연구재단

2월호

생생 연구현장 ●

과학이 발견한 원석을
더 가치 있는 보석으로

한국연구재단 선도연구센터지원사업 공학분야(ERC)

경희대학교 결정기능화 공정기술센터

원자와 분자가 규칙적으로 배열되어 있는 구조를 가진 고체 물질을 결정(Crystal)이라고 합니다.
소금과 설탕 같은 친숙한 화합물부터 혁신적인 신소재로 주목받는 그래핀과 페로브스카이트, 나노 단위의 물질 등이 모두 마찬가지입니다.
이들이 정밀화학과 의약, 반도체와 에너지에 이르는 산업 전반에서 기대만큼 큰 변화를 불러일으키기 위해서는 아직 넘어야 할 관문이 남아 있습니다.
소량만으로도 충분한 과학적 발견을 넘어 대량 생산이 가능한 실용적 기술로 발전해야 한다는 것입니다.
‘경희대 결정기능화 공정기술센터’가 찾고 있는 기술이 바로 이러한 이용후생(利用厚生)의 연결고리입니다.

실험실과 산업현장 잇는 다리 역할

“실험을 통해 새로운 소재의 여러 가지 기능성을 확인하는 작업은 아주 적은 미량만으로도 가능합니다. 그러나 이런 발견들이 일상적인 생활과 접목되기 위해서는 냉철한 공학적 접근이 필요합니다. 실로 다양하기 그지없는 신소재 후보군들 중에서 정말 쓸모 있는 것을 골라내고 이를 양산할 수 있는 공정기술이 개발되어야 합니다.”(김우식 센터장)

현재 정밀화학과 의약 제품은 80% 이상, 차세대 에너지원인 태양전지의 전극과 광활성층 등은 90% 이상이 결정소재로 이뤄져 있습니다. 한국의 주력산업인 디스플레이의 전극과 소자, LED 등의 핵심부품도 결정소재입니다. 첨단의학바이오 분야에서는 효과적인 약물전달을 위해 나노 수준의 물질 한창입니다.

김우식 센터장은 “이런 결정소재는 미래 신산업에서 가장 많이 활용될 것으로 기대되는 기반소재”라며 “모든 결정소재에 잠재된 새로운 기능성을 실용화 과정에서 충분히 발굴 발현하느냐가 관건”이라며 설명합니다. 이런 기능성은 결정체의 크기와 형상, 구조가 얼마나 적합하게 구현되느냐에 따라 결정됩니다. 결정기능화 공정기술센터는 이러한 세 가지 요소를 제어해 결정소재에 기능성을 부여하는 기술을 개발 중입니다.

“결정소재의 영향력은 이제 산업 전 분야에 걸쳐 있다고 해도 과언이 아닙니다. 이에 따라 케임브리지대학과 MIT, 화이자와 노바티스 같은 세계 유수의 연구기관과 글로벌 기업들이 결정소재 기능화를 위한 공정기술 개발을 공동으로 연구하고 있습니다. 하지만 높아지는 중요성에 비해 우리나라에서는 결정기능화에 대한 연구가 잘 알려지지 않았지요.”

흑연과 다이아몬드의 갈림길…결정구조

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사실 결정학(crystallography)이란 학문은 역사가 깊습니다. 유네스코는 결정학이 노벨상을 수상한 지 100년이 되던 해인 지난 2014년을 ‘세계 결정학의 해’로 정해 세계 각지에서 다양한 학술행사를 펼치기도 했는데요. 결정학은 오랜 시간 물질의 구조를 규명하는 데 기여하며 다양한 과학과 산업의 발전을 이끌어 왔습니다.

같은 탄소 물질이어도 서로 다른 결정 구조 때문에 값싼 흑연이 되거나 고가의 다이아몬드로 운명이 갈린다는 사실도 결정학 덕분에 널리 알려지게 되었습니다. 콜레스테롤, 인슐린 같은 생분자는 물론이고 DNA의 이중나선 구조 등 과학계를 놀라게 한 많은 실험들이 결정학에 힘입은 바가 큽니다.

▲ 다양한 형태로 개발되고 있는 결정화 장비

▲ 결정화 장비

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2010년 노벨상을 받은 그래핀 발견도 마찬가지입니다. 그래핀은 탄소 육각 구조가 평면으로 펼쳐진 나노 막 형태로 전자의 이동속도가 빠르고 물리화학적 안정성이 높아 꿈의 신소재라는 평을 받고 있습니다. 원자 수준의 두께를 지녀 빛의 투과성이 높고 잘 구부러지는 성질을 지니고 있어 플렉서블 디스플레이 등 다양한 미래 산업에서 기존의 전극물질을 대체할 것으로 기대를 모으고 있습니다.

1839년 러시아의 우랄산맥에서 처음 발견된 페로브스카이트(perovskite)도 여러 가지 특별한 성질들로 최근 각광을 받고 있는 신소재입니다. 세 종류의 원자들이 이루는 특이한 결정 구조 때문에 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이면서 특히 태양전지 등 광발전 분야에서 큰 주목을 받고 있지요.

다만 더욱 중요한 것은 이런 신소재들이 과연 실용화가 가능한가의 문제입니다. 아무리 특별한 소재라도 너무 비싸거나 만들기 어려워 실제 생활과 산업현장에서 사용할 수 없다면 무용지물일 수밖에 없습니다. 김 센터장은 “과학이 모르는 것을 찾아가는 과정이라면 공학은 과학이 찾아낸 원리를 실제로 구현하는 과정”이라고 표현하고 있습니다.

21세기의 실학자를 꿈꾸다

▲ 경희대학교 결정기능화 공정기술센터

“결정기능화 공정기술센터가 찾고 있는 과정이 바로 실용화의 길입니다. 결정소재의 외형뿐만 아니라 더 깊숙이 들어가 결정소재 분자들이 결정화 되는 과정에서 어떤 원리로 결합하는지를 파악해 원하는 기능에 맞춰 결정소재들을 만드는 것을 목표로 하고 있습니다. 원자들이 분자인식을 통해 자기조립에 이르는 과정을 직접 제어해 인류가 필요로 하는 신소재를 대량으로 제조할 수 있는 길을 열고자 하는 것이지요.”

결정기능화 공정기술센터가 2014년 대표적인 국책연구사업인 한국연구재단 공학 분야 선도연구센터(ERC)로 지정된 것은 해외 선진국들에 비해 미진했던 우리나라의 결정소재 기능화 연구에 중요한 전환점이 되었습니다. 25년 넘게 한우물을 파온 김 센터장을 비롯해 경희대, 고려대, 인하대, 아주대, 중앙대, KAIST, UNIST 등 국내 주요대학 13명의 공학자들에게 날개를 달아주는 계기도 되었지요.

자리에 함께한 박범준·유태경·김진수 교수 등은 현재 후보 물질의 특성과 기능화를 연구하는 설계팀과 양산이 가능한 공정기술을 개발하는 공정팀으로 나뉘어 신소재 실용화의 길을 모색하고 있는데요. 21세기 실학자의 길을 걷고 있는 이들 연구진은 입을 모아 “새로운 과학적 현상을 현실화하는 과정이 가장 큰 기쁨이자 고충”이라고 말합니다. 남들이 쉽사리 가지 않았던 길을 선택한 사람들인 만큼 다양한 연배에도 불구하고 격의 없는 동료애가 인상적이었는데요.

이들은 특히 ‘규칙적 유동’을 활용한 결정화기(Crystallizer) 개발에 박차를 가하고 있습니다. 이는 유체의 흐름을 균일하고 규칙적으로 흐르게 만들어 결정합성 반응에서 결정의 모양과 크기, 구조를 효율적으로 제어할 수 있는 반응기인데요. 이를 통해 첨단 신물질의 산업화 연결고리를 찾는다는 게 연구진의 복안입니다.

▲ 경희대학교 결정기능화 공정기술센터

미약했던 시작과 달리 센터는 현재 100여 명의 전문인력을 양성하고 있는 대한민국 결정기능화 공정기술 연구의 본산으로 성장하고 있습니다. 김우식 센터장은 “아직 선진국을 따라가기에는 걸음마를 뗀 아이 수준”이라면서도 “천리길도 한 걸음부터라는 말처럼 우리나라의 미래 신소재 산업을 이끄는 공정기술 연구의 구심점이 되겠다”라는 포부를 밝혔습니다.

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