과학·산업계 전반에서 최근 ‘신소재 개발전쟁’이 한창이다. 4차 산업혁명의 핵심 기술에는 소재 개발이 뒷받침되어야 하며, 미래 먹거리 산업으로도 큰 가능성을 안고 있기 때문이다. 신소재는 원천기술 확보와 상용화에 이르기까지 많은 시간이 소요되지만, 개발에 성공하기만 한다면 산업 기술의 근본적 혁신을 이끄는 게임체인저(Game Changer) 지위에 오를 수 있다.
현재 미국·일본·독일 등 선진국이 소재 시장을 선도하고 있지만, 최근 중국이 풍부한 자원과 저렴한 인건비, 자본력 등을 투입해 소재 시장의 점유율을 늘려가는 중이다. 따라서 우리나라도 신속한 사업재편을 통해 4차산업혁명 기반 기술과 연관된 첨단소재 개발에 핵심역량을 집중해야 할 것으로 보인다.
이러한 가운데 수원대학교 신소재공학부 장건수 교수는 세계적인 과학 저널 네이처(Nature)의 자매지인 '사이언티픽 리포트(Scientific )'에 논문을 게재하고, 다수의 기업과 기술이전계약을 체결하는 등 국내 신소재 기술 발전에 기여하고 있다. 장건수 교수를 만나 신소재공학의 중요성과 최근 연구 성과에 대한 이야기를 들어봤다.
압출공정과 고분자 분야 등 다양한 연구 진행
장건수 교수는 Case Western Reserve University 공학박사(Macromolecular science and engineering) 학위를 취득하고 삼성SDI, 롯데케미칼을 거쳐 한국전자통신연구원 선임연구원으로 근무하다 지난 2018년 수원대학교 신소재공학 전공 교수로 임용됐고, 현재 학과장, 학부장, 신소재융합기기분석센터장을 맡고 있다. 신소재공학 전공은 신소재공학 인재양성에 필요한 교양 및 고분자 물질의 물리·화학적 성질, 신소재합성, 스마트소재설계, 기기분석 등의 지식을 다루는 학과다. 이 가운데서도 장 교수는 고분자/고무 복합소재 압사출(컴파운딩) 및 열경화성 접착 소재 전공자로서 실무중심 융합교육을 지향하고 있다.
“압출공정은 산업현장에서 반드시 필요한 작업 중 하나지만, 학자들 사이에서는 연구가 활발하지 않았던 게 사실입니다. 향후 그 가치가 더 높아질 것으로 예상되는 만큼 고무의 물성을 활용한 다양한 첨가제를 연구하고 있는데요, 기업과의 네트워킹과 정부의 지원사업을 통해 꾸준한 연구개발 및 기술 상용화를 추진하고 있습니다. 또 연구실에 단축 및 이축압출기, 사출기를 갖추고 고분자 복합재 연구를 통해 학생들의 현장실무능력을 육성하고 있는데, 현장에서 필요로 하는 기술인 만큼 대기업 인턴십이나 강소기업 취업 연결 시 많은 도움이 되고 있습니다.”
압출공정기술과 긴밀한 연관을 맺고 있는 분야로는 고분자 기술이 있다. 장 교수가 고분자 분야에 관심을 기울이는 이유 중 하나는 ESG 경영의 중요성이 커지면서 재활용 플라스틱 가공기술과 플라스틱 분해/생분해 기술에 대한 수요도 늘어나고 있기 때문이다. 열가소성 및 열경화성 고분자의 재활용 가공기술 및 메커니즘을 규명하고, 고분자-금속 이종접합소재 등 다양한 소재기술을 개발하는 것이 연구의 목적이다. 압축공정 분야에서도 이축압출기를 이용한 컴파운딩, 계면상용화제를 통한 유무기 계면 제어, 3D 프린팅용 고내열 복합소재 및 엘라스토머 개발 등 다양한 연구를 진행하고 있다.
“고분자 기술은 우리 삶 속에서 다양하게 활용되고 있는데 자동차 타이어, 반도체-전자 부품, 자동차 부품 등 분야가 매우 다양합니다. 미래 첨단 기술에 활용되는 기초 재료인 만큼 개발 영역이 무궁무진하다고 할 수 있습니다. 실제로 고분자 물성 향상을 위한 새로운 첨가물 연구를 진행한 결과, 낮은 온도에서도 접착제의 성능을 유지할 수 있는 방법을 찾아냈고, 마이크로웨이브를 사용해 저온에서 분자 운동을 활성화하는 기술 개발에 성공했죠. 반도체 패키징에 유용하게 활용될 수 있는 기술인 만큼 앞으로도 고분자 기술과 고무를 활용한 연구가 활발히 진행되길 바라는 마음입니다.”
꾸준한 연구로 다수의 기술이전 성공
장건수 교수는 지난 2021년 세계적인 과학 저널 네이처(Nature)의 자매지인 '사이언티픽 리포트(Scientific)'에 논문을 게재했다. 사이언티픽 리포트는 자연과학과 임상과학 분야 전반에 걸친 연구 결과를 다루는 온라인 저널이다. 해당 논문은 고분자 템플릿과 습상 반전 방법(wet phase inversion)을 통해 규칙적으로 정렬된 금나노구조형 마이크로튜브를 합성할 수 있다는 내용을 담고 있다. 이 방법은 기존의 화학증착법, 실리콘템플릿법, 반응이온식각법 등과 비교해 상업화에 매우 유리한 것으로 분석됐다.
이외에도 장 교수는 한국유변학회와 한국고무학회의 임원 및 이사회에 소속되어 있으며, 최근 3년간 SCI저널지에 16편을 교신저자로서 게재한 바 있다. 연구활동으로 얻은 성과를 통해 기술 개발에 매진, 다수의 기업과 기술이전 계약을 체결하기도 했다.
대표적인 예로 2023년 ㈜MK전자와 솔더볼 표면의 신규 코팅 소재 개발에 관한 기술이전 계약을 체결했다. 이 기술은 코팅 용액에 카르복실산 (carboxylic acid)계통의 유기첨가물을 넣어 솔더볼의 산화막을 제거하고 산화막 생성을 방지한 것으로, 기존에 사용하던 유해 용매가 화학물질관리법에 의한 규제 중 유독물질로 구분되어 이에 대한 대응방안으로 개발됐다. 이밖에 치의학용 브라켓 복합소재 표면처리 기술 및 접착제에 관한 기술이전에 성공하기도 했다.
“금속튜브형 막대는 높은 표면적을 요구하는 태양전지, 이차전지의 전극에 이용되며 고효율 에너지 생산에 기여할 수 있습니다. 이처럼 신소재 개발은 친환경 기술, 4차 산업혁명 기술에 없어서는 안 될 역할을 하고 있는데요, 앞으로도 연구를 지속해 더 다양한 분야의 소재 개발 성과를 내놓는 것이 목표입니다.”
장 교수는 교수로서 연구는 물론 강의에도 열과 성을 다하고 있다. 아무리 훌륭한 과학자라도 강의를 소홀히 한다면 교수로서 자격이 없다는 생각 때문이다. 실제 회사나 연구기관에서 필요로 하는 인재를 양성하는 것도 기술 개발 만큼이나 중요한 일이다. 앞으로 장 교수가 개발한 기술은 물론 배움을 받은 학생들도 국내 신소재 분야에 많은 보탬이 되리라 기대해본다.