KIGAM 한국지질자원연구원

광물자원으로 만드는 꿈의 소재

희유자원활용연구실 최지혁 박사

물질의 크기를 생각해 보자. 하나의 덩어리는 자신보다 더 작은 덩어리와 함께 어우러져 있다. 더욱 자세하게 살펴보면, 우리 눈으로 확인할 수도 없는 ‘나노’ 세상이 펼쳐질 것이다. 기술은 눈으로도 확인할 수 없는 나노 크기(nm, 10억분의 1m)의 물질을 활용해 다양한 물건을 만들었다. 작은 크기의 재료이지만, 재료가 지닌 파급 효과는 매우 크다. 전자·광학·에너지·우주항공·의학 등 모든 산업 분야에 응용이 가능하며, 막대한 경제적·기술적 파급효과도 창출할 수 있다. 

최지혁 박사는 광물자원으로 나노 입자를 개발하는 연구를 한다. 나노 입자를 소재화하고, 어떻게 활용할지 연구한다. 그는 최근 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 연구 성과를 게재하는 쾌재를 얻었다. 보람찬 연구, 헛되지 않은 노력으로 결실은 찬란하게 빛났다.

믿을 수 없게 작은 ‘나노’

나노는 10억분의 1을 나타내는 단위다. 사람의 머리카락 굵기가 0.007~0.008m 정도이고, 사람이 눈으로 확인할 수 있는 물질의 최소 크기는 0.1mm 정도다. 나노 크기는 머리카락보다 8만 배나 작다. 이처럼 나노의 특징은 눈으로 전혀 볼 수 없을 정도로 ‘작다’는 것이다. 

일반적으로 물체는 하나의 물질을 깎아 원하는 모양으로 다듬어 만든다. 또는 레고 블록처럼 분자를 하나하나 쌓아 조립해 만들 수도 있다. 이처럼 나노를 잘 이해하고 조작할 수 있다면, 새로운 물체를 다양한 방식으로 만들 수 있다. 나노 입자를 어떻게 배열하고 조합하느냐에 따라, 나노 입자를 활용할 수 있는 방안이 많다. 특히 나노 입자는 LCD(Liquid Crystal Display)같은 첨단 전자 산업에서 각광받는다. 최근 나노 입자는 활용이 쉬운 박막(Thin Film) 형태로 제작할 수 있어, 차세대 핵심 소재로 주목받고 있다. 

최지혁 박사는 ‘천연광물’과 ‘희유자원’을 이용해 나노 소재를 개발하는 연구를 수행하고 있다. 다양한 나노 소재를 광물에서 얻는 연구이다. 연구는 광물을 다루는 일부터 시작된다. 우선 광물에서 나노 입자를 추출한다. 추출한 나노 입자는 순도를 높여 고부가가치 자원이 될 수 있도록 재가공한다. 한 단계 더 나아가 그래핀에 나노 입자를 합성하는 연구도 진행 중이다. 

“그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 얇은 막 형태의 나노 소재입니다. 예로 들어 연필심의 재료인 흑연은 탄소가 층으로 쌓여 있는 ‘단일층’ 구조입니다. 바로 이 흑연의 한 층을 ‘그래핀(Graphene)’이라 부르죠. 그래핀은 전기가 잘 통하고, 열전도성이 높아 신소재로 주목받고 있어요. 바로 이 그래핀과 광물자원의 나노 입자를 융합해, 새로운 에너지 소재를 만드는 연구를 하고 있습니다.”

‘스핀코팅’으로 빠르고 저렴하게 

최지혁 박사는 부지런한 연구자다. 희유자원연구실에 소속되어 다양한 연구를 수행할 뿐만 아니라, 꾸준하게 개인 연구에도 박차를 가하고 있다. 작년에는 밤 10시 이전에 퇴근한 경우가 손에 꼽을 만큼 적었다고 한다. 그 덕분에 최근, 최지혁 박사는 플렉서블 디스플레이(Flexible Display) 등 첨단 전자 산업의 핵심 소재인 박막 트랜지스터(TFT)의 모든 구성 요소를, 시간이 오래 걸리지 않고 저비용으로 구현할 수 있는 기술을 개발했다. ‘스핀코팅’이라는 기술로, 돌아가는 기판에 나노 입자 용액을 뿌려 막을 만드는 방식이다. 쉽고 간단할 뿐만 아니라, 비용도 적게 든다. 

“컴퓨터, TV, 스마트폰, 태블릿 PC는 ‘디스플레이(Display)’가 필요한 기기입니다. 디스플레이 제조 공정에 사용하는 핵심 부품이 바로, TFT이죠. TFT는 이미지를 구현하는 최소단위인, ‘픽셀(Pixel)’의 색상 밝기를 조절하는 역할을 해요. 

현재 TFT 제작에는 ‘진공증착’을 사용합니다. 산소(O2)를 제거하기 위해 진공 상태에서 진행해요. 진공 상태에 물질을 넣고, 물질을 증발시킵니다. 이때 증기가 발생하는데, 그 증기로 기판 표면에 얇은 박막을 입히는 방식입니다. 진공상태에서 금속을 증발해야 하니 고온이 필요하고, 장비가 매우 고가라는 단점이 있죠. 스핀코팅처럼 간단하면서 저가인 공정은 유기재료로만 가능할 거라 생각해요. 하지만 스핀코팅은 무기재료로도 가능하죠. 진공증착만큼 성능도 우수해요.”

최지혁 박사는 진공증착이 아닌, 새로운 기술을 구현하고 싶었다. 그저 고착화된 방식을 바꾸고 싶었다. 그뿐이었다. 진공증착은 워낙 오랜 기간 활용해 온 방식이라, 신뢰성도 높고 최적화되어 있어 많은 산업현장에서는 이를 고수하는 편이다. 때문에, 진공증착을 뛰어넘기 위해서는 품질이 우선되어야 했다. 

“스핀코팅은 돌아가는 기판에 용액을 뿌려 막을 형성하는 기술입니다. 즉, 기판을 고속으로 회전시켜 원심력으로 용매를 증착하는 기술입니다. 고온이 아니어도 되고, 비용이 많이 들지 않아 효율적이죠. 다양한 첨단 산업의 재료로 사용하려면 ‘품질’이 좋아야 하는데, 진공증착과 비교해도 품질이 다르지 않았어요. 스핀코팅으로 제조한 금속전극, 절연막, 반도체막의 특성이 매우 우수했죠. 스핀코팅으로 제작한 TFT의 성능 역시 매우 좋았어요. 따라서 고성능, 고화질이 필요한 LCD, 핸드폰과 같은 기술에 접목할 수 있을 것으로 기대됩니다.”

이번 기술의 가장 큰 장점은 가격이 저렴하고 시간이 적게 든 다는 것이다. 따라서 스핀코팅을 상용화할 수 있다면, 전자 소자의 전 구성 부품을 제조할 수 있을 것이라는 기대도 있다. 

“나노 입자의 합성과 응용 연구는 이미 희유자원활용연구실에서 진행하는 연구였습니다. 그래서 다양한 아이디어를 쉽게 접근하고, 어렵지 않게 도출할 수 있었죠. 무엇보다 격려와 도움을 아끼지 않았던 실원들 덕분에 결실을 맺을 수 있었습니다”

지치지 않는 연구 

최지혁 박사는 하고 싶은 연구도 많고, 앞으로 해야 할 연구도 많다고 했다. 그래서 지금까지 그래 왔듯, 연구과제뿐만 아니라 관심 있는 연구에도 서슴없이 도전할 것이다. 

“마무리가 항상 중요한 것 같아요. 좋은 기술이 세상에 나왔어도, 상용화되지 않고 흐지부지 사라지는 경우가 많거든요. 이번 기술이 상용화할 수 있으려면, 제가 해야 할 일이 아직도 많이 남아있습니다. 나노 입자의 크기를 조절해야 하고, 품질을 더욱 향상해야 하죠. 조금 더 박차를 가해 좋은 연구 결과가 나올 수 있도록 노력하겠습니다.”

최지혁 박사가 꿈꾸는 결과가, 그의 노력과 열정이 더해져 빛나는 순간이 오길 기대해 본다.