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재료공학 - 문명 뒷받침하는 첨단기술의 어머니

분야	산업기술/재료	날짜	2011-04-05

문명 뒷받침하는 첨단기술의 어머니 재료공학

정보통신 · 나노에서 바이오 · 우주항공까지

| 글 | 김형준/서울대 재료공학부 학부장ㆍhjkim@plaza.snu.ac.kr |

우리나라 대학의 이공계에는 다양한 학과들이 존재한다. 그런데 학과를 어느 정도 알고 진로를 선택하는 것일까. 막연한 생각으로 잘못된 모습을 그리고 있지는 않을까. 진로 선택의 기본, 대학에 있는 학과를 제대로 알아보자.

상상에서나 가능할 일들을 현실화시키는 힘을 가진 재료공학. 인류문명을 뒷받침하는 핵심 공학분야다. 인류의 미래를 이끌어갈 첨단과학 전분야의 필요충분조건인 재료공학을 만나보자.

1. 재료공학이 뭐죠?

재료는 우리가 상상 또는 아이디어로 생각하던 것을 눈에 보이는 구체적인 것으로 형상화시킬 때 사용되는 바탕 물질을 말한다. 우리의 몸만 하더라도 단백질을 비롯한 각종 재료가 없다면 결코 존재할 수 없다.

이런 관점에서 보면 우리들이 지금 누리고 있는 온갖 종류의 문명의 이기들, 예를 들어 집, 옷, 음식, 컴퓨터, 자동차, 우주왕복선 등은 모두 각각에 맞는 재료가 있었기 때문에 비로소 우리들과 함께 할 수 있었다는 사실을 이해할 수 있다. 따라서 재료공학은 우리들이 살아가는 동안 영유하는 모든 문명의 이기들을 사용목적에 맞게 기능과 성질을 갖도록 설계·제조·가공하는 과학기술을 연구·교육하는 학문분야라 정의 할 수 있다.

사실 역사의 발전은 재료의 발전과 함께 해 왔다고 해도 과언이 아니다. 석기시대, 청동기시대, 철기시대, 플라스틱시대 등과 같은 말이 뜻하는 바와 같이, 재료는 그 시대를 살아간 사람들의 의식주를 지배했다. 각 나라의 국력도 바로 누가 먼저 성능이 뛰어난 재료를 먼저 개발하는지에 좌우됐다고 할 수 있다. 예를 들어 이집트의 위대한 왕 람세스도 소아시아 지역의 군대를 당해내지는 못했다. 소아시아군대가 이집트의 청동무기보다 강한 철제무기로 무장했기 때문이다. 청동을 밀어낸 신소재 철은 농기구로 사용돼 농업생산량을 획기적으로 증가시켰을 뿐만 아니라, 증기기관을 앞세운 산업혁명의 중추적 역할을 수행했다.

현대산업사회에서 기계, 전자, 화학, 건축 등 각종 산업분야는 기술발전의 한계에 도달하면, 가장 먼저 이들 각 분야에서 사용되던 기존 재료의 성능 향상이나 새로운 기능 개발을 요구한다. 즉 새로운 재료, 소위 신소재를 필요로 하게 되는 것이다. 이때 재료공학은 해결사 역할을 한다. 또 반도체 재료나 광재료처럼 신소재가 개발되면 반대로 컴퓨터나 정보통신산업 등과 같은 새로운 산업이 생긴다.

21세기에 접어들면서, 정보통신기술(IT), 나노기술(NT), 생명공학기술(BT), 환경공학기술(ET), 우주항공기술(ST), 문화컨텐츠기술(CT) 등이 인류의 미래를 주도할 첨단산업기술로 주목받고 있다. 우리나라에서도 이들 기술이 국가발전을 주도할 첨단산업의 바탕이 될 것으로 믿고 적극적인 지원책을 내놓고 있다.

이들 기술이 인류의 미래역사를 바꾸어 갈 것임에 틀림없다. 그런데 반도체시대라고도 불리는 20세기는 초고순도 반도체 물질을 가공·생산해 반도체 소자를 개발할 수 있었기 때문에 비로소 가능했으며, 이를 기반으로 인터넷을 중심으로 한 정보통신시대가 시작됐다. 마찬가지로 미래의 혁명을 몰고 올 것으로 보이는 첨단기술의 발전도 새로운 재료의 뒷받침 없이는 불가능하다.

이미 실현되고 있는 컴퓨터칩의 발전뿐만 아니라 시간과 공간의 제약 없이 정보를 주고받을 수 있는 휴대전화, 몸속을 누비며 병을 치료해주는 초미세로봇, 환경오염 없이 고효율에너지로 움직이는 자동차, 극한 상황을 뛰어 넘어 우주를 누비는 우주선, 이 모든 것이 21세기 재료의 발달이 가져올 변화다. 따라서 재료공학은 미래를 이끌어 갈 첨단기술을 모두 품에 안고 그들의 성장을 보살펴 주는 마치 첨단기술의 어머니와 같은 학문이다.

2. 무엇에 사용되나요?

재료공학은 21세기를 이끌어 갈 최첨단산업이란 커다란 빌딩을 떠받치고 있는 주춧돌과 같이 가장 기본적이면서도 중요한 기능을 담당한다. 첨단기술 발전의 밑거름이 될 뿐만 아니라 나아가 산업의 발전을 유도하는 견인차 역할을 하는 것이다.

현재의 정보통신기술의 수준을 한 차원 높이기 위해서는, 많은 양의 정보를 동시에 빠르게 전달하면서도 최대의 기억용량을 유지할 수 있는 새로운 메모리 소자를 개발하는 일이 필수적이다. 따라서 기존의 실리콘 반도체보다 전자이동 속도가 빠른 갈륨비소 반도체, 그리고 강유전체메모리(FRAM)와 자성메모리(MRAM)램과 같은 새로운 메모리의 개발과 시스템에의 적용가능성에 대한 연구가 재료공학 분야에서 활발히 진행되고 있다.

또한 디스플레이 소자에 있어서도 고성능이면서도 작고, 가볍고, 충격에 강한 재료가 요구됨에 따라 휴대전화, PDA, 노트북 등의 이동통신 기기에 응용되는 TFT LCD와 전기를 통하면 빛을 발하는 유연한 플라스틱인 유기 EL 등과 같은 신소재가 연구·개발되고 있다.

한편 인터넷의 콘텐츠가 전문화되고 동영상과 3차원 그래픽 등을 통한 시각적 효과들이 중요해짐에 따라 더이상 전자를 이용한 통신은 만족할 만한 수준의 통신속도를 보장하기 힘들게 됐다. 이에 따라 빛을 이용한 통신을 가능케 할 신소재를 개발하는데 많은 연구가 이뤄지고 있다. 이미 광섬유를 이용한 광통신, 컴퓨터의 근거리 적외선 통신, 콤팩트디스크 등을 통해 빛이 여는 새로운 시대를 맞고 있다. 빛의 속도로 생각하고 빛의 속도로 계산하는 광컴퓨터의 실현 여부는 광소재 개발의 성공여부에 달려있는 만큼 이 분야에서 재료공학의 중요성은 아무리 강조해도 지나침이 없다.

나노기술(IT)은 머리카락 굵기의 10만분의 1 정도 크기를 가지는 물질을 다루는데, 최근 미국을 비롯한 주요 선진국에서 미래의 국가경쟁력을 좌우할 만한 중요한 기술로 인식하고 범국가 차원에서 적극적으로 육성하고 있다. 나노기술은 정보통신, 생명과학, 의료, 환경 등과 함께 매우 광범위한 분야에 응용될 것으로 예상되고 있다. 이를 위해 초집적, 초고성능 반도체가 될 것으로 기대되는 탄소나노튜브, 그리고 단전자 트랜지스터 등 나노 단위의 소자 구현을 위한 신소재가 개발되고 있다. 또 전자현미경과 주사터널링 원자현미경 등을 이용한 나노물질의 특성 평가와 원자단위에서의 물질 배치 제어 등도 주요 관심사다.

20세기 들어 급속히 발달한 바이오기술은 인간의 수명을 2배 이상 연장시켰다. 하지만 단순히 오래 살기보다는 건강하고 행복하게 오래 사는 것이 중요해진 만큼 인공바이오소재에 대한 요구가 점차 커져 가고 있다. 인체를 이루는 조직은 뼈나 치아 같이 딱딱한 경조직, 그리고 피부나 근육과 같이 말랑말랑한 연조직으로 구분된다. 이런 신체 조직들에 문제가 있을 때 치료를 목적으로 인간의 몸에 삽입하는 소재를 바이오소재라고 하는데, 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 재료가 쓰인다.

바이오소재는 인체에 사용되는 것인 만큼 생체친화성과 생체안전성이 무엇보다 중요하다. 새로운 생체재료를 개발하는데는 천문학적인 비용과 시간이 소요되지만, 생체재료는 수명을 연장시키며 건강하고 행복한 생활에 대한 인류의 욕구를 충족하기 위해 앞으로도 끊임없이 연구·개발될 것이다.

환경에너지기술은 산업화의 결과로 우리 인류가 안게 된 환경오염 문제를 극복하기 위해 사용된다. 이런 요구에 부응하기 위해 재료공학은 환경오염원을 제거할 수 있는 재료뿐 아니라, 사용 후 버려지더라고 환경오염을 전혀 시키지 않는 환경친화적인 재료를 개발하기 위해 노력하고 있다.

예컨대 우리생활과 밀접한 PVC와 같은 고분자 재료에 첨가돼있는 가소제와 다이옥신 같은 환경호르몬 등은 생물의 성장·생식·면역·정신기능을 교란하고 장애를 일으키므로 이를 대체할 수 있는 신개념의 생태친화성 고분자재료의 개발이 필요하다. 또한 소각처리 없이 단순히 땅에 묻기만 해도 분해가 될 수 있는 생분해성·광분해성 고분자 재료를 개발하는 연구가 진행되고 있다.

화학에너지를 바로 전기에너지로 직접 변환시키는 연료전지는 환경오염물질을 전혀 배출하지 않는다는 점에서 꿈의 에너지로 인식되고 있다. 그러나 이를 자동차, 휴대용 컴퓨터 등과 같은 곳에 응용하기 위해서는 전해질과 전극, 연결부품 등 모든 것이 개발돼야 한다. 따라서 재료공학에서는 이를 위한 신소재를 개발하는데 힘쓰고 있다. 이 밖에도 자기부상열차나 자기공명장치 등에서와 같이 교통과 의학 분야에서 성공적으로 활용되고 있는 고온 초전도체의 개발 역시 환경에너지문제 차원에서 많은 관심을 불러일으키고 있다.

우주항공기술에서는 어느 다른 분야보다도 극한 상황에서 제 기능과 특성을 유지하는 신소재가 요구된다. 예를 들면 우주왕복선이 지구궤도에 진입할 때 발생하는 초음속의 충격과 1천6백℃의 고온에 견딜 수 있는 신소재의 개발은 인류에게 우주여행의 가능성을 열어주었다. 또한 항공기와 잠수함의 이음쇠 부분을 빈틈없이 조여주거나 인공위성의 안테나를 작게 접어서 우주로 운반한 뒤 원래 모양으로 펴서 사용할 수 있는 기능성 형상기억합금은 우주항공기술 구현에 있어 핵심 신소재로서 연구되고 있다.

컴퓨터 기술과 접목한 재료공학은 컴퓨터 시뮬레이션이나 모델링을 통해 사이버기술의 형태로 새로운 장을 열어가고 있다. 특히 현대의 재료공학에서는 극미세의 나노재료의 응용이 중요해진 만큼 현실에서는 불가능하거나 막대한 비용과 시간이 필요한 실험 등이 빈번히 요구되고 있는 상황이다.

이런 문제를 해결하기 위해 컴퓨터 모델링과 시뮬레이션 기법들이 재료 연구에 활발히 도입돼 시행되고 있다. 컴퓨터에서 원자의 운동을 다양한 조건에서 관찰하고 해석하며 다양한 재료에 따른 반도체 소자의 수명 등을 예측하는 일이 그것이다. 따라서 재료공학자는 재료의 합성과 특성평가를 뛰어넘어 가상공간 속에서 실제 조건에 완벽히 적용 가능한 재료를 설계하는 디자이너가 되기도 한다.

3. 어디에 있어요?

재료의 중요성과 재료공학이 모든 공학분야의 기본이 되는 학문분야라는 인식 아래 전국의 모든 대학에 재료공학과 관련된 학과가 있다. 재료공학은 과거에는 재료의 특성에 따라 금속재료공학, 무기재료(세라믹)공학, 고분자(유기재료)공학으로 나뉘어져 있었다. 최근에는 재료공학 전반에 대한 연구와 이해가 중요해지면서 대부분의 대학에서 통합 운영되고 있다.

대학에 따라 다양한 이름을 사용하고 있는데, 대표적인 것은 재료공학부(또는 재료공학과)다. 이밖에도 재료화학과, 재료금속공학과, 재료금속화학공학과, 재료금속고분자화학공학과, 식품공학재료공학과, 금속재료공학과, 무기재료공학과, 고분자공학과, 건설재료공학과, 토목지구시스템신소재산업화학과, 신소재화학환경공학과, 신소재화학공학과, 신소재응용화학과, 신소재시스템공학과, 신소재생명공학과, 신소재과학과, 신소재공정공학과, 신소재공학과 등이 있다.

4. 뭘 배우는데요?

재료공학을 영어로 보면 ‘Material Science & Engineering’으로 표현된다. 재미있는 것은 재료공학부가 공학분야이면서도 이름에 과학이라는 단어가 들어간다는 점이다. 그만큼 재료공학에서는 산업적 응용이라는 공학적인 측면뿐 아니라 원리적인 이해라는 과학적 측면이 강조되는 것이다. 예를 들어 반도체 재료공학자는 반도체가 무엇이고 어떻게 작동하는지 제대로 알아야 반도체 재료의 여러 성질이나 공정을 연구할 수 있다.

특히 새로운 재료가 원하는 성능을 최대한 발휘하려면 거시적 관점에서 재료의 성능을 판단하고, 미시적 관점에서 재료의 구조, 공정, 성질을 연구해야 한다. 따라서 재료공학에서는 기초와 응용에 관한 과목을 두루 배운다고 볼 수 있다.

구체적으로 기초과정에서는 미적분학 물리학 화학 등의 기초과학과목과 함께 컴퓨터, 재료공학개론 등을 배운다. 또한 열역학 고체역학 동역학을 비롯한 다양한 역학과목, 유기화학 무기화학 물리화학 등의 화학과목, 공학수학 통계역학과 같은 수학과목, 재료현대물리 재료수치해석 등의 전공과목도 아울러 배움으로써 재료공학도가 되기 위한 기초를 쌓는다.

상급과정에서는 재료에 대한 깊이 있는 이해를 위해 재료상변태 재료이동현상론 X-선결정학 고분자재료화학 고분자재료물리 고분자정밀화학 재료기기분석 세라믹스물리화학 재료공정제어 제련공학 박막공학 등의 과목을 배운다. 다른 공학분야와의 연계를 위해 전기회로 고체물리 전자기적성질 전위론 자성재료 전자물성응용 반도체집적공정 응용전기화학 등을 배운다.

재료공학은 금속재료, 무기재료(세라믹), 고분자재료, 반도체재료 등을 망라하는 학문분야이므로 분야별로 다양한 학습 프로그램이 있다. 고학년의 학생들은 자신의 관심분야에 따라 선택적으로 수업을 들으며 다양한 실험을 통해 이해를 높인다.

5. 어떤 학생을 원하나요?

재료공학은 학문의 특성상 산업적 응용이라는 공학적인 측면뿐만 아니라 원리적인 이해라는 과학적 측면이 함께 강조된다. 따라서 수학, 물리, 화학 등 기초과학 분야에 대한 흥미가 있어야 하는데, 특히 현대물리와 고체물리 분야는 중요한 위치를 차지한다. 또한 재료를 분석하고 합성하는 과정이므로 사물에 대한 분별력과 이를 종합할 수 있는 능력이 요구된다.

물질을 분석하고 합성하는 과정은 실험과 밀접하게 연관돼 있으므로 재료에 대한 흥미나 관심뿐만 아니라 탐구심과 인내력이 요구된다. 그리고 공동으로 연구하는 것이 요구되므로 협동심과 자신이 생각한 바를 올바르게 전달할 수 있는 의사전달능력 등이 있어야 한다.

아울러 거시적 관점에서 재료의 성능을 판단하고 이의 적용성에 대한 판단력을 갖추기 위해서는 공학 전반에 대한 넓은 시야가 필요하다.

6. 졸업 후 진학하고 싶은데요?

재료공학이 실제 산업에서 어떻게 응용될 수 있는지를 파악하고, 심도있고 전문화된 연구를 위해서는 대학원진학이 바람직하다. 대학원은 국가차원의 기초연구뿐만 아니라 산업체와의 협력 프로젝트 등을 통해 학부과정에서 습득한 전공지식이 산업제품에 어떻게 응용되고 도움이 되는지를 몸소 체험할 수 있는 기회가 된다. 이 때문에 자기 전공에 대한 자긍심을 느낄 수 있으며 졸업 후 취직에도 유리하다.

대학원에 진학한 학생은 관심있는 재료분야 별로 실험실에 소속되며, 자신이 탐구하길 원하는 주제를 정하고 체계적인 연구를 수행하게 된다. 대학원은 석사과정과 박사과정으로 나눠져 있으며, 일반적으로 석사 2년, 박사 5년의 기간 동안 연구하고 논문을 쓰게 된다. 석사와 박사를 통합해 운영하면서 박사학위를 취득하는데 걸리는 기간이 4년 이내로 줄어든 대학도 있다.
국내의 재료공학 관련 대학원의 경우, 외국의 유수 대학에 결코 뒤지지 않을 만큼의 연구환경이 밑받침돼 있으며 세계적 수준의 우수 연구논문들이 발표되고 있다. 박사학위를 받은 이후에는 주로 취직을 하거나 해외 대학으로 박사후 과정을 밟기도 한다.

최근 5년 간 재료공학 박사학위 취득자의 진로현황에 따르면 반도체 회사로의 취직이 54%나 될 만큼 전자 관련 분야 회사로의 취직이 가장 많다. 이 밖에 학계·연구계(14%), 환경에너지(8%), 기계·중공업(8%) 등 다방면으로의 진출이 이뤄지고 있다.

7. 취직을 선택하면요?

대학에서 배운 지식을 현장에 적용하고 싶은 학생은 취직을 선택하는데, 재료공학을 전공한 학생은 대기업, 중소기업, 벤처기업, 공기업, 정부출연 연구소 등 다양한 영역에서 생산·관리·연구개발분야의 전문가로 활약하고 있다. 공학 전반에 대한 지식과 과학적 분석틀을 습득할 수 있기 때문에 사회에 진출할 수 있는 분야가 매우 다양한 것이다.

포항제철 등 소재 산업체와 삼성, LG 등의 전기·전자 산업체를 비롯해 기계, 자동차, 조선, 발전 등의 다양한 산업체로 진출이 가능하다. 특히 재료분야의 경우는 타 공학분야에 비해 연구·개발 관련 수요가 많아 연구직으로의 진출기회가 많다는 특징을 갖고 있다.

최근 5년 간 전국 51개 재료공학 관련 대학의 취업률은 학부 졸업생의 경우 83.4%이며, 대학원 졸업생은 94.8%이다. 전자, 반도체, 정보통신 관련 소재 분야로의 진출이 가장 많았고, 산업기계, 정밀화학 관련 소재 분야 등에도 다양하게 진출했다. 남학생의 경우 학부 졸업 후 3년제 산업체 근무, 석사 졸업 후 5년제 연구소 근무 등을 통하여 병역 문제를 해결할 수 있으며 박사과정을 밟더라도 전문연구요원제도와 같은 혜택을 받으며 공부를 계속할 수 있다.

재료공학은 자동차, 반도체, 철강, 화학, 화공, 섬유, 전기, 전자, 조선, 항공 등 모든 영역에 관련되기 때문에 다양한 분야에 진출할 수 있다. 다양한 학문분야를 관통하고 있는 재료공학의 학문적 특성으로 인해 재료공학은 공학분야의 ‘경영학’이라 해도 과언이 아니다. 실례로 우리나라의 유명한 전자회사 경영진의 전공분포를 보면 재료공학이 24%라는 높은 비율을 차지하고 있다.