신소재공학

석기 → 청동기 → 철기... 이 같은 말은 시대를 분류하는 기준들입니다. 따라서, 신소재의 종류는 시대에 따라 바뀌며, 정의를 내리자면 그 시대에 존재하는 최첨단 소재입니다. 인류의 역사는 그 시대에 어떤 재료를 주로 썼는가에 따라 그 시대가 역동적으로 바뀌고 때론 뒤처진 재료를 쓰던 국가는 패망의 길을 걷기도 했습니다. 현세대의 신소재는 매우 복잡 다양하여 석기, 청동기, 철기 등의 단순 구별은 가능하지 않습니다.

신소재공학은 역사적으로 가장 오래된 공학학문이자 현대첨단 공학의 선봉에 서있는 학문입니다. 왜냐하면, 신소재공학은 우리 생활 속에 필요한 모든 물건의 기본재료를 만드는 것을 연구하는 학문이기 때문입니다. 여러분 학교의 책상, 가정의 TV, 핸드폰, 자동차에 이르기까지 각각의 사물은 나무, 플라스틱, 반도체, 철 등 사용 목적에 맞는 재료들로 이루어져 있습니다. 생물체를 포함한 지구상의 모든 물질은 무엇으로 구성되어 있나요? 여러분도 아시다시피 바로 원자들로 구성되어 있습니다. 우리는 이들 원자들을 조성 및 배열을 바꾸어 신소재를 개발합니다.

신소재는 특성에 따라 금속, 세라믹, 유기재료 등으로 나뉩니다. 이와 같이 신소재공학에서는 우리가 일상생활에 쓰는 재료를 특성에 따라 분류하고, 그 특성의 원인을 원자, 분자크기인 미세단위부터 재료의 구조, 크기, 두께 등의 거시단위까지 규명합니다. 그리고 그 각각의 재료의 특성들을 어디에 쓸지 고민하며, 적절한 곳에 사용할 수 있도록 재료의 특성 중 장점은 더 좋게 단점은 보완하도록 디자인합니다. 예를 들면 금속재료는 강도가 세고 연성과 전성이 있으며 열 및 전기전도도가 좋기 때문에 강도와 연성·전성의 특성을 이용해 집을 짓는 철근을 만들고, 열 및 전기전도도가 좋기 때문에 집안의 냄비나, 전선을 만들 때 쓰이고 있습니다. 세라믹 재료는 주로 딱딱하고 반도체적인 성향을 많이 띄기 때문에 도자기나 유리, 사포, 디스플레이, CPU 등에 쓰일 것이고, 유기재료는 빛을 잘 투과하고 물이나 산에 부식이 잘되지 않기 때문에 플라스틱 병, 나일론, 태양전지패널 등에 쓰이거나, 바이오재료로 사용됩니다. 신소재공학에서는 위와 같은 세 물질을 물리·화학적 방법을 이용해 합금의 형태로 섞기도 하고 증착이나 접합의 방식으로 붙이기도 하고, 구조를 바꾸거나 재료 내의 원자를 재배열해서, 기존 재료의 성능을 향상시킨 재료나 전혀 새로운 특성의 신재료를 만들어내기도 합니다.

2010년과 2014년에 각각 노벨 물리학상의 주제였던 그래핀과 LED, 2011년과 2016년 각각 노벨 화학상의 주제인 준결정과 molecular machine 등은 모두 차세대 신소재로 각광 받는 물질들입니다. 이와 같이 해마다 노벨상의 테마로 신소재가 떠오르는 이유는 그만큼 최첨단의 현시대가 새로운 신소재의 필요성을 갈망하고 있다는 증거입니다. 신소재공학은 NT, BT, IT 등 최첨단의 선봉에서 시대를 바꾸는 주역들을 키우는 학문 분야라고 할 수 있습니다.