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첨단 건설 재료 설계기술 확보를 위한 나노 스케일 소재 평가 방법 연구

▲ 윤태영 KICT 도로교통연구본부 연구위원

첨단 분야에서의 소재 개발 연구 방법

소재 개발 기술 경쟁력에서 정확성과 신속성이 핵심적인 요소로 평가되는 바이오, 화학, 반도체나 배터리를 포함하는 첨단소재 분야에서는 과거 실험적 시행착오에 의존하는 방법에서 벗어나 계산과학과 소재정보학(material informatics)을 활용한 소재 개발 방법이 적극 활용되고 있다. 이러한 방법은 소재의 명칭이나 조성과 소재의 물성 사이의 연관성을 확인하는 기존의 단순한 회귀 분석 방법이 물질을 구성하는 분자구조의 특성, 조성, 상호작용을 활용하여 소재의 물성을 예측하는 정량적 구조-물성 상관관계(Quantitative Structure and Property Relationship, QSPR)를 정립하는 방법으로 대체된다. 회귀 분석을 활용하는 방법은 회귀모형 개발을 위한 데이터베이스를 구축하는 데 활용되지 않은 소재는 물성 예측 대상이 될 수 없으나, QSPR을 활용하는 방법은 데이터베이스 구축에 활용되지 않은 소재이더라도 유사한 분자구조를 가지고 있거나 분자결합 특성이 데이터 베이스 구축에 활용되었다면 물성 예측이 가능하다는 큰 차이가 있다. 그림 1은 소재 개발을 위한 전통적 연구 개발 방법론과 최근 활용되고 있는 연구 개발 방법론의 차이와 관련성을 개념적으로 나타낸다.

최근 소재 개발 연구는 과거와 다르게 실험을 통해 제한적으로 얻어진 자료만을 활용하지 않는다. 소재 개발에 활용될 대상 소재의 분자구조와 조성을 활용하여 분자 사이의 결합과 분리에 필요한 에너지를 분자동역학이나 양자역학을 활용하여 계산하며, 이들 역학적 이론은 밀도, 탄성계수, 점도, 용해도, 부착력 등의 역학적 물성 계산에도 활용될 수 있다. 그림 2는 분자동역학이나 양자역학을 활용하는 경우, 소재 내 비결정구조와 결정구조 사이에서 발생하는 상호작용의 결과로 나타나는 용해도나 부착력을 나타낸다.

건설 소재에 대한 나노 스케일 소재 개발 방법 활용

최근 안전에 대한 높아지는 요구 수준에 따라 건설 재료의 구조적 또는 기능적 적정성을 평가하는 방법은 더욱 세분화되고 있다. 또한 건설 재료가 환경에 미치는 영향이나 건설 재료의 성능 향상에 대한 관심도 증가하여 새로운 재료를 개발하기 위한 과정이 복잡해지고 있다. 예를 들어, 과거 도로포장에 사용되는 재료인 아스팔트 바인더를 평가하는 방법으로 간단한 공학적 물성이 활용되었지만, 1987년 미국의 연구 프로그램이 제안된 이후에는 복잡한 장비나 이론적 이해를 요구하는 점탄성이나 탄성 회복력과 같이 역학적 물성이 활용되고 있다. 또한 도로에서 융설 기능 확보를 위하여 탄소나노튜브나 흑연과 같은 발열 소재들이 첨가제로 고려되는 등 향후 소재나 부재의 성능을 평가하기 위한 실험의 복잡도는 더욱 높아질 것으로 예상된다. 다양한 기능을 포함하는 복잡도 높은 소재는 실험 방법이나 절차에 따라 평가 물성이 민감하게 달라지는 경향이 있다. 따라서 이러한 방법이나 절차에 따른 문제를 보완하기 위한 노력으로 실물 크기의 부재에 대한 실험적 평가가 선호되는 등 평가를 위한 시간과 비용이 크게 증가하고 있다.

소재의 나노 스케일 분자 구성과 조성을 활용한 계산 데이터를 중심으로 물성을 예측하는 나노 스케일 소재 평가 방법은 시간과 비용 측면에서 상대적으로 효율성이 매우 높은 방법이다. 그림 3은 도로포장에서 사용되는 아스팔트 혼합물에 대하여 분자동역학을 활용할 때 재료와 첨가제의 종류 및 노화 영향과 수분 함량 등 고려할 수 있는 다양한 정성적 변수를 나타낸다. 이러한 정성적 변수는 분자구조의 조성 등 특수한 정량적 정보로 세분화되고 용해도, 부착에너지, 인장강도, 점도, 탄성계수 등의 물성과 함께 기계학습에서 활용되어 학습에 활용되지 않은 새로운 건설 소재를 설계하거나 새로운 설계의 물성을 예측하는 데 활용된다.

나노 스케일 건설 소재 개발 방법과 건설 소재 기술의 미래

과거 우리나라의 건설 기술 개발 전략은 당시 선진국의 기술을 빠르게 받아들여 내재화하는 빠른 추종자(fast follower)전략을 활용하였다. 이러한 빠른 추종자 전략은 빠른 결과나 성과를 기대하는 국내 문화 특성, 국가 예산 규모의 제약과 문화 특성에 따른 경제성 중심의 선택과 집중 논리, 국내 건설 시장의 확장성 한계에 따라 앞으로도 유지될 것으로 예상된다. 그러나 정보의 일반화와 융합적 과학기술 개발 방법론의 보편화에 따른 분야별 장벽이 낮아지고 있는 상황에서 건설 분야 기술 개발에서 여전히 시스템 통합 역할만이 강조될 수는 없다. 주로 국가를 대상으로 수행되는 건설 분야에서 시민에게 필요한 핵심 기술을 적시에 효율적이고 안정적으로 제공하기 위해서는 부가가치가 높지 않거나 전문성에 대한 진입장벽이 높아서 다른 분야에서 접근하기 어려운 건설 분야에서의 기술 개발이 필요하다. 균질성이 낮고 복잡한 환경에서 활용되어 다른 분야에서 접근하기 어려운 나노 스케일 건설 소재 개발 기술이 성공적으로 구체화되면 건설 분야에서 핵심 기술을 포함한 시스템 통합의 좋은 사례가 될 수 있을 것으로 전망된다.