온도 압력 중력 등의 물리적환경을 극한상태로 변화시키면 새로운 현상이 일어나고 새로운 물질이 탄생하게 된다. 미래의 첨단과학은 바로 이러한 조건에서 돌파구를 찾게될 것이다.
과학의 발달로 현대인들은 자연에서 취득해야만 했던 특수소재를 인공적으로 만들고 있으며, 신물질개발을 위해 끊임없는 도전을 계속하고 있다. 인공적으로 만들어진 5만5천 기압의 공간에서 공업용다이 몬드를 생산하고 있으며, 초전도 자석을 이용하여 제트비행기 속도로 서울―부산간을 30분에 주파할 수 있는 시속 1만㎞급의 초고속 자기부상열차도 멀지 않아 실용화될 전망이다. 특히 놀라운 것은 현재까지 정보산업의 중추가 되어 각광을 받고 있는 반도체 분야에 있어서도 초고집적회로의 한계점으로 인식되고 있는 1M DRAM급 이상을 실현시켰으며, 극저온(4.2K)을 만들어 내 전류의 단속에서 오는 동작속도보다 1천배 이상 빠른 조셉슨소자의 개발로 초고속컴퓨터를 실현시킬 수 있게 되었다. 이러한 첨단기술의 혁신과 이를 개발·응용하는 과학산업을 위해서는 기존개념과는 다른 고도의 기술이 요청되고 있으며, 선진국에서는 이러한 분야를 극한기술로 설정하여 연구개발에 박차를 가하고 있다.
실험실을 뛰쳐 나오다
극한기술은 아직까지 우리들에게 다소 생소한 느낌을 준다. 이는 극한기술이 국내에 소개된 역사가 짧을뿐만 아니라 기술체계가 복합적이기 때문이다.
극한기술은 본래 실험기법으로 개발되었으나 그 기술원리가 산업활동에 응용되면서 빠른속도로 발전하게 되었다. 극한기술이 국내에 소개된 것은 80년대 초반이다. 반도체 산업에 초청정 환경과 초청정 작업복이 등장되면서 국내에서의 인식이 점차 확산되기 시작하였다.
극한기술은 일상생활이나 생산공정에서 경험하지 못하는 고도의 환경을 발생시키고, 이를 측정 응용하는 기술이다. 그 대상은 주로 온도 압력 속도 청정도 중력 자장 등이 되고 있으며, 이러한 물리적 조건을 인공적으로 극한상태까지 변화시켜 여기서 발생되는 고도의 현상을 이용하는 기술을 말한다.
극한환경을 창출, 응용하는 극한기술을 영어로는 Advanced Technology로 표현되며 온도를 한계점으로 접근시키는 극저온기술과 초고온기술, 압력을 극한상태화하는 초고압기술과 고진공기술, 공기조화기술의 연장개념으로 불순물이 없는 환경을 만드는 초정정기술과 중력가속도를 최소화하는 무중력기술 등이 있다.
극한기술은 기술개발의 첨단화 경향에 따라 응용분야가 급속히 확대되고 있으며 더높은 기술수준을 요구하고 있어 과학산업의 발전과 더불어 빠른속도로 발전되고 있다.
극한기술을 바탕으로하여 첨단산업에 미치는 영향 및 관련체계를 (그림1)로 나타냈다.
산업 발달과 과학기술의 첨단화 경향에 비례하여 극한기술의 영역도 점차 확대되고 있으며, 근래에 와서는 초고속기술 초가공기술 강자장기술 초미립자기술 초고전장기술등의 응용이 증가되고 있으며 극한기술의 한 분야로 등장되고 있다.
국내에서 연구개발이 활발한 초전도 기술도 극한기술의 일종이라 할 수 있다. 극한기술의 정의는 획일적으로 구분할 수 있는 것이 아니지만, 현재 사용되고 있는 분류개념을 보면(표1)과 같다.
-273℃에서 2천℃까지
극저온기술은 20K(-253℃)이하 저온을 발생 측정 응용하는 기술적 체계로, 헬륨액화시는 4.2K 수준의 극저온을 얻을 수 있다. 극저온 중 1K 이하의 저온을 초극저온으로 구분하고 있으며 이는 -272℃로 절대온도 0K인 -273℃에 근접한 초극저온을 창출하는 기술로 매우 어려운 첨단기술이다. 초고온기술은 2천℃이상을 대상으로 플라즈마 레이저 등을 이용하여 고온을 발생 응용하는 기술체계를 말한다.
초고압기술은 1만 기압 이상의 환경에서 대상물질의 거리를 최소화시켜 같은 부피에 많은 입자들을 집적시켜 초경재료를 만들거나 초고압을 이용한 금속절단 등 고밀도 가공기술이 핵심이 되고 있다. 고진공기술은 ${10}^{-8}$torr(1torr= $\frac{1}{760}$ 기압)이하의 진공도를 말하며, 고진공을 이용한 균일피막처리, 과장적 실험 등에 응용되고 있다.
초청정기술은 휠터류를 사용하여 공간내의 미립자 및 불순물을 제거한 초청정 상태를 유지하여 1f${t}^{3}$당 0.5μ 입자가 1백개 이하로 된 Class 100 수준이상의 공간을 창출, 이용하는 기술을 말한다. 청정실(Clean Room)은 크게 반도체 및 초정밀 부품생산을 위한 산업용과 유전자 교환, 수술실 무균실 등의 의료용으로 구분된다. 현재까지는 반도체 생산 및 비디오 디스크 생산등에 필요한 산업용 청정실이 많은 비중을 차지하고 있다.
무중력기술은 미국과 소련을 중심으로 한 우주개발이 본격화 되기 시작하면서 등장된 기술로 우주선의 발사와 운전에 관한 무중력 환경의 적용기술 및 무중력 환경을 이용한 신물질 제조, 고품위 단결정 제조, 금속진구의 형성 등에 필요한 기술이다. 우리나라도 2000년까지는 통신위성 발사를 계획하고 있어 무중력기술에 대한 체계적인 연구개발이 필요하게 될 것이다. 각 부문에 대해 좀더 자세히 살펴보기로 하자.
■극저온
극저온기술은 발생기술 응용기술 측정기술(진단기술)로 대별된다. 발생기술은 극저온을 창출하기 위한 시스팀개발이 핵심이 되며 스터링냉동기 등의 소형 냉동기류와 헬륨액화기, 헬륨희석냉동기, 자기냉동기 등의 개발이 그 대상이 되고 있다.
극저온 응용분야로는 초전도 자석에 의한 핵융합로 열유체발전 무손실전력저장 자기부상열차 및 선박의 고속추진 NMR-CT(핵자기공명 단층촬영)개발이 하나의 체계를 이루게되며, 조셉슨소자의 개발 응용에 의한 초고속컴퓨터, 초전도양자간섭장치, 무손실 전력송전, 냉동펌프개발 등이 있다.
극저온 측정기술은 초전도재료 저온구조재료의 성능시험분야와 극저온 상태하에서의 물리적 기계적특성 등의 특성평가 분야로 구분될 수 있으며, 극저온측정기술의 발달에 따라 새로운 측정기술 및 기법개발이 확대될 전망이다.
■초고온
초고온기술은 고온을 안정하게 발생시키고 제어하는 초고온발생기술과 초고온상태를 정확히 측정·평가할 수 있는 초고온진단기술 및 초고온을 이용한 재료의 합성 및 가공기술 등을 다루는 초고온응용기술로 분류할 수 있다.
초고온 발생기술은 초고온플라즈마를 발생시키는 기술이 중심이 되어, 방전과 펄스에 의한 플라즈마 발생장치와 레이저장치를 이용한 플라즈마 발생기술로 대별된다. 초고온측정기술로서는 온도·밀도측정을 위하여 고도현상을 이용한 측정방법, 전자파의 플라즈마에 의한 톰슨산란법 분광 분석법 등이 있고, 그외에 열물성측정과 기계적성질을 측정하는 측정기술이 있다.
한편 초고온 응용기술분야는 고효율 가스터빈 개발, 핵융합발전, 신물질합성 등 많은 분야가 있다. 고효율 가스터빈 개발은 터빈 입구온도를 1천4백℃~1천5백℃상승시켜 종합효율 55%를 목표로 하며, 신물질합성면에서는 초합금(Super Alloy)으로 분류되는 신소재를 만들어내는 것이다. 이는 니켈 또는 철을 모재(母材)로 한 합금에 산화이트륨입자를 균일하게 분산시킨것으로 우수한 내열금속이다. 이밖에 초고온응용기술로는 플라즈마를 응용한 표면처리기술이 있다.
■초고압
자연계에는 정압으로 존재하는 정적 초고압상태와 동압으로 존재하는 동적 초고압상태가 존재한다. 지표에서의 대기압은 1기압 정도이며, 심해저는 1천기압, 지구맨틀층에서는 1~10만기압, 지구중심에는 3백60만기압의 초고압이 존재하고 있다. 이것은 자연계에 발생되는 정적 초고압을 의미한다. 운석이 지표에 충돌함에 따라 동적 초고압이 발생되고 그같은 작용에 의해 생성되는 물질이 다이아몬드 비취 등이다.
초고압기술은 이러한 초고압상태를 인위적으로 발생시켜 신물질합성 등에 이용되고 있는 선도적 과학기술로서 최근에는 초고속컴퓨터 우주 해양 및 신재료개발 등으로 응용영역이 점차 확대되고 있다.
초고압기술은 압력을 발생하기 위한 초고압발생기술과 재료의 합성 및 가공을 위한 응용기술, 그리고 초고압측정기술과 이론연구로 크게 구분된다. 첫번째 초고압 발생기술은 압력발생을 위한 초고압용기의 설계·제작, 밸브 튜브 호스의 밀폐기술 등 초고압외부기술과 압축기 증압기 제작을 위한 압축시스팀 기술로 나누어진다.
초고압응용기술은 CBN합성, 인조다이아몬드합성 등 신물질 제조를 위한 초경재료의 합성기술과 금속절단충격파를 이용한 가공기술로 대별된다. 한편 초고압 측정 및 기초이론기술에는 초고압표준을 위한 게이지(guage)개발과 초고압하에서의 물성연구, 소재의 특성분석 등을 통한 기초연구 등이 있다.
■고진공
진공은 공간내에 분자나 이온을 제거하여 대기압보다 낮은 압력의 기체로 구성된 특수 공간 형태이다. 진공기술은 반도체제조나 기계부품의 표면처리 등 생산공정상 필수불가결한 핵심기술이며 또한 기계기술고도화와 직결되는 기초기술이다. 이러한 진공기술의 체계는 우선 진공환경을 위한 발생 및 진공시스팀 기술, 환경의 정도를 측정하는 측정 및 기초기술, 그리고 진공응용기술로 구분된다.
발생 및 진공시스팀기술은 진공도에 따라 초고진공 고진공 저진공을 창출하기 위한 펌프기술, 펌프관련 부품기술, 진공용기 표면처리기술, 용접 정착 등 생산기술, 그리고 광학응용빔(beam)기술을 대상으로 하고 있다.
측정 및 기초기술은 진공도, 진공밀폐율 등을 측정하는 측정기술, 진공시스팀을 평가하는 평가기술 및 설계기술로 구성된다.
고진공 응용기술은 이온주입식표면처리, 플라즈마 에칭 등의 반도체기술, 박막(薄膜)기술, 표면과학기술, 고순도의 고급소재 제조를 위한 진공야금기술과 제품기술, 그리고 가속기기술 등으로 분류할 수 있다.
■초청정
공기청정화를 기본으로 하는 초청정기술은 산업의 정밀화 경박단소화 고순도화 경향에 따라 급속히 발전되고 있는 기술이다. 청정실기술은 공기중의 미립자, 가스상물질, 액상입자, 방사선물질, 세균 등을 주로 필터로 제거하여 온도 습도 압력 소음진동 등을 일정한 조건으로 유지되도록 조절할 수 있는 특정한 공간을 보존하는 기술이다.
이러한 청정 기술체계는 환경조성을 위한 발생기술, 환경의 정도를 측정하는 측정기술 그리고 환경을 응용하는 기술로 분류된다.
발생기술은 부분청정장치 초청정장치 등의 온도·습도를 조절하기 위한 설계 및 제작기술과 자동무인화기술, 멸균제어 청정실 제어 등 제어기술을 대상으로 하고 있다.
측정기술은 초순수계측 입자계측 입자계측교정기술 등으로 구성된다.
응용기술은 반도체 정밀화학 의약 생명공학 등의 분야의 관련장치 및 물질제조기술 등이 주요 대상이다.
■무중력
무중력기술도 크게 발생기술 응용기술 측정기술로 구분할 수 있다.
발생기술은 자유낙하기구 자유낙하탑 초강자석발생 항공기 및 로킷기술 등이 있다. 응용기술에는 우주환경극복기술 무중력환경적용기술 등의 우주환경극복기술, 거대고품질단결정 고순도물질 진구의 제작 등 무중력에서의 신물질제조기술 혼합물의 정밀분리 및 정제, 우주공장용 장치류 등의 우주공장 관련기술, 그리고 생체기원 물질 밀 유전자합성기술이 있다. 측정기술에는 선가속도를 이용한 무중력 측정기술, 진동주기법에 의한 측정기술, 그리고 무중력상태에서 필요한 환경 제작을 위한 특수재료의 평가기술 등이 있으며 기술수단도 점차 확대될 전망이다.
