재료공학, 생명화학공학

재료공학: 김병호 고려대 재료공학과 교수

 

공부는 부모나 교사가 강제로 시켜서 되는 것이 아니고, 공부의 진정한 즐거움을 까달았을 때 공부의 능률도 오르고 새로운 학문을 탐구하고자 하는 의욕이 생긴다. 인간의 삶에 대한 재료선택이 삶의 중심역할을 해왔다. 재료공학은 재료의 조성과 구성, 구조 및 가공과 재료의 성질 및 용도와 관련되는 지식을 탐구하고 응용하는 학문이다. 재료과학은 재료의 성질에 중점을 두고 재료구조가 어떻게 조성되고 성질 및 여러 작용과 어떻게 관계있는지 그 이론을 설명하는 학문이고, 재료공학은 특별히 요구되는 재료를 발전시키는 학문이다. 기본원리는 공학에 결부시켜 재료특성을 규정하는 요인을 고찰함으로써 새로운 재료개발을 위한 기초지식을 부여하고, 기존재료에 대한 성질을 이해하여 응용하는 학문이다. 대학강의에서는 원자결합, 금속, 세라믹스, 고분자. 반도체의 구조, 비정질(비결정성 고체, 무정형 고체) 구조와 결함 등 각종 재료 구조를 살펴본다. 또한 구조결함과 성질관계를 규명하여 성질변화를 위한 공정과정과 금속 세라믹스 복합재료 등의 전자기적 성질을 살펴본 후 재료설계를 위한 환경에 따른 열화과정을 살펴 올바른 재료 선택을 다룬다.

 

나노물질은 수억개 이상의 원자로 구성된 마이크로 크기의 벌크 물질(육안으로 입자를 볼 수 있는 물질: 모래 시멘트 등)과 몇 개의 원자로 구성된 분자의 중간형태이다. 나노세계를 이루는 초미세영역에서는 양자효과와 같은 특이한 현상이 발생한다. 즉 벌크물질의 연속적 에너지와 원자나 분자의 불연속적인 에너지 준위를 동시에 갖는 것이다. 기존재료의 특성과 구조를 바꿔 새로운 기능을 부여하는 나노기술을 활용하면 초미세 양자레이저와 새로운 발광소재를 개발할 수 있다. 나노기술은 광범위한 분야에 기여할 것이나 가장 큰 영향을 줄 분야는 의학이 될 것이다. 21세기는 인간 오감을 능가하는 센스재료 개발로 인조인간 탄생이 가능한 시대다. 노화로 기능이 떨어진 장기를 대체하는 생체재료 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 초음파, 적외선, 자외선 센서는 인간의 오감을 능가하는 기능을 수행할 수 있다.

 

삶의 질을 향상시키기 위해 환경오염을 발생시키지 않는 대체 에너지를 개발하고 환경오염을 제거하는 신소재 개발이 필요하다. 연료전지는 공해 없는 발전소, 배기가스와 소음 없는 자동차, 차세대 에너지원이다. 이것은 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 발전장치로 에너지효율을 높이고 환경오염과 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 미래 에너지원으로 기대되고 있다. 또 열로 인한 손실이 없이 전류가 흐르는 초전도현상은 절대온도 4K에서 처음 발견되어 점점 높은 온도에서 발견되고 있다. 초전도체는 자기부상열차 등 교통과 의학분야에 활용되고 있다.

 

우주여행이 가능하게 된 것은 가볍고 강하며 고열을 견디는 세라믹스와 복합재료를 개발하여 우주왕복선에 사용할 우주항공기술이 있었기 때문이다. 비행기에 많이 사용하는 두랄루민 , 티타늄 합금 등의 개발은 인간의 활동무대를 넓혀준다. 특정온도에서 일정 모양을 만든 후 다른 모양으로 바꾸더라도 특정 온도에 도달하면 처음 모양을 기억하고 되돌아가는 형상기억합금은 생활용, 건축용, 의료품 재료로도 폭넓게 활용된다. 신소재 혁신바람은 컴퓨터 속에서 펼쳐지는 가상세계에서도 불고 있다. 모델링 시뮬레이션 가상공장은 현실적으로 어려운 실험을 가능케 한다. 컴퓨터에서 DNA구조를 바꿔가며 그 결과를 예측하고 다양한 조건에서 해석할 수 있다. 각종 재료 성능을 테스트하고 문제점을 발견하며 좀 더 완벽한 재료를 찾기 위해 가상 실험공간을 설계할 수 있다.

 

우리가 다루는 모든 재료는 무기, 유기 재료 또는 금속, 미금속이든 모두 원자를 함유하고 있다. 각종재료의 내부구조와 상호작용을 이해하기 위해 일반물리 일반화학을 먼저 공부해야 한다. 다음에는 재료 성질을 이해하기위해 여러 환경에서 재료의 거동behavior을 알아야 한다. 재료의 온도와 열은 재료기술에서 중요하므로 열용량, 비열, 열팽창, 열전도 등의 열적 성질에 대한 충분한 이해가 필요하다. 금속과 반도체는 전장 내에 놓이면 전기전하를 전도하게 되므로 전도도(고유저항) 그리고 전기절연체는 전기전하를 운반하지 않아 유전상수로 비교 검토된다. 결국 재료의 전기 및 유전성질에 대한 개념을 알아야 한다. 재료성질에 관한 정량적 데이터를 확실하게 아는 것이 재료설계에 필요하다. 재료들은 어떤 힘에 응집되어 있다가 환경조건에 따라 그 힘이 약해지면 깨지고 해리되고 분해되어 본래 모습이 변형되므로, 고체 물성적 입장에서는 기계적, 열적, 전자기적, 광학적, 화학적 성질이 어떤 원리로 나타나는가를 결정구조나 전자구조 입장에서 이해하도록 노력해야 한다.

 

교과서 내용을 이해하고 각종 현상에 대해 어떻게 의문점을 해결하려고 노력했는가를 살피면서 사고방식과 통찰력을 베워나가야 한다. 사물 세상에 대한 눈높이를 올리기 위해 과학사를 아는 것도 중요하다. 그리고 세계화, 미래사회에 적응하기 위해 언어구사능력, 읽고, 쓰고, 듣고 말하는 능력은 필수적이다. 특히 대학은 스스로 학습하면서 배워나가는 장소다. 자기학습의 기본은 책을 읽는 일이고, 정보를 분별하고 비판하는 능력을 키워야 한다. 역사와 지리 지식과 함께 문화인류적 관점에서 사물을 보는 눈을 가져야 한다. 세상을 멀리 넓게 내다볼 수 있는 경험을 갖는 것이 중요하다. 스스로 여기가 어딘지, 자신이 누구인지, 지금 이 시대적 흐름이 어떤지에 대해 스스로 고민하고 공부에 대해 무엇을 배워야 하는 스스로 그 의미를 찾아야 한다.

 

생명화학공학: 이상엽 카이스트 생명화학공학과 교수

 

화학은 여러 물질의 성질, 구조, 조성 및 반응에 대해 연구하고 그 원리를 이해하며, 이를 바탕으로 새로운 물질을 발견하거나 새로운 신물질을 만들어내는 것이다. 세부적으로 물리화학, 유기화학, 생화학 등으로 분류할 수 있다. 화학공학은 화학 및 물리학의 기본원리를 응용하여 인류에게 유용한 여러 물질을 생산하는 학문이다. 이를 위해 효율적인 공정을 디자인하여 개발하고 환경, 에너지 문제를 해결하고 새로운 촉매를 찾고 분자집합체를 이용한 여러 소재를 개발한다.

 

생명화학공학은 일반물질 중에서 살아있는 생명체와 그의 구성물질들을 이용한다는 점에서 차이가 있다. 살아있는 생명체의 생명현상을 이해하여야하기 때문에 생물학, 생화학, 유전학 등 생명과학분야에 대한 넓고 깊은 지식이 필요하다. 최근에는 각종 생명현상을 이해하고 응용하기 위한 다양한 분석방법이 개발되면서 전산학, 물리학, 기계학, 나노공학 등 다양한 지식이 융합되어 응용되고 있다. 요즘은 생명공학과 생명화학공학의 경계선이 무너진 상태고 다양한 융합 연구가 이루어지고 있다.

 

생명공학은 생명체를 이용하여 인류를 건강하고 풍요롭게 한다. 그 중에서 생명화학공학은 생물 관련 지식을 인류에게 유용한 물질을 경제적으로 생산하고 환경을 건강하게 만든다. 생명공학은 upstream 기술과 down stream기술 두 가지로 분류할 수 있다. 업스트림 기술은 생명체를 우리가 워하는 물질을 효율적으로 만들기 위해서 생화학, 미생물학, 분자생물학 등의 지식과 기술을 바탕으로 개량하는 기술을 총칭한다. 이중 나선구조를 밝힌 후 특정 DNA를 원하는 대로 자르고 붙이는 유전자 재결합기술로 인해 생명체를 이용 혹은 응용할 수 있는 범위가 넓어졌다. 다운스트림 기술은 다양한 유용한 물질을 생산하는 생명체를 이용하여 우리가 원하는 유용물질을 효율적으로 대량 생산하고 정제할 수 있는 기술이다.

 

미생물은 눈에 보이지 않을 정도로 작은 생명체이지만 이것 때문에 생명을 잃기도 하고 발효음식을 만들 수도 있다. 치료용 단백질과 의약품도 미생물을 통해 생산되고 환자 생명을 구하는데 사용되고 있다. 그 외 미생물을 개량하여 생활에 유용하게 쓸 수 있는 제품을 만들기도 하고 에너지를 만들고 토양정화도 할 수 있다. 실생활에 유용하게 쓸 수 있는 대부분의 물질을 만들 수도 있다. 미생물의 다양한 생물학적 기술이 축적되면서 유전자 재조합 기술이나 분자 생물학적 기술을 이용하여 미생물의 대사회로를 우리가 원하는 방향으로 바꾸는 대사공학기술이 개발되었다. 앞으로 생명공학은 우리나라의 지속적인 발전에 핵심역할을 하게 될 것이다. 새로운 생명체를 발견하고 생명체의 자연현상을 규명하여 이러한 지식을 바탕으로 새로운 치료제나 일상의 다양한 유용한 물질을 생산하게 될 것이다.