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김대중 전 대통령은 2001년 1월 당시 과학기술인 신년 인사회에 참석, “나노기술(NT)을 체계적으로 발전시켜 나가겠다”고 밝혔다. 국가경제가 어려울수록 (과학기술) 기초를 튼튼히 해야 한다는 점을 강조했다. 이에 정부는 같은 해 7월 ‘NT종합발전계획’을 발표했다. 이듬해 12월 NT개발촉진법이 제정되고 2020년 NT 선진 3대 강국으로 진입한다는 국가기술전략의 로드맵이 만들어졌다.

정부가 NT 육성에 나선지 올해 8년차를 맞는다. ‘2020년 NT 선진 강대국’ 실현의 반환점을 눈앞에 뒀다. 그 새 우리 NT는 발전을 거듭해왔지만 아직 산업 전반에 뿌리를 확실히 내리지 못했다. 산업화로 이어지지 않는다면 그 자체로서의 가치와 생명력을 잃을 수밖에 없다.

NT는 소재·환경·에너지·소자·바이오·공정·측정 등의 여러 산업 분야 경쟁력을 키우고 살찌우는 ‘배양액’이다. 20세기가 미크론(μ:100만분의 1)의 시대였다면 21세기는 나노(n:10억분의 1)시대이다. 전자신문은 나노산업기술연구조합·나노기술연구협의회와 공동으로 주요 기업의 NT 연구 현장을 돌아보고 성과·애로사항·응용분야 등을 살펴본다.

물과 기름은 결코 섞이지 않는다. 기름 밀도가 물 밀도보다 낮은 탓에 기름이 물에 뜨기 때문. 하지만 계면 활성제를 이용하면 가능하다. 일례로 비누의 분자엔 친유성 특성과 친수성 특성을 동시에 갖고 있다. 이 같은 양쪽 물질의 친매성은 물과 기름의 교각 역할을 해 물과 기름을 결합해준다.
 
알루미늄(Al)과 탄소나노튜브(CNT)가 결합한 나노 복합소재는 21세기 꿈의 신소재라 불린다. 이 복합소재는 기존 Al 대비 강도는 최소 3배 이상, 제품 중량은 20% 이상 줄어든다. 이에 많은 기업이 Al-CNT 복합소재 개발에 연구비를 앞다퉈 투자한다. 문제는 Al과 CNT가 ‘물과 기름’처럼 밀도가 각각 달라 섞이지 않아 신소재 상용화에 애간장을 태우고 있다.

한 중견 기업이 대학과 손잡고 이 골칫거리를 해결했다. 자동차 부품 전문 기업 엠앤에스와 성균관대 이영희 교수연구팀이 주인공들이다. 그것도 Al-CNT 소재 연구개발을 시작한 지 불과 2년 만에 일궈냈다. 우리 나노 기술이 세계에서 결코 뒤지지 않는다는 점을 방증한다.

◇Al과 CNT 결합의 비결은=엠앤에스는 신소재 사업 진출을 위해 Al-CNT 복합소재 개발을 독자 진행했다. 하지만 번번이 실패했다. Al가루와 CNT를 섞어 용해하면 타버리거나 제대로 결합이 되질 않았다. 2006년 초 두 물질의 밀도가 틀려 결합하기 힘들다는 점을 성대 이영희 교수가 귀띔했다.

양측은 2006년 10월 산·학협력으로 Al-CNT 복합소재 연구를 진행, ‘스마트 알루미늄’ 개발에 성공했다. 그 성공의 비결은 바로 ‘공유 결합’이었다. 공유결합은 2개의 서로 다른 원자가 서로 전자를 방출, 전자쌍을 형성하고, 이를 공유하는 물리적 현상이다.

탄소 원자는 공유결합을 만들기 쉽다는 점에 착안했다. 밀도가 서로 다른 Al과 CNT를 공유 결합시킨 것이다. 마치 물과 기름이 유화제에 의해 섞이듯 Al가루와 CNT를 섞은 후 전 처리 과정에서 두 물질의 공유결합을 유도했다. Al원자들이 CNT를 공유결합 형태로 둘러싸인 결과, 두 물질의 밀도 차이가 순식간에 사라져버렸다.

◇실용화에 성공하다=양측은 밀도 차이를 극복, 지난해 2분기 결합에 성공했다. 하지만 또 하나의 숙제를 안게 됐다. 가루 형태의 Al-CNT가 아닌 잉곳(Ingot·주괴) 형태의 Al-CNT를 개발하고자 했기 때문이다. 엠앤에스 백성식 이사는 “가루 형태의 복합 신소재는 열을 이용, 응축해 제품을 만든다”며 “다양한 형상의 제품을 생산하지 못할 뿐더러 기업은 새로운 설비 투자가 수반될 수밖에 없다”고 말했다.

잉곳 형태로 Al-CNT 복합 소재를 공급하면 기존 알루미늄 소재를 사용하는 기업(고객)들은 별도의 투자를 하지 않아도 기존 공정 내지는 설비로 제품을 성형할수 있는 장점이 있다. 엠앤에스 쪽에선 Al-CNT 복합 소재 판로 확보가 매우 수월하다.

잉곳 형태의 제품 상용화에 8개월이 걸렸다. 어쩌면 연구개발 수준에 그칠 수 있었다. 하지만 엠앤에스의 알루미늄 주조 노하우가 연구 개발 성과에 더해지면서 Al-CNT 복합신소재가 세계 최초로 상용화 길을 걷게 됐다.

엠앤에스는 공정 안정화를 거쳐 내년 3월 Al-CNT 복합 소재를 본격 양산, 경쟁 기업보다 한발 앞서 시장 선점에 나선다. 이 회사는 전자·우주항공·선박조선·철도차량·산업기계·건축자재 등 산업 전반에 Al-CNT를 적용할 계획이다. 실제로 기업들과 협의를 진행 중이다.

<미니 인터뷰:엠앤에스 김자현 사장>

= 자동차 부품 기업이 소재 산업에 관심을 갖게 된 배경은 무엇인가.

- 엠엔에스는 자동차 부품 사업을 통해 성장했다. 자동차 부품 사업은 품질·기술·가격 등 경쟁력이 뒷받침되지 않으면 후발 주자와의 경쟁에서 살아남기 어렵다. 특히 많은 부품의 상당량이 중국으로부터 수입, 향후 국내 자동차 부품 기업들은 기업 활동에 많은 어려움을 겪을 것이다. 그래서 2차 성장을 위해 알루미늄 신소재 분야에 관심을 갖게 됐다.

= 불과 2년 만에 탄소나노튜브(CNT)와 알루미늄을 결합한 ‘스마트 알루미늄’ 신소재를 개발했다. 그 성공 비결은.

- 엠앤에스는 알루미늄을 대체할 신소재 개발에 사운을 걸었다. 엠앤에스가 41년 쌓은 알루미늄주조 노하우와 성균관대 이영희 교수팀의 연구 개발 능력이 어우러진 결과다. 특히 이영희 교수팀이 산업 마인드를 갖고 스마트 알루미늄 연구에 임한 것이 조기 성과에 기여했다.

= 스마트 알루미늄 상용화를 위한 사업 계획은 무엇인가.

- CNT와 Al 복합소재 연구개발은 국내외에서 활발히 진행 중이지만 상용화 성공사례는 드물다. 복합 신소재에 대한 시장과 상품성이 크다. 현시점에서 가장 중요한 것은 조속한 상용화 작업이다. 경쟁 기업보다 한발 앞서 CNT와 Al 복합 소재 시장을 선점, 시장 우위를 지켜나갈 계획이다.