 나서게 됩니다. 한편 한국연구재단은 창의성과 탁월성을 보유한 우수 연구집단 발굴과 세계적 수준의 경쟁력을 갖춘 핵심연구 분야 육성, 집단연구를 통한 차세대 인재 양성과 젊은 과학자들을 위한 양질의 일자리 제공을 위해 공학(ERC)·이학(SRC)·기초의과학(MRC)·융합(CRC)·지역특화(RLRC) 등 5개 분야에 걸쳐 선도연구센터를 선정·지원하고 있습니다.

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