d라이브러리

아모르포스금속으로 만든 지름 1㎝짜리 철사는 탱크를 들어올린다. 또 스테인리스 보다 녹을 싫어하는 성질을 가진 것도 있다.

요즈음 FM라디오를 들어 보면 매우 음질이 좋은 곡은 대부분 컴팩트 디스크(CD)를 사용하여 방송하고 있다. 이 디스크는 전에 사용되던 LP음반과는 달리 핀이 디스크에 접촉하지 않고 레이저(laser)라는 광선을 이용, 기록된 신호를 재생함으로써 잡음이 없는 깨끗한 음질을 얻을 수 있는 것이다.

같은 원리로 소리가 아닌 화면을 깨끗이 재생하는 컴팩트디스크도 이미 상품화 되어 있다. 점차 많은 사람들이 텔리비전과 연결하여 양질의 화면과 음악을 동시에 즐기고 있는 것이다. 그러나 종래의 컴팩트디스크는 화상을 재생만 시킬 수 있을 뿐 자기가 원하는 영상을 카메라로 찍을 수는 없었다. 즉 VTR테이프와 같이 녹화시커거나 지울 수 없는 큰 약점이 엄존했다.

그래서 최근 10여년 동안 과학기술자들은 VTR과 같이 사용하고 지울 수 있는 컴팩트디스크의 개발에 심혈을 경주, 작년에는 광자기디스크로 불리는 혁신적인 신제품을 개발하였다. 이 광자기디스크를 개발하는데 일등 공신이 바로 아모르포스재료이다.

버스 안의 사람들처럼

최근 재료분야에는 혁신적인 성능을 지닌 신소재 하나가 각광을 받고 있다. 그 새로운 재료가 아모르포스(amorphous)재료이다. 'amorphous'란 단어는 사전을 찾아보면 '무정형의, 특성이 없는, 무조직의'란 의미이다. 학술적으로는 '비결정의'란 뜻을 가지고 있다. 즉 아모르포스 재료란 '결정구조를 가지지 않은 재료'란 의미를 나타내고 있는 것이다.

이 재료는 현재 일상생활에 많이 쓰이는 보통의 재료들보다 매우 강하고, 녹이 잘 슬지 않는다. 또 획기적인 자기적성질과 반도체성질을 보유하고 있다.

용도가 날로 다양해지고 있으며 새로운 재료를 개발할 수 있는 가능성이 풍부하다. 그래서 '꿈의 재료'라고도 일컬어지고 있는 것이다.
우주에 존재하는 모든 물질은 원자라는 최소의 입자로 구성되어 있는데, 이 원자들이 서로 얼마나 가까이 있는가에 따라 기체 액체 고체상태로 구분된다. 즉 원자들이 서로 멀리 떨어진 상태가 기체상태이고, 좀더 가까워지면 액체상태가 되고, 밀집하여 움직이기 어려워지면 고체상태가 된다.

그런데 고체상태는 다시 둘로 나뉘어 진다. 잘 정열된 군대와 같이 원자들이 규칙적으로 배열되어 있는 결정상태와 만원버스 안에 있는 사람들처럼 무질서하게 원자가 배열되어 있는 아모르포스(비정질)상태로 분류되는 것이다.

물질의 아모르포스상태는 고체를 다루는 물리학에서 최후까지 남은 미개척분야다. 따라서 이에 대한 과학자들의 관심은 뜨겁다. 또 이 상태의 구조를 가진 아모르포스재료는 기술적으로 이용할 가치가 매우 크므로 많은 과학기술자들이 이 분야에 대한 연구를 활발하게 추진하고 있다.

전지없는 계산기에 활용돼

복사기문화라는 말이 있을 만큼 현재 관공서 회사 학교 등에는 거의 예외 없이 복사기가 비치돼 있다. 그러나 복사기의 기능을 바로 아는 사람은 적다. 복사기에서 가장 중요한 역할을 하는 곳은 회전드럼이다. 이 드럼의 표면에 얇게 증착되어 있는 감광성막이 복사 기능을 갖는 것이다.

이미 1940년대에 미국에서는 복사기의 개발을 위해 심혈을 기울였다. 그러나 이 감광성막에 적합한 재료를 찾지 못해 고심하고 있었다. 이 때 샤터트(Shattert)란 사람이 아모르포스 셀렌을 이용하는 고안을 하였다.

1950년 제록스사가 이 재료를 사용한 복사기를 처음 선보인 후 복사기하면 제록스라고 부를 정도로 사무기기의 일대 혁명을 가져오게 되었다. 말하자면 아모르포스 셀렌 열풍이 분 것이다. 결국 아모르포스 셀렌은 아모르포스 반도체를 제품에 사용한 최초의 재료가 되었다.
이후 아모르포스 반도체의 하나인 칼코게나이드유리가 1973년에 개발되어 텔리비전의 카메라 촬상관으로 활용되었다. 또 1976년에는 아모르포스 실리콘을 사용한 태양전지가 등장하였다. 이렇게 발전을 거듭한 결과, 현재는 전지를 사용할 필요가 없는 계산기 시계 등에 아모르포스 반도체가 널리 사용되게 되었다.

최근까지 많은 과학기술자들은 아모르포스상태의 금속을 만드는 것이 불가능하다고 생각하고 있었다. 하지만 이러한 생각은 1960년 미국 캘리포니아 공과대학의 폴 듀에즈(Pol Duwez)교수팀의 역사적인 연구에 의해 깨어졌다. 그런데 이 연구에는 재미있는 일화가 있으므로 간단히 소개해보고자 한다.

당시 듀에즈교수 밑에는 클레멘트(Klement)와 윌렌스(Willens)라는 박사과정 학생들이 있었다. 그들 3사람은 금과 실리콘(Si)을 섞어 만든 액체금속을 구리 냉각판에 분출시켜 새로운 결정금속을 만드는 실험을 하고 있었다. 그러던 어느날 이 금속들의 X레이 조사 결과, 금속이 아닌 유리와 비슷한 원자구조를 가진 물질들을 발견했다.

처음에는 실험을 잘못하여 이상한 물질이 섞였을 것으로 생각했다. 그러나 계속 조사한 결과, 이 물질들에는 보통의 결정상태와 다른 아모르포스상태를 가진 물질이 있다는 것을 확인하고 논문을 통해 발표하였다.

이 연구결과는 발표 즉시 재료과학자들에게 센세이션을 불러 일으켰고, 듀에즈교수는 이 최초의 발견으로 인해 이 분야의 선구자가 되었다. 그후 수천명의 과학자들이 아모르포스금속에 관한 연구에 참여, 현재까지 약 5천편의 연구논문이 나오고, 수만 가지의 아모르포스금속들이 발견되고 있다.

1초에 1조℃ 냉각시키면

지금까지 알려지고 있는 아모르포스재료의 제조방법은 수십가지나 된다. 제조방법에 따라 재료의 모양도 달라진다. 긴 리본형, 가는 선, 분말 그리고 매우 얇은 박막 등 다양한 모습을 갖추고 있는 것이다. 그렇지만 제조원리로 보면 3가지로 구별된다. 액체금속을 1초당 약 1백만℃로 매우 빠르게 냉각시키는 방법(액체급냉법), 재료를 기체상태로 증발시켜 점차 두껍게 퇴적시키는 방법(기상퇴적법), 고체금속 속에 수소와 같은 가스를 강제적으로 넣거나 금속분말들을 서로 강하게 마찰시키는 방법(고상반응법)등이 있는 것이다. 현재아모르포스금속 제조에는 세 방법이 모두 사용되고 있고, 아모르포스반도체 제조에는 기상퇴적법만이 사용되고 있다.

액체급냉법은 듀에즈교수팀이 원리를 개발한 방법이다. 그러나 현재 제품생산에 쓰이는 기술은 그후로 개량된 것이다. 금속을 녹인 후 매우 빠르게 회전하는 구리로 만든 롤에 질소나 아르곤가스를 분사시키는 게 이 기술의 요체다. 그러면 두께 약 20~70μ(1μ은 0.001mm)의 매우 긴 리본을 만들 수 있다. 반면 회전하는 물 속에 금속액체를 분사하면 약 1mμ 직경을 가진 긴 선이나 분말을 제조할 수 있다.

기상석출법은 재료를 고온의 플라즈마 상태로 기체화시킨 후, 원자들을 한층한층 쌓아 나가는 방법이다. 주로 스퍼터링(Sputtering)이라 불리는 정교한 기술을 활용하는데, 매우 얇은 박막의 제조에 많이 사용되고 있다.

그러면 모든 재료를 아모르포스화할 수 있을까? 이론적으로는 모든 재료를 녹이거나 기체화시킨 뒤 1초에 1조℃(${10}^{12}$℃/초)의 냉각속도하에서 고체로 만들면 아모르포스상태를 얻을 수 있다. 그러나 이렇게 어마어마한 냉각속도는 실제로 만들기가 거의 불가능하다. 때문에 보다 느린 냉각속도에서 아모르포스상태를 얻을 수 있는 재료성분에 관한 연구가 활발히 진행중이다.

또 많은 과학자들이 연구한 결과, 아모르포스재료는 구성원소의 원자반경이 크게 차이나거나, 서로 강하게 화학적으로 결합하는 원소들로 이루어져야 한다는 것이 밝혀지고 있다.
그러면 아모르포스재료가 어떠한 성질을 갖고 있고 어디에 쓰이는가 살펴보자.

철골보다 5배 강해

철에 크롬과 탄소를 섞어 아모르포스금속을 만들면 그 강도는 고층빌딩의 구조물로 쓰이는 철골의 5배 정도가 된다. 이 정도의 강한 아모르포스금속으로 지름 1cm의 철사를 만들면 '지상의 왕자'라는 탱크도 거뜬히 들어 올릴 수 있는 것이다. 이러한 강한 성질을 이용하여 현재 골프채 낚시대 등을 만들고 있다. 또 타이어 칼 스프링으로도 활용할 목적으로 연구중에 있다.

컴팩트디스크를 넘어서
 

아모르포스금속이 지닌 여러 우수한 성질중에서도 가장 주목받고 있는 것은 탁월한 자기적 성질이다. 이 성질은 아모르포스의 무질서한 원자구조에 의한 독특한 것이다. 따라서 재료공학자들은 오래 전부터 이 성질을 주목해 왔고, 실제로 아모르포스금속 중 최초로 상품화된 레코드카트리지도 이 성질을 이용한 것이다.

이어 워크맨과 같은 포터블 카셋 녹음기, 고급 오디오의 헤드(head)에도 아모르포스금속이 끼어 들었다. 최근에는 고성능 VTR인 슈퍼 VHS VTR에도 아모르포스금속을 사용하고 있다.

실제로 아모르포스금속을 써서 헤드를 만들면 매우 민감한 소리를 들을 수 있고 잡음도 거의 없다. 또 매우 선명한 화면을 얻을 수 있는 장점도 가지고 있다. 따라서 앞으로는 고급 녹음기, VTR 뿐만 아니라 기억용량이 지금보다 몇 배나 큰 컴퓨터에도 사용될 전망이다.

서두에서 잠깐 언급했던 것처럼 컴팩트디스크의 대체물로 떠오르는 광자기디스크도 아모르포스재료를 사용한다. 여기에 쓰인 아모르포스재료는 희토류원소로 불리는 터비움(Tb)와 철(Fe), 그리고 코발트(Co)를 혼합한 매우 얇은 박막이다.

그 원리는 회전하는 광자기디스크에 직경 1μ 정도의 레이저광선을 쬐어,물리적인 접촉없이 필요한 신호를 수직기록방식이란 새로운 기술로 기억시키는 것이다. 요컨대 레이저광선에 대한 기억부의 반사 투과 회전의 특성차이를 이용,음과 화면을 생생하게 재생하는 것이다.

광자기디스크는 아직 가격이 비싼 게 흠이다. 따라서 가정에 보급되기까지는 몇 년이 더 걸릴 것으로 전망된다. 하지만 대량의 정보를 기억할 수 있고, 매우 선명한 화면과 소리를 재생시킬 수 있기 때문에 미래의 컴퓨터 VTR 등에는 필연적으로 사용될 것이다. 아마도 2000년 경의 사무실 학교 공장 가정에는 이 광자기디스크를 사용한 여러 사무기기와 생산기계들이 가설될 것이다. 그래서 이들이 컴퓨터나 통신망과 연결되어 고도의 정보시스팀을 이룰 것으로 보인다.
 

변압기와 센서로도

철도나 도로변의 전신주에는, 발전소나 변전소에서 보내오는 전기의 전압을 낮추기 위한 변압기가 많이 설치되어 있는 것을 볼 수 있다. 그런데 현재 국내의 변압기 속에는 규소강판이라는 전자석판이 들어 있다.

그러나 선진국의 전신주에는 아모르포스금속이 내장돼 있다. 아모르포스금속을 멍석처럼 둘둘 말아서 만든 아모르포스 변압기를 제품화하고 있는 것이다. 이 새로운 변압기는 아직 가격이 비싸 많이 보급되지는 못하고 있다.

하지만 곧 수요가 늘 것이다. 아모르포스 변압기는 전력의 손실이 매우 적기 때문이다. 앞으로 가격만 어느 정도로 싸진다면 대형의 전력용변압기부터 소형의 컴퓨터용 스위칭전원에 이르기까지 널리 쓰일 것은 분명하다.

한편 선진국의 도서관 대형 슈퍼마킷 입구에는 도난방지기가 많이 설치되어 있다. 이 기계는 물건을 몰래 가져나오면 경보음을 발생시켜 점원이 금방 알수 있도록 설계되어 있다. 여기에서 핵심역할을 하는 센서재료로 쓰이는 것도 아모르포스금속이다. 이 외에도 아모르포스금속은 초음파센서 압력센서 서리 및 거리센서 등 각종의 센서들에 사용되고 있다.

아모르포스금속 중에는, 현재 잘 녹슬지 않는 금속으로 유명한 스테인리스강보다 더 녹을 싫어하는 금속이 있다. 이 금속은 철 크롬 몰리브덴 탄소 등의 성분을 포함하는 아모르포스금속인데 황산염산과 같은 강한 산에도 잘 녹슬지 않을 정도다. 이런 장점때문에 내(耐)부식성이 요구되는 화학탱크 염료저장탱크 등에 장차 유용하게 쓰일 것으로 예상되고 있다.

만약 이러한 아모르포스금속을 가공하고 용접할 수 있는 새로운 기술이 개발된다면 여러 공업용 용기분야에 새로운 재료혁명이 일어날 것이 확실하다.

태양전지의 효율을 높이는 열쇠로

주지하다시피 현재 우리 인류가 에너지원으로 주로 활용하고 있는 것은 석탄 석유와 같은 화석원료다. 이밖에도 물을 이용하는 수력발전, 원자력의 거대한 힘을 이용하는 원자력발전에서 생기는 전기도 있다.

그런데 석유나 석탄은 한계가 있다. 지구에 일정량 매장되어 있는 광물을 캐내어 쓰고 있기 때문에 앞으로 1백년 정도 쓰면 고갈될 것이다. 반면 원자력발전은 값싸고 원료도 풍부하지만 방사능오염이라는 심각한 문제가 뒤따른다. 또 수력발전은 물의 양에 한계가 있어 산업용으로 요구되는 전기를 충분히 공급할 수 없다.

과학자들은 이러한 문제를 해결하지 위해 두 방법을 제안했다. 그 하나는 태양에서 오는 무한정의 에너지를 이용하는 방법이고, 다른 하나는 수소폭탄의 원리를 이용한 핵융합발전이다. 두 방법 모두 막대한 에너지를 공급할 수 있다. 게다가 지구를 오염에 빠지게 하거나 인체에 해를 주지 않기 때문에 더욱 유리하다.

태양에너지를 이용하는 방법은 2가지가 있다. 태양광을 일정한 지점에 접속시켜 높은 에너지를 얻는 방법과 태양광을 바로 전기로 바꾸는 (광전변환이라 한다) 방법이 그것이다. 여기서 후자, 즉 광전변환을 응용한 제품이 태양전지인데, 태양전지의 제조에는 아모르포스실리콘이란 반도체가 매우 많이 쓰이고 있다.

이 태양전지에서 성공의 중요한 관건은 빛을 얼마나 효율적으로 전기로 바꿀수 있느냐하는 점이다. 그런데 현재 소형 전자계산기 손목시계 등에 쓰는 아모르포스실리콘은 효율이 10%정도에 불과하다. 따라서 태양전지에 남아있는 숙제는 낮은 효율을 어떻게 하면 높일 수 있는가 하는 점이다. 이 숙제를 풀기 위해 현재 많은 물리학자와 재료공학자들이 활발하게 도전하고 있다.

아모르포스반도체의 활용범위는 태양전지에 국한하지 않는다. 예컨대 트랜지스터 집적회로 전자사진 전자복사기 초고속프린터 등에도 쓸 수 있는 것이다.

모든 재료로 만든다.
 

아모르포스재료는 수없이 많다. 즉 몇가지로 한정되어 있는게 아니다. 아모르포스상태라는 원자구조를 가진 모든 재료를 포함하고 있는 것이다. 때문에 그 종류도 다양하고 쓸 수 있는 용도도 거의 무한하다고 볼 수 있다.

작게 보면 몇 십개의 원자들이 모인 초미립자부터 매우 큰 구조물에 이르기까지 사용할 수 있다. 또 재료종류로 보아도 다양하기 그지없다. 금속에서부터 세라믹스 반도체 유기물 복합재료 등 모든 재료로 아모르포스재료를 만들 수 있는 것이다. 이러한 무한한 잠재력을 인정하여 아모르포스재료를 '꿈의 재료'라고 부르기도 한다.

우리 나라의 대학 연구소 기업체 등에서도 아모르포스재료에 관심을 가지고 여러 가지 연구개발을 시도하고 있다. 그 결과 점차 우수한 연구결과들이 나오고 있는 상태이다.

완전히 새로운 재료를 만들기 위해서는 과거 알고 있는 지식과는 다른 창조적인 사고가 필요하다. 또 끊임없이 연구와 실험에 몰두할 수 있는 정신력도 요구된다. 아모르포스금속 개발에도 이 원칙은 결코 예외일 수 없다.
독자들도 아모르포스재료와 같이 앞으로 새로운 재료, 새로운 상품을 개발할 여지가 풍부한 분야에 흥미를 갖고 도전해 보기를 권한다.