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이찬기 고등기술연구원 신소재공정센터 융합소재공정팀 수석연구원/공학박사[2017년 신년특집]
소재는 모든 산업의 기초가 되는 물질로서 산업 선진국일수록 소재 개발에 적극 나서고 있다. 특히 소재기술은 함부로 모방할 수 없으며, 쉽게 따라잡을 수도 없다. 그래서 선진국의 경우 세계 경제가 어려울수록 소재기술의 힘으로 어려운 경제 상황을 극복해 나가곤 한다. 뿌리 깊은 나무가 바람에 흔들리지 않듯이 소재 기술이 강한 나라는 어떠한 경제 환경의 변환에도 흔들리지 않을 것으로 본다. 이런 가운데 우리나라 기초 소재 개발을 위해 노력하고 있는 젊은 과학자가 있다. 이찬기 고등기술연구원 신소재공정센터 융합소재공정팀 수석연구원으로 양자점 합성 및 스마트유리, 티타늄 입상금속 제조, 탄탈륨 분말 회수 등 앞으로 우리나라 소재 산업 발전을 위한 중요한 연구를 진행하고 있다. 이에 본지는 이찬기 수석연구원과의 인터뷰를 통해 진행하고 있는 연구에 대해 들어보는 자리를 마련했다.

“국가 전략금속 개발 앞장”



최근 들어 경기도 용인시에 위치한 고등기술연구원 신소재공정센터는 괄목한 만한 연구 성과를 내며 주목받고 있다. 고등기술연구원 신소재공정센터는 나노입자를 활용한 소재 관련 기술, Ti 전략 금속 관련 기술, 전자제품 및 금속 관련 재활용 기술 등에 강점을 보이는 비영리 전문연구기관이다.

특히 2015년 신설된 융합소재공정팀은 짧은 시간 내에 다양한 연구 분야에서 두각을 드러내며 우수한 연구실적을 쏟아내고 있다.

이찬기 수석연구원은 융합소재공정팀의 팀장으로 큐슈대에서 물질이공학 전공으로 공학박사 학위를 받고 일본 산업기술종합연구소(AIST)에서 재직하던 중, 2011년부터 고등기술연구원에 수석연구원으로 이직했다.

전공 분야는 마이크로 리액터(Micro-reactor)를 이용한 나노 입자의 합성 및 특성 분석으로, 기존 양자점 합성의 문제점을 해결하기 위해 마이크로 리액터를 이용하여 Core및 Core/Shell 구조의 양자점 합성을 연구하고 있다.

■ 마이크로 리액터 이용 Core 및 Core/Shell 구조 양자점 합성 연구가 가지는 의의는

양자점은 기존의 벌크 물질과는 다르게 입자의 크기를 제어함으로써 전기적, 광학적 특성들을 변화시킬 수 있기 때문에 입자의 크기를 제어하는 합성공정이 매우 중요하다.

현재 양자점 합성을 위해 가장 많이 사용하는 방법은 배치법을 이용한 단분산 콜로이달 양자점 합성법이다.

하지만 이 공정은 양자점 크기를 균일하게 제어하는 것이 쉽지 않으며, 양자점의 성장에 대한 실시간 모니터링이 불가능하다.

반면에 마이크로 리액터는 온도 조절이 용이한 얇은 관을 사용함으로써 가열 속도 및 냉각 속도가 빨라 반응 온도 조절이 용이하고, 정량·정속의 펌프를 이용하여 전구체를 투입하기 때문에 반응시간 조절이 용이하다.

마이크로 리액터는 반응 온도나 반응 시간을 정밀하게 조절해 손쉽게 양자점의 크기를 제어할 수 있으며, 균일한 크기의 양자점 합성이 가능하다.

또한 합성 조건에 따른 특성 평가가 실시간으로 분석 가능하여 빠른 최적화 조건 설정 및 trouble-shooting이 가능하고 합성 온도, 반응 시간 및 전구체 비율 등의 조건을 실시간으로 제어하여 정밀한 합성 연속공정이 가능하다.

이찬기 수석연구원은 이 분야에서 다년간의 연구를 통해 국내에 최초로 마이크로 리액터의 개념을 소개했으며 이를 이용한 다수의 연구 결과물을 Chemical Engineering Journal 등 우수한 저널에 발표 한 바 있다.

■ 스마트 유리 재활용 기술에 대한 설명을 부탁드린다

환경부 유용자원재활용기술개발사업단의 지원으로 수행한 폐 자동차 유리 재활용 과제는 2015년 사업단 내 최우수 과제로 선정되는 등 스마트 유리 재활용 분야에서도 좋은 성과를 보여주고 있다.

스마트유리란 기존의 병 유리, 창문 유리와 같은 전통 유리와 차별화하여 자동차, 디스플레이, 반도체, 태양전지 분야 등에서 다양한 용도로 사용되고 있는 고기능성 첨단유리 제품을 일컫는 용어다.

이러한 스마트유리는 재활용이 어려워 관련 폐기물의 발생량이 증가하고 있는 추세로 이로 인한 환경오염 및 순환가능 자원의 낭비문제가 심화되고 있다.

이에 따라 정부에서는 2003년부터 생산자책임재활용제도를 운영하면서 다양한 폐기물의 재활용을 추진하고 있지만 아직까지 부가가치가 낮은 유리는 재활용이 미흡한 실정이다.

따라서 폐유리 재활용 분야에 대한 기술개발이 시급하며, 정부의 정책적 지원과 더불어 산학연관의 긴밀한 연계의 필요성이 대두되고 있다.

현재 융합소재공정팀에서는 자동차 폐유리 및 디스플레이 폐유리를 재활용하고 이를 이용해 고부가가치 소재를 개발하는 연구를 진행하고 있으며 이러한 기술개발을 통해서 연간 1만톤 이상의 폐유리가 재활용될 것으로 예상하고 있다.


규슈대 물질이공학 전공, 국내에 마이크로 리액터 개념 소개

스마트 유리·Ti입상금속 제조·탄탈륨분말 회수기술 등 연구



■ Ti입상금속 연구도 활발한데

최근 들어 융합소재공정팀에서 주목하고 있는 분야는 Ti 금속이다. Ti는 항공·우주, 의료, 해양플랜트, 로봇 등과 같은 다양한 산업에 필요한 꿈의 소재로서 고강도와 경량성을 요구하는 첨단산업의 핵심소재로 활용되는 금속 원소다.

국내에서도 중장기적으로 우수한 물리·화학적 특성을 활용하려는 노력이 확대되면서 최근 시장규모가 1조원 규모에 이르고 있고 정부에서도 10대 전략 금속으로 선정했다.

그러나 관련 기술 기반이 매우 취약하여 원재료부터 대부분 수입에 의존하고 있으며 수입 단가 역시 매년 지속적으로 상승하고 있는 상황이므로 Ti 금속을 활용하기 위한 다양한 기술의 개발이 요구되고 있다.

이러한 흐름에 발맞춰서 융합소재공정팀에서는 일메나이트 광석에서부터 TiO₂ 분말을 제조하고, TiCl₄를 이용하여 Ti 금속이나 TiO₂ 분말을 제조할 뿐만 아니라 화장품용 TiO₂ 분말 개발까지, Ti 금속 전영역을 아우르는 연구를 수행 중이다.

연구팀에서는 일메나이트 광석을 활용해 건식 TiO₂ 분말 제조 공정을 개발하고 있으며, 궁극적으로 최적화를 통해 연간 1,000톤급 플랜트를 건설해 국산 TiO₂의 품질 및 가격 경쟁력을 확보하기 위한 연구를 수행하고 있다.

한편 TiCl₄는 타이타늄 금속 및 이산화타이타늄을 제조하기 위한 중간 물질로 사용되며, 일반적으로 일메나이트(TiFeO₃)나 루틸(TiO₂) 광석을 염소 및 탄소와 함께 반응시켜 제조된다.

반면에 국내에서는 기술의 부재로 TiCl₄ 생산이 전혀 되지 않아 전량 수입에 의존하고 있다.

융합소재공정팀에서는 1500TPY급 TiCl₄ 제조 상용화 플랜트에 적용가능한 고순도 TiCl₄ 제조를 위해 철계 부산물 및 바나듐 부산물 제거 공정을 연구하고 있으며, 이를 통해 수집의존도가 높은 TiCl₄를 국산화하고자 노력하고 있다.

또한 연구팀에서는 Ti 금속 제조를 위해 상용화 되어 있는 Kroll법을 대체하는 저가의 획기적인 기술을 개발하고 있으며, 원료 TiCl₄를 플라즈마 영역에서 수소 환원시켜 Ti 입상금속을 연속 제조하는 기술을 경북대학교 손호상 교수팀 등과 협력해 연구를 진행 중에 있다.

이렇게 개발된 기술은 국내 Ti 분말 자급률을 높이고 분말 사출성형, 3D 프린팅 등 고부가가치 소재·부품 산업에 활용될 전망이다.

■ Ta분말 회수기술 진행사항은

융합소재공정팀에서 수행하고 있는 또 다른 연구 분야로는 고융점 금속인 텅스텐 및 탄탈륨 분말 제조 기술이 있다.

텅스텐은 모든 원소들 중 녹는점이 가장 높은 고융점(3,695K) 금속으로 매우 단단하며 전성과 연성이 뛰어나다.

텅스텐 함유 폐자원의 재활용은 탄화텅스텐을 기반으로 한 폐 초경공구를 중심으로 연구돼 왔으나 전자산업 등에서 이용된 폐 텅스텐 도가니는 텅스텐을 95%이상 함유하는 고품위 스크랩으로서 재활용 기술의 난이도가 상대적으로 낮고 경제성이 높음에도 거의 연구되지 않았다.

따라서 융합소재공정팀에서는 텅스텐 고품위 스크랩에 대하여 불순물 제거, 파/분쇄, 산화/환원 기술로 고순도 텅스텐 분말을 회수한 후, 열플라즈마 기술로 나노화해 고부가가치 소재화를 실현함으로써 국내 유일의 텅스텐 나노분말 건식 제조 기술을 개발하고 있다.

한편 또 다른 고융점 금속인 탄탈륨은 연성이 우수한 금속으로 각종 전자재료 및 의료기기에 사용되고 있으며 그 양은 증가하는 추세이지만, 융점이 높아 가공이 어렵다는 단점이 있다.

본 연구팀에서는 고가의 장비 없이 HDH 공정(Hydride-Dehydride Prcoess)을 통해서 탄탈륨 분말 제조가 가능한 기술을 개발 중이다.

탄탈륨은 BCC(Body Centered Cubic)구조를 갖는데, 수소가 원자내에 침입하게 되면 취성이 강해져 분말제조가 수월해진다.

따라서 수소화된 탄탈륨을 제조한 후 탈수소화 공정을 거치게 되면 고순도의 탄탈륨 분말을 손쉽게 얻을 수 있으며, 이와 같은 기술을 이용해 반도체 공정용 폐 타깃, 도가니 등 탄탈륨 스크랩으로부터 고순도 탄탈륨 분말을 회수하는 연구를 수행 중이다.

■ 마지막으로 한말씀 부탁드린다

고등기술연구원 신소재공정센터 융합소재공정팀에서 강점을 지니고 있는 세라믹, 고분자 소재의 개발 및 어플리케이션 적용뿐만 아니라 국가 전략금속의 지속적인 개발 등 재료분야의 우수한 연구 성과를 내기 위해 끊임없이 정진할 것이라며, 중소기업 기술 지원 및 사업화 지원 연구를 지향하고 있으니 관심 있는 기업들의 많은 연락을 바란다.
마이크로 리액터를 이용한 양자점 합성장치
스마트유리 재활용 개념도
Ti 입상금속 제조 공정 개념도

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배종인 기자 (webmaster@amenews.kr) [기자의 다른 기사보기]
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