이제 첨단소재에 대해 이야기할 때

다음 책에 첨단소재(advanced materials)와 관련한 부분을 다루고 싶다고 출판사에 말하자 편집자가 약간 당황하며 말했다. "첨단(High-tech) 소재라고요?" 그녀가 물었다. 아마도 첨단소재는 하이테크 소재의 하위 그룹으로 간주할 수 있을 것 같다.

하지만 여기에는 모든 종류의 핵심소재가 포함돼 있다. 안티노미에서 희토류까지 채굴되는 소재들, 다양한 금속으로 구성된 많은 종류의 초(超)합금, 마지막으로 다양한 특수 화학물질이 포함돼 있다. 따라서 첨단 소재는 산업과 과학에서 사용되는 어떤 별도의 용어다. 단지 매우 인기 있는 용어는 아니다.


이건 놀라운 일이다. 하이테크 기술과 관련해 우리는 반도체, 배터리, 우주 기술, 통신, 심지어 디스플레이에 대해서도 많은 이야기를 한다. 하지만 최근 진정한 르네상스를 겪고 있는 첨단소재에 대한 언급이나 글은 거의 없다. 매주 새롭고 흥미로운 소재들이 발견되고 있다. 그렇다면 첨단소재란 무엇이며, 다른 하이테크 소재와 어떻게 다를까?

나노기술·AI 발달로 첨단소재 '붐'
첨단소재는 일반적으로 이미 그 소재에서 가용했던 특성과의 트레이드 오프 없이 기존 소재에 비해 성능 특성을 크게 향상시킨 물질이다. 첨단소재는 강철보다 강하지만 훨씬 가벼우면서 부식되지 않을 것이다. 또 다른 필수적인 특성은 거의 전적으로 사람이 만든다는 점이다. 일반 합금과 달리 더 나은 것을 얻기 위해 기존 소재를 단순히 혼합하는 게 아니다. 인간이 구조를 조작해 자연계에 존재하지 않았던 완전히 새로운 것을 얻는다.

그렇기 때문에 첨단소재의 잠재적 위험을 강조하고 이 소재의 미래에 대해 논의해야 한다고 지적하는 사람들도 있다. 현재 전세계적으로 AI의 위험성과 규제에 대한 논의가 활발히 이루어지고 있지만, 첨단소재에 대해서는 아무도 관심을 기울이지 않는다. 그것이 무엇인지 아는 사람은 거의 없다. 우리는 매주 전 세계에서 대자연도 몰랐던 새로운 물질을 만들어내고 있지만 아무도 언급하지 않는다.


이건 겁을 주는 게 아니다. 믿기지 않는다면 1960년대에 들어서야 대량으로 사용되기 시작한 플라스틱을 보면 된다. 고전 영화 '졸업'을 기억해보자. 젊은 더스틴 호프만이 미래는 플라스틱에 있다는, 듣지도 보지도 못한 조언을 받는 장면이 나온다. 아마도 지금이라면, 맥과이어(영화에서 더스틴 호프만에게 조언한 사업가의 극중 이름)가 한 유명한 '한 마디' 조언은 "첨단소재"가 될 것이다.

1960년대 말부터 플라스틱은 너무나 보편화되고 흔해져서, 우리는 플라스틱이 우리 주변을 완전히 둘러싸고 있다는 사실에 주의를 기울이지 않는다. 플라스틱 조각은 에베레스트 산에서 태평양의 마리아나 해구까지, 지구의 가장 높은 곳과 가장 낮은 곳에서 발견된다. 특히 도시에서 우리는 미세플라스틱 조각을 물에 타 마시거나 흡입한다. 플라스틱의 문제는 플라스틱이 완전히 사라지지 않는다는 것이다. 플라스틱은 점점 더 작은 조각으로 부서지면서 서서히 사라진다. 이제 플라스틱은, 특히 해양 야생동물과 관련해, 우리가 직면한 가장 큰 환경 문제 중 하나로 자주 언급된다. 이는 너무 늦기 전에 신소재와 관련한 위험에 대해 토론하는 게 필수적이라는 걸 보여준다.

최근에서야 첨단소재 붐을 경험하게 된 건 두 가지 발전의 영향이다. 첫 번째는 전자 현미경 기술 및 나노 기술 전반의 발전과 관련 있다. 우리가 소재의 원자 구조를 성공적으로 조작할 수 있게 된 건 불과 지난 30년 동안이다. 다음은 AI 덕분이다. 재료 과학자가 AI 알고리즘에 첨단소재에 필요한 특성을 입력하면 AI 모델이 가능한 화학 배합을 제안한다. 과거에는 재료 과학자들이 목적에 맞는 공식을 찾아내기 위해 굉장히 많은 공식을 경험적으로 테스트해야 했다. 이제 AI 알고리즘은 클라우드에서 가상으로 이 작업을 수행해 실제 환경에서 테스트 하면 되는 몇 가지 가능한 솔루션을 내놓는다.
박테리아가 균열 복구하는 '자가 치유 콘크리트'
첨단소재는 정말 매력적일 수 있다. 많은 하위 그룹이 있지만 나는 애니메이션 소재가 가장 놀라운 예라고 생각한다. 이 소재는 수동적인 것과 반대되는 개념으로, 외부 자극에 반응한다는 의미에서 살아있다. 자가 치유 콘크리트가 그 중 하나다.

요구르트처럼 박테리아 배양액이 겨울잠을 자는 상태의 콘크리트를 상상해 보자. 이 응용 분야에 사용되는 매우 특정한 박테리아는 온천에서 발견됐으며, 최대 50년 동안 동면 상태를 유지할 수 있다. 이제 박테리아의 먹이가 콘크리트에도 숨겨져 있다고 상상해 보자. 건물이나 다리의 콘크리트가 노후화되면 미세한 균열이 생기기 시작한다. 이 미세 균열로 인해 습한 공기가 유입돼 박테리아가 깨어나게 된다. 박테리아는 수년간의 동면 끝에 배가 고파서 먹이를 찾고, 먹고, 번식하고, 배설한다.

역겹게 들리겠지만 박테리아의 배설물은 콘크리트 치유 과정의 핵심이다. 이 특정 박테리아 그룹은 균열을 결합해 구조물을 복구하는 콘크리트 구성 요소 중 하나인 방해석(calcite)을 배설하기 때문이다. 현재 상업적으로 이용 가능한 자가 치유 콘크리트의 사용은 매우 제한적이다. 전 세계적으로 시장 점유율은 1% 미만이다. 많은 국가, 특히 미국에서 노후화한 인프라로 문제를 겪고 있는 상황에서 놀라운 결과다. 연구에 따르면 자가 치유 콘크리트는 수리하지 않고도 구조물의 수명을 최대 80년까지 연장할 수 있다.

지속 가능성에 많은 관심을 기울이는 이 시대에, 이렇게 하면 얼마나 많은 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있을지 상상해 보자. 콘크리트의 주원료인 시멘트 생산은 산업 중 이산화탄소 배출량이 가장 많은 분야 중 하나다. 납세자의 수리 비용이 절감된다는 점은 말할 것도 없다.

안타깝게도 건설 회사와 개발사들은 자가 치유 콘크리트에 관심이 거의 없다. 그렇게 할 인센티브가 거의 없기 때문이다. 우선, 일반 콘크리트보다 훨씬 비싸다. 둘째로, 더 많은 수리가 그들에게 더 많은 사업을 의미한다면 왜 여기에 지출하려 하겠는가? 마지막으로, 건설 업계와 고객들 사이에서 이러한 솔루션에 대한 인식이 제한적이다.

비싸지만 장기적으로 항공사 비용 절감하는 탄소섬유일반적으로 첨단소재는 상용화까지 길고 험난한 길을 걸어야 하는 경우가 많다. 제조업체의 관점에서 소재의 변경은 다른 모든 선택지를 모색한 후 최후의 수단으로 하는 개선이다. 소재의 변경이 공급업체 기반과 생산 공정의 변경을 의미하기 때문이다. 따라서 이는 수행하기 위험하고 자본 집약적인 개선이다.

탄소섬유는 작업하기에 환상적인 소재다. 강철보다 강하지만 부식되지 않는다. 동시에 알루미늄보다 가볍다. 열과 복사를 차단한다. 설계에 따라 전기가 통하거나 통하지 않을 수 있다. 고도의 가소성(plasticity)이 있어 이로 만들어진 물체는 곡률을 통해 자연을 모방할 수 있다. 하지만 1980년대부터 시장에 출시된 이 소재는 이런 환상적인 특성에도 불구하고 사용처가 매우 제한적이다. 대부분 항공, 프로 스포츠 장비, 자동차, 군사용으로 한정돼 있다.

실제로 탄소섬유는 군사적 용도가 매우 중요하기 때문에 한때 산업 스파이 사건의 대상이 되기도 했다. 널리 알려진 사례로, 중국인이 인민해방군의 군용 드론에 사용되는 고급 탄소섬유를 조달하려 한 혐의로 유죄를 선고 받았다. 중국은 다른 어떤 나라보다 첨단 소재의 중요성을 잘 파악하고 있다. 심지어 중국산 탄소섬유 생산 능력 확대도 '중국제조 2025' 계획에 포함돼 있다.

민간 분야에서는 멋지고 값비싼 탄소섬유 자전거 외에도 탄소섬유 소재가 항공 분야에서 점차 알루미늄을 밀어내고 있다. 알루미늄은 킬로그램 당 약 2달러에 거래되는 반면 탄소섬유는 20~30달러로 여전히 비싸지만, 훨씬 더 가벼운 무게로 인해 장기적으로 연료를 절약할 수 있어 항공사의 장기적 비용 절감에 도움이 된다. 보잉의 드림라이너 기체는 대부분 탄소섬유로 만들어졌으며, 현재까지 가장 연료 효율이 높은 여객기다.

이렇게 짧은 기사에서 다루기에는 첨단소재가 너무나 많다. 하지만 이 하이테크 부문에 대해 자세히 살펴볼 것을 권장한다. 엔지니어와 디자이너의 상상력은 대부분 작업하는 재료에 의해 제약을 받는다. 새로운 소재는 이러한 제약을 없애고 기술로 가능한 것의 한계를 뛰어넘는다. 새로운 산업혁명을 촉발할 잠재력이 있다면, 그것은 반도체나 배터리에 있는 것이 아니라 첨단소재와 그 소재들이 열어주는 기회에 있다.


*필자 소개: 루카스 베드나르스키(Lukasz Bednarski)는 금융서비스 기업 S&P글로벌에서 리튬 등 배터리 관련 금속을 담당하는 수석 애널리스트다. 하이테크 공급망 전문가이자 전 희토류 금속 거래자이며 '배터리 전쟁:리튬부터 2차 전지까지, 누가 새로운 경제 영토를 차지할 것인가' 등으로 알려진 베스트셀러 작가다.

*이 칼럼에서 표현된 견해와 의견은 전적으로 필자 개인의 것이며 소속회사의 것을 대변하지 않습니다. 필자와는 Twitter에서 @LithiumResearch를 팔로우하거나 [email protected]으로 연락할 수 있습니다.