쓸모의 과학, 신소재

세상에 이로운 신소재 이야기

조용수 지음

교보문고 2024년 04월 25일 출간

작품소개

책소개

“쓸모에 의해 선택된, 결국 살아남은 소재들”

연세대학교 신소재공학과 조용수 교수가 선보이는
변화무쌍한 미래 사회를 예측하는 가장 완벽한 안내서

“쓸모에 의해 선택된, 결국 살아남은 소재들”

눈에 보이는 모든 물질을 이루는 소재에 관한
보이지 않는 비밀을 풀다

인류 문명이 획기적으로 발전하는 순간마다 신기한 소재의 탄생과 함께했다. 합성 고무, 나일론, 반도체, 그래핀, 퀀텀 닷……. 이처럼 새로운 소재의 발견과 발명은 이 세상을 변화시키는 원동력이 되어 왔다. 즉, 오늘날까지 유용하게 쓰이고 있는 것들은 ‘쓸모’에 의해 선택된, 살아남은 소재들이라고 할 수 있다.
최근 신소재의 중요성이 무엇보다 강조되고 있는 이유도 미래 사회에 펼쳐질 삶의 무한한 가능성이 한계를 뛰어넘는 신기한 소재의 등장과 밀접하게 관련되어 있기 때문이다. 즉, 소재의 과거와 현재, 미래를 살펴보는 것은 앞으로 다가올 사회를 예측하는 것뿐만 아니라 미래의 경쟁력을 갖추는 데에도 반드시 필요하다. 선택이 아닌 생존을 위한 필수 요건인 것이다. 그러므로 연세대학교 신소재공학과 교수이자 전자 세라믹스 분야의 권위자인 조용수가 선보이는 『쓸모의 과학, 신소재 : 세상에 이로운 신소재 이야기』는 변화무쌍한 미래 사회를 예측하기 위한 가장 완벽한 안내서라고 할 수 있다.
최대한 복잡한 수식을 사용하지 않고 상식적인 수준에서 과학적 원리를 다루고자 한 이 책은 신소재에 문외한이라도 관심이 있는 누구라도 쉽게 접근할 수 있도록 쓰여졌다. 특히 중고등학생에게는 잠재되어 있는 자신의 가능성을 발견하는 진로 선택의 중요한 기회로 활용되었으면 한다. 쓸모의 신소재에 대한 지적 호기심이 이어지길 바란다.

목차

프롤로그 소재를 통한 인류 문명 이어 가기

소재 이해의 시작

1. 소재란 무엇인가
소재는 어디에서 오는가
변화의 순간
소재의 선택지들
가치를 더하는 신소재

2. 살아남은 소재 이야기
불가피한 소재의 선택
생활 속의 신기함
소재 특성, 선택의 기준

3. 인류 역사를 이끈 물질
최초의 인공 소재, 점토
최초의 금속, 구리
화폐의 시작, 금과 은의 발견
철의 등장, 철의 시대
유리의 우연한 발견
플라스틱의 출발

주변의 소재 이야기

4. 소재는 어떻게 존재하나
최소 단위의 세계, 원자
원자 간 결합, 소재의 시작
원자의 규칙적 배열, 결정
고체에서의 물질 이동
전자가 위치하는 곳, 에너지 밴드

5. 반전의 과학, 개선된 소재들
완벽하지 않은 소재
의도된 결함, 새로운 발견의 시작
결함과 함께하기

6. 쓸모의 재료, 세라믹·금속·폴리머
무한 응용 물질, 세라믹
가치의 물질, 금속
가벼움의 다양함, 폴리머

7. 한계를 넘는 소재의 발견
인위적인 소재, 복합 재료
정보 시대의 핵심, 반도체 소재
보이지 않는 과학, 나노 소재
다양한 변신, 탄소 소재

반응하는 소재의 세계

8. 전기에 반응하는 소재
전기가 흐르는 경우
반도체에서 전기의 흐름
반도체 소재를 이용하는 디바이스
흐르지 않는 전기의 활용

9. 자석이 되는 소재
자기장에 반응하는 소재
자기 현상의 활용

10. 빛을 이용하는 소재
빛과 물질의 상호 작용
방출되는 빛 에너지의 활용

11. 열에 민감한 소재
소재가 열을 받을 때
열에너지의 감지와 활용

12. 힘에 대응하는 소재
힘에 반응하는 물리적 변화
외부 압력의 활용

13. 소재가 기여하는 에너지
태양 전지, 재생 에너지의 희망
배터리, 에너지 저장의 수단
연료 전지, 그린 수소의 에너지화

14. 미래 소재로의 진화
더 나은 제품에 대한 희망, 다가온 소재
사회 변화의 시작, 다가올 소재

에필로그

책 속으로

우리 생활이 바뀔 것이라는 기사와 보도를 자주 접하게 되지만 숨겨진 실체와 가능성을 가늠하는 것은 쉽지 않은 일이다. 이 책은 신소재 과학, 공학 분야의 문외한이라도 과학에 관심이 있는 일반인이나 중고등학생을 위해 기획되었다. 신소재의 정의부터 출발하여 신소재 분야의 중요성과 한계, 그리고 수식을 사용하지 않고 상식적인 수준에서 과학적 원리를 다루고자 한다. _5쪽

석기 시대에 토기 그릇을 어떻게 만들게 되었는지 상상해 보면 짐작할 수 있듯, 인류의 오랜 역사 동안 인간이 생활하면서 터득한 것이기도 하다. 즉, 우리가 현재 사용하고 있는 소재들은 끊임없는 개발의 결과물이고, 발전을 거듭하며 인위적으로 만들어지거나 개선된 것이다. 결국 살아남은 소재들이다. _8쪽

신소재가 중요한 이유는 우리가 알고 있는 첨단 제품의 시작점이기 때문이다. 올바른 소재의 선택이 최종 제품의 성능과 관련되어 있어서 최고의 소재를 확보하는 것이 곧바로 경쟁력이 되는 시대에 이르렀다. (……) 그러므로 소재의 한계가 곧 부품의 한계이고 완제품의 한계이기도 하다. 원천 소재 개발에 매진하고 있는 이유이기도 하다. _30쪽

새로운 물질의 발견은 우리 인류 문명의 발전과 밀접한 관계가 있다. 인류의 문명은 석기, 청동기, 철기 시대를 거쳐 왔다. 매우 흥미롭게도 그 시대 구간을 재료를 통해 구분했다는 점에서 인류 역사의 변천이 물질의 발견과 깊이 연관되어 있다는 것을 알 수 있다. _51쪽

완벽한 소재는 존재하지 않는다. 그러므로 원래 가지고 있던 불안정한 구조나 시간이 지나면서 생기는 결함이 소재의 특성을 떨어뜨린다. 하지만 학문적으로 결함이 항상 나쁜 것은 아니다. 의도적으로 결함을 이용해서 소재가 가진 특성의 개선을 가져오기도 한다. 결함을 이해하고 이용해서 과학자와 개발자들이 어떤 노력을 하고 있는지 살펴보자. _92쪽

매해 새로운 전자 제품이 소개되고 우리가 예전에는 상상하지 못했던 기능과 성능이 추가되고 있다. 기존의 소재를 더 작은 규모로 만들지 못하면 더 이상 전자 제품이 가벼워지거나 얇아지기 어렵다. 새로운 반도체는 전자 제품의 성능과 전력 소비에도 관련이 있다. (……) 최근의 신기한 소재의 대부분이 인위적으로 합성하여 만든 신소재이다. _130쪽

외부에서 가해지는 일정한 자극, 즉 전기, 빛, 열, 힘이 주어졌을 때 소재가 어떻게 반응하는지 좀 더 구체적으로 소개하고자 한다. 이 특정한 반응을 이용하여 다양한 첨단 제품의 개발이 이루어지는데, 가장 우수한 반응을 가진 소재가 가장 신기한 소재이며 미래에 활용 가치가 큰 소재가 될 수 있다. _146쪽

에너지 위기, 고갈이라는 단어를 자주 접하곤 한다. 석유의 매장량을 걱정하는 한편 이산화탄소 배출이라는 심각한 환경 문제도 함께 해결해야 한다. 기존의 화석 연료를 대체할 에너지 기술은 가능할까? 신재생 에너지라 부르는 과학 기술을 바탕으로 한 에너지 획득은 전적으로 소재의 선택과 개선에 달려 있다. _208쪽

핸드폰에는 왜 태양 전지를 사용할 수 없을까? 만약 배터리 대신 태양 전지가 사용된다면 외부 전원을 통한 충전이 필요 없을 것이다. 현재 태양 전지에 쓰이는 반도체 소재의 한계로 배터리 충전을 위한 충분한 전원 공급이 어렵다. 왜 아직 둘둘 말거나 접는 디스플레이는 나오지 않는 것일까? 기술은 확보되었으나 널리 활용하기에는 아직 넘어야 할 소재의 한계가 뚜렷하다. (……) 스크래치가 자동으로 복원되는 금속에 대한 연구, 금속의 강도를 유지하면서도 가벼워질 수 있는 폴리머의 연구, 썩는 플라스틱의 개발 등 지속적인 관심을 받는 미래 소재는 무궁무진하다. _232쪽

이 책을 기획한 의도 역시 과거, 현재, 미래 소재를 좀 더 상식적인 수준에서 과학의 이해를 바탕으로 소개하고자 하는 데 있다. 과거의 유명한 소재의 존재와 그 배경을 아는 것에서 더 나아가, 그것이 왜 선택되어야 했는지 제품으로서의 가치도 고려해 보기를 원한다. 왜냐하면 앞으로 살아남을 소재의 전제 조건이기 때문이다. _241쪽

출판사 서평

“배터리 없이 전자 제품이 작동할 수 있을까?”
“영원히 음식이 썩지 않는 포장지는 존재할까?”

우리 일상에 숨어 있는 신기한 소재부터
아직 한 번도 경험해 본 적 없는 미래 소재까지!

그동안 신소재 관련한 책들은 세상을 변화시키는 데 크게 기여한 신소재에 관한 역사를 기술하거나 우리 생활에 엄청난 파급 효과를 가져온 중요한 소재들을 중심으로만 다루어져 아쉬움이 있었다. 이 책은 신소재의 정의부터 그 형성 과정에 감추어져 있는 신비한 비밀, 그리고 새로운 소재의 등장이 우리 삶과 얼마나 밀접한 관계를 맺고 있으며 그것이 앞으로 맞이할 미래 사회에 어떤 가치를 가지는지까지 폭넓지만, 그 실체에 보다 가까이 다가갈 수 있는 내용으로 구성되어 있다. 즉, 신소재에 관해 꼭 알아야 할 A부터 Z까지 거의 모든 것을 포괄하고 있다고 할 수 있다.
1부 ‘소재 이해의 시작’에서는 우리 눈에 보이는 모든 물질을 이루는 소재에 관해 정의하면서 그것의 등장으로 인류 문명이 어떻게 획기적인 발전의 순간을 맞이하게 되었는지, 그 변화를 이끈 ‘최초의 소재’들을 살펴본다. 초기 인류 문명을 석기, 청동기, 철기 시대로, 모두 소재로서 명명하고 있다는 점은 그 변화와 발전에 소재가 얼마나 큰 기여를 하였는지 짐작할 수 있다. 또한 ‘쓸모’에 의해 ‘선택’되어지고, 끊임없는 시행착오를 겪으며 개선을 거듭해온 신기한 소재들이 우리 일상생활에 어디에, 어떻게 쓰이고 있는지 숨어 있는 소재에 관해 이야기한다.
2부 ‘주변의 소재 이야기’에서는 소재는 무엇으로, 어떤 과정을 통해 형성되는지 그 보이지 않는 세계의 비밀에 대해 알아본다. 물질을 이루는 최소 단위인 원자의 결합과 이동을 통해 우리 눈에 보이는 모든 세계가 구성된다는 것은 신기한 경험일 것이다. 또한 ‘반전의 과학, 개선된 소재들’에서는 소재는 모두 완벽하지 않으며, ‘결함’을 인정하고 그것을 개선하거나 의도적으로 결함을 이용해야 소재 개발에 새로운 가능성을 열 수 있다고 말한다. ‘쓸모의 재료, 세라믹ㆍ금속ㆍ폴리머’에서는 크게 세 분류로 나누어 소재의 속성에 대해서 자세히 들여다보고, 그것이 가진 단점과 한계를 극복하여 탄생한 인위적인 소재들, 즉 복합 재료ㆍ반도체ㆍ나노 소재ㆍ탄소 소재처럼 첨단 산업을 이끌고 있는 중요한 소재에 대해서도 알아본다.
3부 ‘반응하는 소재의 세계’에서는 소재의 기본적인 특성이라 할 수 있는 외부에서 전기, 빛, 열, 힘 같은 자극이 들어왔을 때 소재가 어떻게 반응하는지에 대해 살펴본다. 이러한 반응이 중요한 이유는 최적의 소재를 ‘선택’하여 첨단 제품을 만드는 데 중요한 과학적 근거가 되기 때문이다. 또한 신소재의 발전이 현재 시급한 숙제인 에너지 문제와 환경 문제를 해결하는 데 중요한 열쇠임을 태양 전지와 배터리, 연료 전지를 중심으로 살펴본다. 마지막으로 노벨상을 수상한 중요 소재와 과학적 이론을 살펴보며 이미 다가온, 앞으로 다가올 4차 산업 혁명을 선도하기 위해서는 어떤 미래 소재에 주목해야 하고 어떤 과학 기술의 발전이 필요한지 알아본다.


“세상을 변화시키는 상상력”
꿈의 신소재로 펼치는 가능성의 미래

우리 주위의 신기한 소재 중에는 상상에서 시작되어 연구를 통해 현실로 구현된 것도 많다. 스크래치가 자동으로 복원되는 금속, 찢어지거나 불에 타지 않는 종이, 투명 망토를 만드는 옷감 등 지금도 일반적인 상식을 뛰어넘는 연구가 진행되고 있다. 그러므로 과학자가 아닌 누구라도 기발한 상상력을 통해 소재에 대한 새로운 아이디어를 제공하는 것은 충분히 가능하다.
그렇다면 미래에는 어떤 소재가 살아남을까? 꿈의 신소재로 어떤 가능성의 미래가 펼쳐질까? 이 책의 작가가 연구원으로 일했던 듀폰 연구소 벽면에 붙은 포스터에 적힌 “성공과 실패 사이에는 매우 가는 선이 있을 뿐이다”라는 문구처럼 신소재에 대한 호기심을 항상 유지하고 불가능에 대한 도전을 멈추지 않는다면 무한한 가능성의 미래를 꿈꿀 수 있을 것이다.

작가정보

저자(글) 조용수

연세대학교 세라믹공학과 학사 학위와 미국 알프레드(Alfred) 소재 뉴욕 주립대에서 공학박사 학위를 받았다. 미국 듀폰 연구소에서 연구원으로 일하다가 연세대학교 신소재공학과 교수로 부임했다. 다수의 우수강의 교수상, 우수연구업적 교수상을 수상했으며 매일경제신문, 세계일보에 과학 관련 칼럼을 연재했다. 한국세라믹학회 부회장을 역임했으며 현재 연세대학교 학부대학 학장을 맡고 있다. 전자 세라믹스 분야의 권위자이다.

작가의 말

새로운 소재의 등장으로 우리 생활과 사회는 진보와 변화를 일으켜 왔으며 현재도 진행 중이다. 4차 산업 혁명을 선도하기 위해서는 어떤 미래 소재가 요구되는지 생각해 보자.