한양대학교 기계공학부 다기능성 복합재료 설계 및 제조 연구실(Multifunctional Composite Design Manufacturing, MCDM)은 재료, 기계, 화학 분야를 아우르는 다학제적 연구를 진행하고 있는 연구실로서, 21세기 기술의 화두인 ‘융합’이라는 컨셉에 맞춰 다양한 분야를 폭넓게 배우고 이를 서로 융합시킨 새로운 기술을 개발·응용하고 있다. 김학성 교수를 중심으로 우수한 학생들이 함께 최신 기술을 앞서 예측 개발하여 인간의 삶을 윤택하게 해줄 수 있는 실용적인 연구에 매진하고 있는 한양대학교 다기능성 복합재료 설계 및 제조 연구실을 찾아보았다.

김학성 교수 연구실(이하 MCDM)에서는 이번 2012 산학연협력 엑스포 미공개 신기술로 ‘인쇄전자 기술을 위한 백색광 소결법’을 발표하여 많은 관련 학계로부터 주목을 받았다. 이 신기술은 MCDM에서 세계 최초로 개발한 것으로서 상온 대기상태에서 백색광을 이용하여 종이나 옷과 같은 Flexible한 기판에 전자회로를 자유롭게 구현할 수 있는 획기적 기술이라 할 수 있다. 김 교수는 “본 기술은 상온 대기 상태에서 수 ms동안에 순간적으로 백색광을 조사, 금속이나 반도체 나노 입자로 이루어진 나노 잉크를 소결하며, 이때 기판은 전혀 열에 의한 손상을 받지 않을 뿐만 아니라 나노 입자에 적절한 폴리머를 함께 사용하여 주면 구리, 니켈과 같은 이미 산화된 저가형 나노 입자도 순수 금속으로 환원되면서 소결할 수 있게 된다”고 설명했다. 이 기술은 인쇄전자 산업에서 난관으로 여겨져 오던 상온, 대기 조건에서 기판 손상 없는 배선 소결 공정을 실현 가능케 하였으며, 산화막이 덮여진 금속 잉크도 사용이 가능하게 되어 저가형 나노 잉크를 사용할 수 있도록 하는 중요한 돌파구를 열었다는 평가를 얻었다. 이러한 연구 결과는 저명한 학술지인 Nanotechnology에 중요 뉴스로 인터넷 기사로 소개되는 등 현재 국내외 학계와 산업계에서 큰 주목을 받고 있다.

“인쇄전자 기술을 위한 백색광 소결법” 세계 최초 개발

현재까지는 인쇄전자 기술 분야에서 산화가 되지 않는, 하지만 값은 비싼 금·은 나노입자를 가열하여 회로를 소결하였고, 잉크의 높은 가격은 대량 생산 시 생산 비용을 증가시켜 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있었다. 이에 반해 가격이 싼 구리는 공기 중에서의 산화가 매우 빨리 되고 소결 시 수소, 아르곤과 같은 환원 분위기의 고온 챔버가 필요하다는 문제점을 안고 있어 상용화가 쉽지 않았다. 그러나 백색광 소결 기술은 산화된 구리를 상온 대기 상태에서 환원 소결할 수 있는 돌파구를 제시하여 이러한 문제점을 해결하였고, 금이나 은보다 가격이 월등히 싼 구리나노입자를 어떠한 기판위에서도 소결이 가능하게 하여 인쇄전자 기술의 시장 경쟁력을 획기적으로 높이는 발판을 마련하였다. 김 교수는 “최근에는 금속나노잉크가 소결이 될 때의 순간적인 저항 및 성분 변화를 측정하는 기술을 개발함으로써 광소결의 원리를 규명하였고, 그 타당성을 입증하는 연구 결과를 도출하기도 하였다”며 “백색광 소결 기술은 그 공정 시간도 단 몇 ms로서 단시간 내에 이루어지므로 대량 생산에도 적합하기 때문에 앞으로 다양한 전자제품에 적용이 될 것으로 기대된다”고 전했다.

백색광 소결 기술은 인쇄전자 이외에도 다양한 에너지 분야에 적용될 수 있다고 김 교수는 덧붙였다. 먼저 백색광 소결 기술을 사용하여 차세대 태양전지로 각광받고 있는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 타이타니아 전극 및 CIGS 태양전지를 상온 대기상태에서 제작 할 수 있다. 김 교수는 “기존의 열 공정이 고온 및 긴 공정시간으로 인해 상대적으로 녹는점이 낮은 고분자 재료와 같은 유연한 기판에서는 적용하기가 어려워 상용화에 제약이 많았던 것에 비해, 백색광 소결 기술은 상온 대기압 상태에서 밀리세컨드(ms) 단위의 매우 빠른 시간에 소결 및 합성이 가능하여 미래의 투명하고 유연한 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 이러한 원천 기술은 태양전지 재료를 건물의 외벽이나 창문에 실시간으로 페인팅하며 소결할 수 있는 일명 “Solar Painting” 공정을 가능하게 해줄 수 있을 것이라는 예상으로 더욱 그 결과에 귀추가 주목되고 있다.
이외에도 백색광 소결 기술을 이용하여 연료전지의 핵심요소인 촉매제를 대량 합성하는데 성공한 MCDM은 백색광 조사를 이용하여 연료전지 촉매제를 만들 경우 종전의 화학적·전기적 합성방법 등에 비해 많은 비용과 시간이 절감될 뿐만 아니라, 합금 및 복합재료의 기계적, 전기적 특성이 향상되어 기존의 촉매제의 성능보다 30% 향상되는 연구 결과를 확보하였다.

최첨단 과학기술력 보유가 국가 경쟁력의 척도

MCDM에서는 백색광 소결 기술 외에도 활발한 연구 활동으로 많은 성과들을 도출하는 역량을 보여주고 있다. 초박형 반도체의 파괴강도 평가기법을 보유하고 있는 연구실은 반도체 초박화 공정변수에 따른 파괴 강도의 특성에 대해 평가하고 있다. 최근에는 앞서 언급한 백색광조사 기술을 이용하여 반도체에서 실리콘 내부의 잔류응력을 제거하는 기술을 개발하였으며, 이 기술을 이용하여 풀림(Annealing)을 하였을 시 플래쉬 메모리 칩과 DRAM 등 여러 가지 초박형 반도체의 잔류응력을 75% 이상 제거함으로써 신뢰성 확보에 크게 도움을 주는 결과를 도출하였다.

또한, 신소재 복합재료와 이를 이용한 구조 설계에 관한 연구를 진행하고 있는 MCDM은 신소재 복합재료를 이용한 설계를 통해 자동차의 동력전달축 및 서스펜션, 범퍼 부품과 같은 여러 부품들의 무게를 50% 이상 절감하는 쾌거를 거두었다. 신소재 복합재료는 금속재료에 비해 비강성(강성/밀도)과 비강도(강도/밀도)가 높고, 감쇠 특성이 우수하기 때문에 스포츠 용품부터 자동차, 항공기 및 우주선에 이르기까지 사용 범위가 급속도로 확대되며 대규모 시장이 형성되고 있다. 특히, 복합재료는 국방/우주 관련 핵심기술로서 전투기의 경우에는 전체 재료의 80% 이상이 복합재료로 사용되고 있으며, 우주 산업용 인공위성의 경우에도 경량화를 위해 탄소섬유 복합재료/알루미늄 폼의 샌드위치 구조 등으로 제작되고 있다. 이처험 민간/우주/군사 분야 전반의 산업현황에서 복합재료의 증가추세를 감안한다면 향후 5년 후에는 관련 세계 시장 규모가 100조원에 달할 것으로 예상되어 MCDM의 연구가 더욱 빛을 발하고 있다.

김학성 교수는 KAIST 박사학위 취득 이후 삼성전자 반도체 패키징 센터에서 2006년~2008년 동안 관련 연구를 수행하였고, 이후 2008년~2010년까지 미국 UCLA에서 박사후 연구원 및 강사를 역임하였으며, 2010년부터 한양대학교 기계공학부 교수로 재직 중이다. 박사학위로 정통 기계분야인 자동차 구조용 복합재료 설계 및 제조에 대해 연구하였고, 삼성전자에서는 재료 공학과 전자공학이 접목된 반도체 패키징 재료 및 구조 설계에 관해, UCLA에서는 화학/재료 공학이 접목된 다기능성 나노 복합재료 기술 및 인쇄전자 기술에 대해 연구하였다. 이렇듯 여러 전공의 경계에서 다양한 연구테마를 접하고 수행한 경험은 현재의 연구실이 활발하게 다학제적인 연구를 수행할 수 있는 밑거름이 되고 있으며, 정통 기계 설계 분야에서 나노 재료 합성에 이르는 폭넓은 스케일의 연구를 아우를 수 있는 원동력이 되고 있다.