박종래 서울대 재료공학부 교수
미래는 녹색성장으로 상징된다. 이산화탄소의 배출은 가급적 줄이면서도 경제성장은 지속시켜 간다는 것이 녹색성장의 핵심이다. 그런데 이것이 가능하기 위해서는 근본적으로 에너지 혁명이 있어야 한다.
즉 석유, 석탄 등 탄소계 화석연료 에너지를 태양에너지, 바람에너지, 화학에너지 등과 같은 것으로 대체함으로써 이산화탄소가 원천적으로 발생하지 않도록 하는 것이 가장 이상적인 해결 방법이다. 그런데 태양, 바람, 수소 등의 에너지를 이용하기 위해서는 이들을 전기에너지로 변환시키고 또한 변환된 전기에너지를 저장할 수 있어야 한다.
탄소 소재는 이와 같은 신재생에너지의 변환 및 저장장치에서 핵심 소재로 기능한다. 예컨대 수소 자동차가 가능하기 위해서는 수소를 저장하는 장치, 수소의 산화반응 장치 등이 하나의 연료전지 시스템으로 구성되어야 하는데 여기에 탄소소재가 전체 소재의 거의 70~80%를 차지할 만큼 대량으로 또 긴요하게 사용되고 있다.
한편, 화석연료를 다른 연료로 완전히 대체할 수 없는 경우, 화석연료의 사용 효율을 높이는 것도 녹색성장의 한 방법이 될 수 있다. 이런 관점에서 자동차를 비롯한 각종 수송매체의 제조업계에서 기울이고 있는 노력이 수송매체의 무게를 줄이는 방법이다. 현재의 수송매체는 대부분이 금속소재로 되어 있기 때문에 무거워서 연료 소비량이 많을 수밖에 없는데 탄소섬유 복합체로서 금속소재의 상당부분을 대체할 경우 휘발유 등과 같은 화석연료의 소비를 대폭적으로 줄일 수 있기 때문이다.
실제로 일본의 경우 NEDO 프로젝트를 통해 자동차 무게를 현재보다 30~40% 정도 더 줄임으로써 현재의 연료 소비량을 10% 이상 절감하려는 연구가 한창 진행 중이다. 최종 목표 달성을 위해 나노 빨대인 탄소나노튜브 및 나노 필름인 그래핀 등을 주목하고 있는데 그 이유는 나노튜브와 그래핀의 무게 대비 역학적 성질이 그 어떤 소재보다 월등하게 뛰어나기 때문이다. 이런 특성을 최대한 활용하면 심지어는 우주 엘리베이터용 케이블도 가능할 것으로 예측되어 NASA에서는 이에 대한 연구도 활발하게 하고 있는 상황이다. 우주 엘리베이터는 우주선을 지금처럼 지상에서 발사해서 우주 정지궤도에 올리는 것이 아니라 지상과 정지궤도 사이에 설치된 우주 엘리베이터에 우주선을 실어서 정지궤도에 올림으로써 우주 개발에 신기원을 이루겠다고 하는 야심찬 프로젝트이다.
이처럼엘리베이터를 타고 우주로 가는 것은 현재로서는 상상의 세계에서나 가능한 일이다. 하지만 이런 상상을 현실로 만들기 위해 노력하는 사람들이 있다. 미국 NASA의 과학자들과 일본의 우주과학자들이 바로 그런 사람들이다. 그들의 연구에 있어 가장 핵심적인 것이 바로 우주 엘리베이터이고 그 중에서도 더 중요한 것은 바로 그 엘리베이터를 우주공간의 정지궤도와 지구의 지표면 사이에서 끌어올리고 내리는 역할을 담당하고 있는 케이블이다.
탄소소재, 특히 나노빨대로 알려져 있는 탄소나노튜브는 이런 우주 엘리베이터용 케이블을 만드는데 있어 없어서는 안 될 핵심소재로 알려져 있다.
또한 탄소재료는 그 어떤 것과도 잘 융화되고 그 자체적으로도 독특한 모양과 성질을 가지는 특성 때문에 21세기의 핵심 단어로 등장한 융합과 통섭을 물질적으로 구현할 수 있는 핵심원소로 인식되고 있다.
한편, 나노탄소 기반의 극한성능 섬유 및 케이블 소재 기술은 이미 국내외적으로 상당한 수준에 도달해 있는 나노탄소 제조의 기초기술을 초석으로 하면서 기존의 유기합성과 섬유형성기술이 접목된 기술이다. 따라서 나노탄소 케이블 기술이 확립되면 나노 탄소소재의 분산 및 표면제어, 배향 및 결합제어를 비롯하여 섬유형태의 집합체형성 및 배향기술 등의 파생기술이 더불어 확보될 것으로 기대되고 있다.
이는 세계적 경쟁력을 갖춘 신기술의 국내 확보가 가능하다는 것을 의미하게 되며, 따라서 이 기술을 통한 새로운 학문분야의 개척과 함께 산업경제적 부가가치의 창출이 가능하게 됨을 의미한다. 또한 세계적인 섬유산업 강국이면서도 탄소섬유, 케블라섬유 등과 같은 고부가가치의 고성능섬유소재 기술을 가지고 있지 못한 우리나라의 섬유산업 발전에 직접적으로 기여할 수 있을 뿐 아니라 여타의 부품소재 산업분야에도 그 파급효과가 지대할 것으로 기대된다. 나아가서는 우리나라의 기계, 항공우주, 자동차, 조선해양 등의 분야에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
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즉 석유, 석탄 등 탄소계 화석연료 에너지를 태양에너지, 바람에너지, 화학에너지 등과 같은 것으로 대체함으로써 이산화탄소가 원천적으로 발생하지 않도록 하는 것이 가장 이상적인 해결 방법이다. 그런데 태양, 바람, 수소 등의 에너지를 이용하기 위해서는 이들을 전기에너지로 변환시키고 또한 변환된 전기에너지를 저장할 수 있어야 한다.
탄소 소재는 이와 같은 신재생에너지의 변환 및 저장장치에서 핵심 소재로 기능한다. 예컨대 수소 자동차가 가능하기 위해서는 수소를 저장하는 장치, 수소의 산화반응 장치 등이 하나의 연료전지 시스템으로 구성되어야 하는데 여기에 탄소소재가 전체 소재의 거의 70~80%를 차지할 만큼 대량으로 또 긴요하게 사용되고 있다.
한편, 화석연료를 다른 연료로 완전히 대체할 수 없는 경우, 화석연료의 사용 효율을 높이는 것도 녹색성장의 한 방법이 될 수 있다. 이런 관점에서 자동차를 비롯한 각종 수송매체의 제조업계에서 기울이고 있는 노력이 수송매체의 무게를 줄이는 방법이다. 현재의 수송매체는 대부분이 금속소재로 되어 있기 때문에 무거워서 연료 소비량이 많을 수밖에 없는데 탄소섬유 복합체로서 금속소재의 상당부분을 대체할 경우 휘발유 등과 같은 화석연료의 소비를 대폭적으로 줄일 수 있기 때문이다.
실제로 일본의 경우 NEDO 프로젝트를 통해 자동차 무게를 현재보다 30~40% 정도 더 줄임으로써 현재의 연료 소비량을 10% 이상 절감하려는 연구가 한창 진행 중이다. 최종 목표 달성을 위해 나노 빨대인 탄소나노튜브 및 나노 필름인 그래핀 등을 주목하고 있는데 그 이유는 나노튜브와 그래핀의 무게 대비 역학적 성질이 그 어떤 소재보다 월등하게 뛰어나기 때문이다. 이런 특성을 최대한 활용하면 심지어는 우주 엘리베이터용 케이블도 가능할 것으로 예측되어 NASA에서는 이에 대한 연구도 활발하게 하고 있는 상황이다. 우주 엘리베이터는 우주선을 지금처럼 지상에서 발사해서 우주 정지궤도에 올리는 것이 아니라 지상과 정지궤도 사이에 설치된 우주 엘리베이터에 우주선을 실어서 정지궤도에 올림으로써 우주 개발에 신기원을 이루겠다고 하는 야심찬 프로젝트이다.
이처럼엘리베이터를 타고 우주로 가는 것은 현재로서는 상상의 세계에서나 가능한 일이다. 하지만 이런 상상을 현실로 만들기 위해 노력하는 사람들이 있다. 미국 NASA의 과학자들과 일본의 우주과학자들이 바로 그런 사람들이다. 그들의 연구에 있어 가장 핵심적인 것이 바로 우주 엘리베이터이고 그 중에서도 더 중요한 것은 바로 그 엘리베이터를 우주공간의 정지궤도와 지구의 지표면 사이에서 끌어올리고 내리는 역할을 담당하고 있는 케이블이다.
탄소소재, 특히 나노빨대로 알려져 있는 탄소나노튜브는 이런 우주 엘리베이터용 케이블을 만드는데 있어 없어서는 안 될 핵심소재로 알려져 있다.
또한 탄소재료는 그 어떤 것과도 잘 융화되고 그 자체적으로도 독특한 모양과 성질을 가지는 특성 때문에 21세기의 핵심 단어로 등장한 융합과 통섭을 물질적으로 구현할 수 있는 핵심원소로 인식되고 있다.
한편, 나노탄소 기반의 극한성능 섬유 및 케이블 소재 기술은 이미 국내외적으로 상당한 수준에 도달해 있는 나노탄소 제조의 기초기술을 초석으로 하면서 기존의 유기합성과 섬유형성기술이 접목된 기술이다. 따라서 나노탄소 케이블 기술이 확립되면 나노 탄소소재의 분산 및 표면제어, 배향 및 결합제어를 비롯하여 섬유형태의 집합체형성 및 배향기술 등의 파생기술이 더불어 확보될 것으로 기대되고 있다.
이는 세계적 경쟁력을 갖춘 신기술의 국내 확보가 가능하다는 것을 의미하게 되며, 따라서 이 기술을 통한 새로운 학문분야의 개척과 함께 산업경제적 부가가치의 창출이 가능하게 됨을 의미한다. 또한 세계적인 섬유산업 강국이면서도 탄소섬유, 케블라섬유 등과 같은 고부가가치의 고성능섬유소재 기술을 가지고 있지 못한 우리나라의 섬유산업 발전에 직접적으로 기여할 수 있을 뿐 아니라 여타의 부품소재 산업분야에도 그 파급효과가 지대할 것으로 기대된다. 나아가서는 우리나라의 기계, 항공우주, 자동차, 조선해양 등의 분야에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
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