노트북 컴퓨터나 MP3 플레이어를 감싸는 재료의 가장 중요한 특징은 무엇일까. 외부의 충격에 노출되어 있기 때문에 튼튼해야 하고 이동이 쉽도록 가벼워야 한다. 그래서 해마다 새로운 신소재로 무장한 신제품이 쏟아져 나온다.



신소재 가운데 최근 각광을 받고 있는 것이 폴리카보네이트이다. 이 소재는 가볍고, 성형성이 좋고, 발열효과까지 뛰어나 고급형 노트북에도 널리 쓰인다.



폴리카보네이트는 플라스틱이지만 부수거나 깨지기 어려운 성질을 지닌 비정질 플라스틱이다. 플라스틱처럼 가벼운데다 강성이 뛰어나 충격에 강하기 때문에 방탄소재로도 활용된다. 그렇다면 폴리카보네이트가 잘 깨지지 않는 이유는 무엇일까? 그것은 바로 불규칙성이다.



주변에서 흔히 볼 수 있는 일반적인 소재는 구성 원자가 주기적으로 배열되어 있는 결정질 재료다. 이것은 원자 배열의 규칙성 때문에 그 방향으로 적당한 힘이 가해지면 깨지기가 쉽다. 그러나 폴리카보네이트와 같은 비정질 구조의 재료는 방향성없이 무질서하게 구성되어 있어 결정질 재료에 비해 강성이 뛰어나다. 비정질 재료는 1930년대 발견된 이후 부식과 마모에도 강하다는 장점이 많이 드러났다.



최근 세계적으로 이런 비정질 재료를 인위적으로 조작해 새로운 합금을 개발하는 연구가 진행 중이다. 문제는 새 합금의 형성능이 낮다는 것. 일본과 미국의 연구팀이 1990년 들어 1mm의 두께를 갖는 니켈합금을 만들었지만 아직은 얇은 철사에 불과했다. 두께를 갖는 덩어리를 만들 수 있어야 자동차나 다리와 같은 대형 구조물에 쓸 수 있으니, 이제 합금개발의 걸음마를 뗀 데 불과했다.



연세대학교 김도향 교수는 이 문제를 뛰어 넘는 결과를 냈다. 1998년부터 준결정재료연구단을 이끌면서 비정질 재료를 연구한 김교수는 2002년 두께 10mm의 니켈합금을 만드는데 성공했다. 이 합금은 기존 합금에 비해 강성이 3배나 뛰어난데다 부식에 강한 특성을 가졌다. 게다가 기존의 주조법에서도 쉽게 제조가능하고, 고온에서 복잡한 형상의 부품을 성형할 수 있어서 학계의 주목을 끌었다.



김교수의 연구결과에 관심을 보인 곳은 미공군연구소. 차세대 전투기에 쓸 가볍고 튼튼한 소재를 찾던 미공군연구소가 2002년 김교수팀에 제안해 와 현재 공동연구를 진행하고 있다.



이렇게 만든 비정질 합금은 주성분이 한가지 재료일 때보다 복합성분일 때 더 강하다. 서로 다른 성질의 비정질 재료를 복합해서 만들면 더 단단하게 결합된 합금을 얻을 수 있다. 최근 김교수는 지르코늄과 이트륨을 이용해 기존의 단일재료 합금에 비해 강성이 뛰어난 비정질 복합재료를 만드는데 몰두하고 있다.

[과학기자협회 미디어리소스발굴자료]