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영화 ‘탑건2’의 오프닝에서 가장 인상 깊은 장면 중 하나가 마하 10이라는 속도에 도전하는 톰 크루즈의 모습이다. 한계 속도를 넘고 또 넘어 마하 10에 도달하자 기체가 사정없이 흔들린다. 마하 9까지 큰 문제가 없었지만 10에 도달하자마자 기체에 불길이 휩싸이기 시작한다.빠른 속도로 기체 내외부의 열이 오르며 시험 기체는 추락하고 만다. 1초에 3.4km를 날아 오르는 엄청난 속도에 마찰열이 높아지며 소재 자체가 녹아내린 것이다. 이렇듯 항공우주 산업이 발달하기 위해서는 고온을 견딜 수 있는 복합소재를 개발해야 한다. 발전 소재 역시 더 뜨거운 온도를 견딜 수 있는 소재로 터빈을 만들면 고열에서 동작시킬 수 있어 열효율이 높아진다.

고온을 견딜 수 있는 소재를 만드려면 고도의 합금기술이 필요하다. 단일 소재로 사용할 때 보다 여러 금속을 섞어 합금으로 만들 때 강도도 높아지고 높은 열에도 견디게 된다. 이런 합금들은 수입에 의존하고 있다. 한국생산기술연구원 김휘준 박사는 수천℃의 고온에도 강도를 유지하고 변형되지 않는 금속복합소재를 개발 중이다.

-오늘 한국생산기술연구원의 김휘준 박사님 모셨습니다. 박사님 안녕하십니까?

“안녕하십니까.”

-저희가 릴레이로 인터뷰하고 있습니다. 과기정통부가 추진하는 나노 및 소재 기술개발 사업의 주요 과제 책임자분들을 모시고 어떤 과제를 하고 있는지, 그리고 그 과제를 할 때 어떤 어려움이 있는지, 그리고 그게 성공했을 때 세상이 어떻게 바뀌는지에 대해서 집중적으로 들어보는 시간입니다. 박사님 RFP를 제가 좀 읽어봤는데요.  과제 이름은 초고온 극한환경용 고강도 고인성 금속복합소재 개발이라고 돼 있는데 이 소재가 왜 개발돼야 하는 겁니까?

 

“말씀하신 것처럼 그 용어가 우리가 실제로 일상에서 쓰는 용어들하고는 좀 거리가 멀죠. 반복적으로 사용되는 용어가 아니기 때문에 낯설게 들리는 건 당연할 겁니다. 우리는 상온에서 살고 있기 때문에 보통 25°C고, 여름에 더워서 34°C쯤 되면 숨이 턱 막히죠. 요즘 이례적으로 유럽에서는 40°C면 굉장히 힘들고, 화상을 입은 사람도 있고, 산불도 나고요. 최근에 독일 남부 지방에 있던 주민이 40°C가 넘어서 너무 힘들다고 30°C만 돼도 정말 좋겠다고 이렇게 말씀하더라고요. 그러니까 우리가 사실 온도에 굉장히 민감한데 고온이라고 하면 우리가 상온보다 높은 온도들이고요. 그거보다 더 높은 온도에서 사용되는 재료들이 주로 우리가 아는 전기를 만드는 발전 설비를 화력 발전이나 가스터빈, 그다음에 우리가 타고 다니는 비행기의 터빈들, 그다음에 최근에 미사일이라든지 우리가 우주선 이런 쪽에 극한 속도, 그러니까 예를 들어서 우리가 소리의 속도를 마하라고 하는데 마하를 넘어가는 극한 속도를 내려면 엄청난 추진력을 얻어야 하고 그럴 때 추진체가 터빈 안에서 내는 온도 환경이 보통 1300°C에서 1600°C 됩니다. 그 환경에서 견뎌내야 하니까 극한환경이죠. 그래서 고온도 아니고, 초고온이 되는 겁니다. 저희가 개발하려고 하는 소재가 1300°C에서 견딜 수 있는 온도고, 실제로 그 온도가 견딜 때 그 환경은 1600°C가 됩니다. 그래서 이것들이 어디에 쓰이냐면 우주발사체에도 들어가고요. 요즘은 미사일이 국방 쪽에서 기존에 마하 3, 이 정도가 굉장히 높은 속도였는데 지금은 마하 5 이상을 극초음속 추진체라고 합니다. 그래서 우리가 레이저로 발견하더라도 그거를 격추할 수 있다는 게 힘들고요. 그리고 최근에 제가 탑건을 가족들과 봤는데 처음에 톰크루즈가 타고 비행기를 부숴버렸던 게 마하 10입니다. 그러니까 마하 1이라는 게 잘 아시는 거와 같이 상온에서 1초에 340m를 가는 속도잖아요. 그런데 어떤 물체들은 속도가 1초에 340m를 가면 마하 1이라고 합니다. 마하 10이라고 하면 1초에 3400m를 가니까 1초에 3.4k를 가는 거죠. 그 비행체의 속도를 마하 10까지 내기 위해서 그 추진체의 온도는 1600°C, 1800°C 이렇게 극한 온도까지 가고, 그거를 견딜 수 있는 소재가 돼야만 그런 추진체를 만들 수 있죠. 그래서 우리나라가 최근에 항공우주 쪽에서 굉장히 많은 투자가 되고 있고, 그런 소재들이 아직은 전량 다 외국에 의존하고 있습니다. 그래서 지금 우리가 발전 소재도 사실은 화력 발전이 550°C에서 발전되고 있는데 이게 만약에 100°C만 올라가게 되면 효율이 2%씩 올라가게 됩니다. 그래서 만약에 우리가 석탄이나 화력 발전이나 그리고 향후 수소 가스터빈까지 해서 전력을 만들려고 하는데 그럴 때 온도들이 1000°C 이상 견뎌야 하는 소재들이 반드시 필요하게 되고요. 이번에 우리 연구재단에서 선정된 연구실 이름이 미래기술연구실 중 10개 중 1가 우리 연구팀이 선정됐는데 그래서 미래에 사용될 소재들인데 정리해드리면 항공기라든지, 그다음에 발전이라든지, 그다음에 국방 쪽에서의 극초음속 추진체라든지, 그다음에 앞으로 우리가 항공우주 시대를 갔을 때 우주선에 들어가는 그런 고온에서 사용되는 금속기 복합소재라고 할 수 있겠습니다.”

-1300°C 이상의 온도에서 견디는 소재는 어떤 소재가 있습니까? 섞어야 합니까?

“복합소재라는 건 합금해야 하죠. 우리도 사실은 순수혈통은 굉장히 약하죠. 치명적인 병에 걸려서 종족이 오랫동안 유지될 수 없듯이 소재도 서로 섞이면 굉장히 강해집니다. 그걸 우리가 합금이라 하고, alloy라고 하죠. 그래서 사실 순수한 소재들은 각각의 융점을 갖고 있습니다. 예를 들어서 우리가 잘하고 있는 알루미늄 같은 경우는 660°C.”

-660°C 이상 되면 휘어집니까?

“녹아버립니다. 실제로는 지금 사회자분께서 잘 말씀해주셨는데 녹을 때까지는 못 씁니다. 그러니까 알루미늄은 보통 우리가 사용할 때는 고유 소재의 멜팅 포인트. 그러니까 융점의 2분의 1 이하에서 사용됩니다. 그러니까 알루미늄 같은 경우는 300°C 이하에서 사용하는 게 제일 좋죠. 근데 그거를 알루미늄이 가볍고 강도를 높이면서 고온에서 쓰기 위해서는 고온 알루미늄 합금을 만들어야 합니다. 그럴 때 여러 가지 합금을 잘 조합하게 되면 보통 660°C니까 330°C 이하에서 써야 하는데 이것들을 400°C에서 쓸 수 있고, 450°C에서도 쓸 수 있는 거죠. 니켈 같은 경우가 니켈 슈퍼알로이라고 합니다. 니켈 슈퍼알로이 같은 경우는 1000°C까지 사용할 수 있고요. 여기에다가 중국에서 많이 나는 희토류 금속. 많이 비싸죠. 레늄이나 루테늄 같은 걸 넣게 되면 사실 1100°C까지 사용할 수 있고, 지금 고효율 터빈 블레이드에서 사용하는 것들이 루테늄이나 레늄 같은 비싼 합금을 니켈에다가 넣어서 하는 슈퍼알로이고요. 이것들을 만들 때도 싱글 크리스탈을 만들어서 사용하게 됩니다. 굉장히 비싸게 되죠. 그래도 한계가 1100°C밖에 안 되고, 아직 1300°C에서 안정적으로 사용할 수 있는 소재는 개발돼 있지 않습니다.”

-아까 탑건에서 마하 10까지 가는 그건 상상 속의.

“그거는 약간 과장되긴 했지만, 그런 추진체들 미사일 같은 경우는 사실 발사했을 때 5분에서 10분 안에 미션이 끝나는 거거든요. 하지만 항공기는 그렇지 않죠. 몇천 시간 타야 하니까 아직은 영화나 만화 이런 것들이 미래에 가야 할 인간의 상상력을 우리에게 보여주면서 우리가 결국은 시간이 지나면 거기에 도달할 수 있도록 우리를 이끌어주는 역할을 한다고 보면 될 거 같고요. 기존에는 어떻게 했냐면 고온에서 쓰게 될 때 금속기 복합소재 밖에다가 세라믹 코팅을 하게 됩니다. 세라믹은 뭐냐면 금속에 산화물이 붙은 거기 때문에 예를 들어서 지르코니아 같은 경우는 멜팅 포인트가 2400°C 이상 되고, 그러니까 견디게 되죠. 근데 문제는 뭐냐면 금속과 세라믹은 열팽창계수가 다릅니다. 다시 말하면 1°C마다 온도를 높이면 얘네들이 늘어나는데 금속은 많이 늘어나고, 세라믹은 천천히 늘어나니까 이것들이 1000°C가 넘어가면 금속은 많이 늘어나고, 세라믹은 조금만 늘어나기 때문에 이것들이 늘어나는 정도가 다르니까 크랙이 생기는 거죠. 그래서 오래 못 쓰게 됩니다. 그러니까 매번 일정 주기 안으로 계속 코팅을 벗겨내고 다시 코팅하게 되니까 비용도 너무 높아지고. 한 번 재료를 만들었을 때 사용할 수 있는 시간이 짧아지니까 성능을 계속 오랫동안 구현하기 어렵게 되죠. 가장 바람직한 건 금속은 그래도 같은 식구들이니까 합금을 잘하게 돼서 이것들이 만약에 1300°C까지 견딜 수 있다고 한다면 오랫동안 성능을 발휘할 수 있으니까 특히 우리가 우주선을 날아간다고 한다면 며칠, 몇 달을 날아가야 하잖아요. 우리가 우주로 날아가게 되면. 그럴 때까지 또 완전히 돌아볼 때까지 안전하게 이것들이 성능을 발휘하려면 복합소재인데 같은 가족들끼리 복합소재를 만드는 거죠. 그럼 금속들끼리 복합소재를 만드는 거. 그래서 저희 꿈이 친한 금속끼리 복합재료를 만들어서 고온에 가더라도 열팽창이나 이런 거 때문에 서로 크랙이 생기지 않도록 그렇게 하는 게 저희의 계획 중 하나입니다.”

-코팅은 그럼 방법이 아니라는 말씀이십니까?

“지금까지는 방법이 없으니까 TBC 코팅이라고 해서 Thermal barrier coating을 했죠. 그러니까 열 차단 코팅을 했는데 그거는 장시간 사용할 수 없어서 어쩔 수 없이 사용하고 있습니다.”

-그러면 아까 1100°C 말씀하셨잖아요. 우리가 금속소재 연구하시는 과학자분들 중 논문이나 이런 거에 1100°C 이상 올라가는 물질에 대한 연구나 이런 거는 기존에 없었습니까?

“기초 연구들은 많이 되고 있죠. 그리고 사실은 우리가 금속 중에서도 고온에서 견디는 소재들. 그러니까 융점이 계속 높은 소재들이죠. 이것들은 내열금속소재라고 하고, 영어로는 내화 금속 Refractory Metal이라고 합니다. 그런 금속 중 하나가 나이오븀이나 몰리브데넘이나 여러분이 잘 들어봤던 텅스텐이나 탄탈륨이나 하프늄이나 이트륨이나 이런 것들이 있습니다. 근데 이런 것들 자체도 고온에서 견디는 소재들이 순수하게 나이오븀, 몰리브데넘, 그다음엔 탄탈륨, 텅스텐 이런 것들은 굉장히 산소하고 결합력이 강해서 산화가 빨리 돼서 특성을 잃어버리게 됩니다. 그래서 이것들이 순수한 금속보다는 합금하게 되면 산소하고의 친화력이 낮아지기 때문에 고온에서도 산화돼서 특성이 열화되는 것들을 막아줄 수 있죠. 그래서 우리가 친한 사람들이 자꾸 모이면 힘이 강해지듯이 금속들도 친한 금속들끼리 자꾸 모이면 외부 환경에 건장해지고, 장시간 안정적으로 사용할 수 있게 됩니다.”

-친한 금속이라는 거는 어떤 걸 얘기하는 겁니까? 아까 열팽창계수 이런 거 비슷한 금속들을.

“맞습니다. 이런 것들이 있죠. 우리가 합금이라고 하면 이렇게 말씀드릴 수 있습니다. 그러니까 우리가 물에다가 설탕이나 소금을 넣죠. 그러면 어느 정도까지는 녹지 않습니다. 이걸 용해도라고 하는 겁니다. 금속도 비슷합니다. 예를 들어서 우리가 철합금이라 그러면 철에다가 예를 들어서 합금 원소로 많이 넣는 것 중 하나가 스테인리스 같은 경우 니켈이나 크롬을 넣게 됩니다. 그러면 고체 상태에서는 안 섞이죠. 그래서 일단은 쇠를 끓여서 액체 상태로 만든 다음에 크롬을 넣게 되면 어느 정도 용해되다 그 이상은 안 녹습니다. 온도를 더 높여도. 그래서 각각의 금속들이 녹는 정도가 철 안에서 각 원소가 녹는 정도가 있고. 그러니까 각 용해도가 다르다는 거죠. 우리가 앞으로 개발할 나이오븀이라면 나이오븀이 액체 상태일 때, 거기다 합금원소를 넣었을 때 녹을 수 있는 합금의 양들이 각각 정해져 있죠. 그다음에 그것들이 둘만 있을 때하고, 3개, 4개, 5개가 섞였을 때 서로 경쟁하기 때문에 그것들이 서로 또 달라지게 됩니다. 그래서 그것들을 옛날에는 시험해서 시행착오 했었는데 요즘은 열역학 프로그램이라든지 속도론적 프로그램이나 그다음에 최근에는 인공지능이나 이런 것들이 있어서 전산과학으로 예측 가능하고요. 예측한 게 항상 다 맞진 않으니까 저희가 실험으로 검증해서 그걸 계속 보증해나가다 보면 최적 모델을 찾을 수 있습니다.”

-그러면 지금 연구 방향은 좀 섰습니까?

“그게 안 됐으면 저희가 선정이 안 됐을 겁니다.”

-뭐에 뭐를 섞는 겁니까?

“전체를 말씀드리고 합금 설계 부분을 말씀드릴게요. 저희가 터빈 블레이드를 만든다. 예를 들어서 미사일에 들어가는 마하 6 이상의 극초음속 추진체 미사일을 만들 때 거기에 들어가는 엔진에 터빈 블레이드에 들어가는 금속소재가 있는데 1300°C까지 견뎌야 하고, 예를 들어서 1300°C에서 180메가파스칼(MPa) 이상의 강도를 가져야 한다. 이런 목표 위치를 설정하게 되면 사회자분께서 말씀하신 것처럼 먼저 거기에 적합한 합금 설계를 해야 합니다. 합금 설계를 한 다음에 액체 상태로 만들어야 합니다. 사실은 그게 틀이 워낙 고온이니까 견딜 수 있는 게 별로 없습니다. 그래서 저희가 최근 개발하는 건 뭐냐면 그거를 액체 상태에서 물줄기를 만든 다음에 고압가스로 충돌시키면 미세한 밀가루 같은 분말이 만들어집니다. 금속 분말이 만들어지는 거죠. 그러면 그 금속 분말을 3D 프린팅으로 터빈 블레이드를 만들게 되는 거죠. 그래서 우리가 원하는 터빈 블레이드를 만들었는데 만드는 과정에서 결함이 생길 수 있습니다. 가장 많은 것들이 미세 기공들이죠. 그럼 이 기공들이 있으면 원하는 강도나 원하는 고온에서의 특성들이 안 나오게 됩니다. 그러면 그 기공을 없애는 후처리 공정을 가야 합니다. 그래서 고밀도화 공정을 하게 되면 비로소 우리가 원하는 특성을 갖는 삼차원 현상을 갖는 터빈 블레이드가 만들어지게 되는 겁니다. 그러면 전체 공정이 그렇고요. 아까 사회자분께서 말씀하신 가장 중요한 게 사실은 합금 설계죠. 합금 설계할 때 실제로 기존에 2500°C까지 견디는 합금 자체의 특성들은 많이 연구됐습니다. 뭘 섞냐면 가장 친한 게 나이오븀의 실리콘을 섞습니다. 실리콘은 금속이 아니라 반도체 재료지만, 여기에 실리콘이 금속하고 섞이면 실리사이드라는 인터매탈릭 컴파운드(Intermetalic Compound)를 만듭니다. 금속간 화합물을 만드는데 이게 고온 특성을 갖고 있고요. 그다음에 이게 고온에서도 산소하고의 반응을 차단해주는 역할을 하게 돼서 그렇게 넣고, 그다음에 이것만 넣으면 특성이 안 나오기 때문에 거기에 몰리브데넘이라든지 탄탈륨이라든지 타이타늄이라든지 이런 합금원소들을 작게는 5개, 크게는 10가지 원소들을 넣어서 이것들을 조합해주게 됩니다. 한 번 사회자분께서 생각해보세요. 나이오븀이 1부터 100까지 넣을 수 있잖아요. 그러면 거기 실리콘이 들어가면 분율이 서로 조정돼요. 왜냐면 토탈 100이 돼야 하니까. 그렇게 했을 때 처음에 주인이 되는 나이오븀을 우리는 기지라고 하죠. 그다음에 두 번째 많이 들어가고 영향력을 많이 미치는 거는 secondary element라고 합니다. 다음부터는 합금원소들이 되는데 두 번째, 세 번째부터는 양이 조금씩 들어가게 되는 겁니다. 그래서 최적하게 되고요. 사용하는 환경에 따라서 어떤 것들은 양이 더 늘어날 수도 있고, 줄어들 수도 있고, 어떤 새로운 게 들어갈 수도 있고, 이 중에서 그 환경에 적합하지 않은 건 빠질 수도 있습니다. 옛날엔 이런 시행착오를 거쳐서 했는데 지금은 전산과학으로 열역학적으로 예측도 가능하고요. 속도론적으로도 가능하고, 그래서 기존에 모델을 사용해서 하는데 기존 모델이라는 게 실험 데이터가 있어야 가능하잖아요. 매칭이 돼야 하니까. 그래서 최근에는 우리가 머신러닝이나 딥러닝 이런 것들을 통해서 저희가 실험 횟수들을 줄여가서 시행착오를 많이 줄일 수가 있어서 비용이나 시간을 줄일 수가 있습니다.”

-과거에는 어쨌든 다 끓여서 섞어보고서는 확인하고 했는데 지금은.

“그렇게 하다가 우리가 실험 설계법을 하려면 잘 아시겠지만, DOE라고 Design of experiments(실험계획법)라고 해서 그걸 썼었는데 정확도가 높지는 않았는데 최근에 저희 이쪽 신소재 분야에서 인공지능이 도입되면서 합금 설계, 공정 최적합, 특성과의 연계성 이런 빅데이터가 축적되고 있습니다. 저희도 그런 빅데이터를 활용할 계획이 있습니다.”

-과거부터 그런 거에 대한 연구를 쭉 해오셨습니까?

“저희가 고온 재료 쪽에 대한 연구들은 꾸준히 해왔습니다. 근데 상용화된 게 사실은 니켈 베이스 슈퍼알로이였고요. 근데 거기에도 1000°C, 1100°C를 넘어갈 때는 비싼 희토류 금속인 레늄이나 루테늄 같은 걸 꼭 넣어야 했죠. 저희가 하려고 하는 거는 그런 비싼 루테늄이나 레늄 같은 걸 넣지 않고도 저희가 1300°C까지 견딜 수 있는 금속계 복합소재를 개발하는 게 저희 목표입니다.”

-한국에는 그런 소재를 개발할 수 있는 기업이나 연구재단에서 성공한 건 없으니까 지금 이런 과제가 나왔겠죠?

“불행하게 저희 신소재 쪽에서 연구를 계속해보면 어느 분야든 사실 먼저 우리가 하려고 했던 것들은 우리가 산업화하면서 사실은 시스템부터 우리가 만들고, 필요한 부품 소재는 우리가 외국에서 아웃소싱해서 썼죠. 그리고 부품을 우리가 재료를 갖다가 만드는 일까지 해왔고 이제는 우리가 다행히 소재에 관한 관심이 높아졌습니다. 그래서 우리가 시스템을 잘 만드는 일을 기술과 노하우를 축적했고, 거기에 필요한 부품을 만드는 기술을 축적했고, 이제는 우리가 필요한 신소재를 합금 설계에서부터 부품까지 만드는 생산 기술을 우리 나름대로 축적해가고 있어서 이제 가능하죠.”

-그러면 아까 미사일로 예를 들면 마하 5, 6 정도로 날아가는 미사일 정도의 추진체 같은 것들은 예를 들어서 미국이나 이런 쪽에서는 자기 나라 안의 그런 것들을 하는 회사나 이런 것들이 있나 보죠?

“다양하고요. 이게 전력하는 게 문제입니다. 국방 쪽은. 그러니까 우리나라가 최근에 불행하게도 러시아·우크라이나 전쟁으로 인해서 우리가 그걸 기쁘게 생각할 일은 아니지만, 다행히 우리나라에는 우리나라가 자주국방 기체하에 국방 쪽의 재료들, 그다음에 부품들, 시스템들을 꾸준히 개발해왔기 때문에 세계적인 수준이고 최근에는 항공기까지. 우리가 전투기까지 만들 수 있지 않습니까? 그래서 폴란드의 엄청난 양의 수출을 할 수 있는 계약이 앞으로 되고 있고, 작년에도 우리가 엄청나게 국방 쪽에 수출하고 있거든요. 근데 그런 소재들이 전력화돼있습니다. 그래서 우리가 내재화하지 않으면 부품이나 시스템을 만드는 기술이 있다고 하더라도 소재가 우리 자체적으로 내재화돼 있지 않으면 우리가 그것들을 우리 마음껏 만들 수가 없죠. 그래서 그런 소재들은 우리가 꾸준히 연구해왔고요. 이 초내열 소재 같은 경우는 저희가 한화에어로스페이스와 함께하고 있습니다. 저희가 개발에 성공하면 한화에어로스페이스에서 이걸 부품으로 적용해서 저희에게 피드백해주고, 저희가 더 보완하고 이런 쪽으로 시스템을 갖고 있습니다.”

-미국이나 이런 데는 갖고 있어도 딴 데 안 준다는 얘기입니까?

“그럼요. 이번에 우리가 달 탐사선 할 때. 우리가 나로호도 발사한 적이 있잖아요. 근데 이번에 발사 어디에서 합니까? 국내에서 못 하죠. 그 이유가 뭔지 아십니까? 왜냐면 일부 핵심부품들 미국에서 미국 제품을 썼기 때문에 강압적으로 한 게 뭐냐면 자기들의 핵심부품을 쓰게 되면 미국에서는 발사해야 한다는 규정 때문에 미국에서 발사할 수밖에 없는 거죠. 우리가 고부가가치화 갈수록 선진국들의 견제는 굉장히 심해질 거고요. 특히 먹고 사는 게 힘들어질수록 사실 밥그릇 싸움이 치열해지지 않습니까? 그런 것처럼 우리가 고부가가치 시스템이나 부품이나 이런 쪽으로 갈수록 소재에 대한 저희에 대한 배제 이런 것들은 더 심해질 겁니다. 당장 최근에 반도체 산업이 세계적으로 선도적인 역할 할 때 일본에서 핵심부품 소재들 안 주겠다고 하지 않았습니까? 사실 국방 쪽은 더 하죠? 그래서 저희는 신소재를 연구하는 전공자로서 저희 팀 전체뿐만 아니라 우리 대한민국에서 신소재를 연구하는 모든 기술과학자는 다 그런 사명감을 갖고 있습니다.”

-어쨌든 최종 목표가 1300°C 이상의 온도를 수용해야 하고, 그런 고온에서 신뢰성을 유지해야 하고.

“그렇습니다. 소재는 신뢰성이 없으면 의미가 없습니다.”

-그리고 부품화 공정 기술 이거를 나중에 상용화하고 이러려면 공정기술 같은 것도 정립돼야 한다는.

“저희 목표가 사실은 부품까지 만들었을 때 그 특성이 나오는 게 목표입니다. 그래서 그게 양산기술까지는 아직 아닙니다. 그래서 저희가 5년 안에 부품까지 만들어서 목표 성능치가 나오게 되면 그다음 단계로 양산화가 바로 추진될 거고, 대한민국에는 양산화를 준비하고 있는 훌륭한 기업들이 준비되고 있습니다.”

-그 회사가 아까 말씀하신.

“잘 알고 있는 한화에로스페이스는 저희 원천 과제 말고 상용화하는 과제와 저희도 같이하고 있고요. 그쪽에 실제로 부품을 설계하고, 시스템을 설계하시는 분들은 저희 소재가 안정적으로 성능이 나오면 바로 부품을 설계해서 성능을 검증하는 그 시스템을 계속 기간을 기다리지 않고 저희가 성과가 나올 때 바로 연결할 수 있도록 그렇게 체인을 만들어놓고 있습니다.”

-이 과제는 한화하고 같이?

“아닙니다. 이거는 저희가 과제를 추진할 때 저희에게 펀드를 주는 연구기금을 주는 연구기관의 출처가 다른데요. 상용화를 전제할 때는 주로 산업부에서 제공해주고, 이번처럼 미래기술, 기초기술을 할 때는 연구재단에서 주로 저희에게 연구 자금을 지원해주시는데 현재 과제는 미래기술이기 때문에 연구재단에서 지원해주고 있고요. 저희가 한화에어로스페이스하고 있는 거는 산업부에서.”

-별도의 과제인 거군요?

“그거는 1100°C까지 견딜 수 있는 소재들입니다. 근데 그거는 바로 상용화하고 있습니다.”

-그것은 국내에서는 박사님 계시는 한국생산기술연구원 쪽에서만? 또 다른 데도 있습니까?

“저희가 한국생산기술연구원과 그다음에 한국재료연구원, 그다음에 한국과학기술원 이런 쪽에서 훌륭한 분들이 많이 있고요. 저희가 각각 프로젝트별로 함께 할 수도 있고, 따로 할 수도 있고 서로 교류하고 있습니다. 그래서 저희는 같은 동지입니다. 가끔 프로젝트 때문에 경쟁도 하지만, 선의의 경쟁이고요. 항상 저희는 함께 협력해서 하고 있습니다.”

-합금하려면 시뮬레이션도 하고 여러 가지 하시겠지만, 실제로 뜨거운 데다가 금속들 집어넣고 하는 것도 그것도 많은 시간이 할애되죠?

“저희가 제일 원천적인 게 사회자분께서 말씀하신 것처럼 합금 조성을 먼저 최적화시키는 게 제일 먼저고요. 그러기 위해서는 시도를 많이 합니다. 그 데이터를 가지고 전산과학에 집어넣고, 인공지능에 활용하는 거니까요. 이 실험을 하는데 저희 한국생산기술연구원이나 같이 협력하는 서울과학기술대학교 변정민 교수님 팀이나 울산대학교 김진천 교수님 팀이나 그런 장비들을 다 갖고 있습니다. 그래서 세 군데서 다 같이 합금해서 저희가 이주에 한 번씩 기술 교류를 해서 최적지를 찾아내고요. 그다음에 그것들 데이터를 다 모아서 저희가 인공지능을 활용하는 그런 일들을 하고 있습니다.”

-박사님은 한국분말재료학회의 회장직도 같이 맡고 계시는데 아까도 잠깐 분말 말씀해주셨는데 분말재료학회에는 주로 어떤 분들이 많이 모여있습니까?

“아까 말씀드린 거처럼 실제로 옛날에는 사실 인류 역사를 구분하는 게 사회자분께서는 잘 아시겠지만, 어떤 소재를 썼느냐로 구분하죠. 그러면 우리 삶이 형태가 바뀌니까요. 석기시대, 청동기시대, 철기시대인데 아마 철기시대가 가장 획기적이었을 겁니다. 그래서 부족국가가 국가로 변화됐으니까요. 철기가 생기면서 우리가 농업 생산성이나 이런 것도 다 달라지고, 그다음에 산업혁명도 일어났으니까요. 근데 거기까지는 우리가 잘 섞이는 금속을 고온에서 액체 상태를 만들어서 틀에 부어서 부품을 만들었죠. 근데 안 섞이는 것들은 어쩔 수 없었던 거죠. 근데 분말은 뭐냐면 일단 섞이는 것끼리 분말을 만든 다음에 이걸 고체 상태에서 혼합한 다음에 이걸 부품으로 만들어서 고온에서 소결하게 되면 기존에 주조로 만들었던 특성보다 훨씬 획기적인 다른 성능을 갖는 부품을 만들 수가 있게 된 겁니다. 예를 들어서 액체 상태에서 금속끼리 섞이지 않는 세라믹들도 금속 합금 분말과 고체 상태에서 카본이나 옥사이드나 세라믹이나 이런 거를 적당히 잘 섞어서 소결하게 되면 고성능을 나타나게 되죠. 그 예가 뭐냐면 다이아몬드 틀 같은 것들. 다이아몬드는 안 녹잖아요. 근데 금속 분말하고, 다이아몬드 분말을 상온에서 섞어서 고온에서 소결하게 되면 우리가 원하는 훌륭한 다이아몬드 틀을 만들게 되는 거고, 우리가 가공하는 초경은 텅스텐 카바이드거든요. 이건 안 녹습니다. 이걸 녹이려면 4000°C 이상 올라가야 하는데 이런 것들을 금속과 잘 섞어서 소결하게 되면 우리가 원하는 훌륭한 틀이나 금형이나 이런 걸 만들 수가 있죠. 그러니까 기존에 철기시대. 지금도 철기시대입니다. 금속이 주도하는 시대인데 기존에 주조공정에서 다른 세라믹이나 다른 소재하고 더 많은 경우의 수를 늘려서 더 기능이 좋은 재료로 만들 때 분말을 이용하게 되고 있고요. 그래서 저희 분말재료학회에서 하시는 분들은 분말을 합금 설계하시는 분들, 그다음에 그 분말을 만드시는 분들. 지금은 저희가 금속 분말을 세계에서 최고로 잘 만들 수 있는 수준까지 가 있습니다.”

-한국이요.

“그전에는 금속 분말을 외국에서 사다가 그다음 공정을 했죠. 그다음에 이거를 성형해서 부품 만드는 기술들. 이것들은 옛날부터 우리가 분말을 잘 못 만들 때도 외국에서 분말을 사다가 해왔기 때문에 이 부분도 세계적인 수준에 있고요. 우리가 경쟁력도 꽤 높습니다. 최근에는 여러분이 잘 알고 있는 나노 분말 이런 쪽들, 그다음에 또 하나 적중성이죠. 우리가 잘 알고 있는 3D 프린팅 이런 쪽들에 분말이 많이 활용되고 있고요. 그다음에 기능성 쪽으로는 배터리라든지 이런 부분들도 굉장히 중요한 역할을 하게 됩니다. 그래서 저희 분말재료학회들은 분말을 원소재로 해서 부품화하거나 그 성능을 부여하는 모든 분야의 과학자들이 모인 학회입니다.”

-박사님 오늘 나와주셔서 고맙습니다. 연구하시는 것들 계획하신 대로 잘 돼서 꼭 성공하시기를 기대하겠습니다.

“감사합니다. 좋은 기회를 주셔서.”

-박사님 고맙습니다.

정리_명진규 와이일렉 총괄 에디터 aeon@thelec.kr

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