한국항공우주연구원

최근 파인세라믹ㆍ원자력ㆍ항공우주 등 21세기형 첨단산업이 급속도로 발전하면서 이를 뒷받침하기 위한 신소재 개발의 중요성이 커지고 있다.

이 같은 신소재 개발을 위해서는 초고온 상태에서의 온도 및 다양한 물성(물리적 성질) 측정이 필수적이다. 초고온 상태의 물체의 온도와 물성 측정은 소재의 질적 향상과 정확도를 높이는 요인으로 작용하기 때문이다.

그러나 문제는 초고온 상태에서는 실험물질을 올려놓은 용기가 녹아버리거나 서로 반응해버려 오류가 발생하므로 정확한 측정이 불가능하다는 것이다.

이 같은 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 공중부양장치다. 공중부양장치는 중력이 발생하지 않는 우주와 같은 환경을 구현해 용기를 사용하지 않고 물체를 공중에 올려 각종 실험을 가능하게 한다.

이미 미 항공우주국(NASA)은 우주정거장에서 공중부양장치를 운영하고 있으며 유럽 우주국(ESA), 일본 우주항공연구개발기구(JAXA) 등도 우주왕복선과 항공기 제트엔진에 사용될 수백~수천도의 초고온에 견디는 초내열강 신소재 개발에 활용하고 있다.

우주실험실에 대한 꿈이 최근 우리나라에서도 현실화하고 있다. 이근우 한국표준과학연구원 온도광도센터 박사는 초고온ㆍ과냉각의 극한환경이나 우주환경과 유사한 상황을 구현해 비접촉식으로 신소재를 연구개발(R&D)할 수 있는 '우주실험실 구현장치'를 개발했다.

연구팀은 지난 2007년부터 연구개발비 약 4억원을 투입해 이 장치를 개발해 약 1,500도의 초고온 상태에서 용기 없이 물체를 공중에 부양하는 시험에 성공했다. 공중부양장치는 미국ㆍ일본 등 4개국만이 보유하고 있으며 세계에서는 8번째로 개발됐다.

이 박사가 개발한 우주실험실 구현장치는 용기에 담지 않은 채 액체나 고체를 공중에 띄울 수 있어 정확한 물질의 물성 파악이 가능하다는 것이 특징이다.

이 장치는 정전기장을 발생시키는 두 전극 사이에 대전된 물체를 두고 중력을 극복할 만큼의 전기장을 걸어 물체를 부양시킨다. 레이저를 이용해 가열하면 물체는 공중부양한 상태에서 점차 온도가 올라가 마치 태양과 같은 빛을 발산하며 액체로 변하게 된다.

이 박사는 "중력이 없는 우주에서는 대류현상이 발생하지 않아 순도 높은 연구가 가능하다"며 "이 우주실험실 구현장치는 천문학적 비용이 소요되는 생물ㆍ물리ㆍ화학ㆍ재료ㆍ기계 등의 우주실험을 효과적으로 수행하는 밑거름이 될 것"이라고 말했다.

특히 고체와 액체를 포함한 다양한 재료를 용기 없이 공중에 띄울 수 있기 때문에 용기와의 접촉에 따른 오염이나 측정 오류 및 측정 신호의 감소 등을 차단할 수 있다. 이를 통해 항공우주ㆍ철강ㆍ군사ㆍ세라믹ㆍ의료 등 다양한 분야의 물질 연구에 활용될 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 또한 초고온 재료의 물성 정보를 구축해 일부 선진국이 독점하고 있는 재료 정보를 자체적으로 확보할 수 있게 돼 신소재 분야 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 전망된다.

이 박사는 "우주환경을 이용한 연구는 국가 간 기밀사항이기 때문에 상호 정보교환이 매우 어렵다"면서 "우리나라가 우주개발 및 관련 분야 발전을 선도하기 위해서는 우주환경을 이용한 실험 시스템 구축이 필수적"이라고 강조했다.

김동락 한국기초과학지원연구원 박사팀은 초전도 자석의 자기장을 활용해 우주의 무중력 상태와 같은 환경을 구현하는 '미소중력장치'를 개발하고 있다. 미소중력이란 궤도상의 인공위성이나 자유 낙하하는 엘리베이터 내부에서와 같이 물체에 중력이 작용하지 않는 상태를 의미한다.

김 박사는 이 미소중력장치 개발에 액체질소 등의 고가의 냉매를 사용하지 않고도 4.5K(-269.15도) 이하까지 냉각시켜 고자기장을 발생시키는 '무냉매 전도냉각형 초전도 자석'을 활용했다.

김 박사가 개발하고 있는 미세중력장치는 특정 용기 내부를 산소로 가득 채운 뒤 위쪽에 탑재된 초전도 자석으로 고자기장을 발생시키면 지구 중력과 자기장의 힘이 균형을 이룬 위치에서 무중력 상태가 만들어진다. 이러한 미세중력상태를 이용하면 지구상에서는 중력 때문에 불가능한 순도 100%의 결정체를 만들 수 있으며 새로운 재료의 합성이나 신약 제조에 활용할 수 있다. 또한 지구상에서는 만들기 어려운 단백질체 결정을 제작할 수도 있다.

김 박사는 "지구상에 존재하는 물질들에는 미세한 자성이 포함돼 있다"며 "고자기장의 힘이 지구 중력과 상쇄돼 물체의 부상이 가능해지는 것"이라고 설명했다.

그는 또한 "미소중력 환경에서는 액체의 대류현상을 억제해 양질의 결정을 성장시킬 수 있기 때문에 중력의 영향으로 섞여지지 않아 만들 수 없었던 물질을 합성해 신소재 개발에 응용이 가능하다"고 덧붙였다.

※ 본 기사는 아래 사이트에 실린 기사를 편집한 내용입니다.

참고 : 대덕=인터넷한국일보