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    • 최병호 교수
      폴리에틸렌(PE) 배관재의 파괴기구에 따른 수명평가 및 모델링 연구
      최병호 교수(고려대학교 기계공학부)
      이메일:bhchoi at korea.ac.kr
      장소:고려대학교 창의관 420호
      973 0 0

    안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!
    가스 설비 및 부속설비 등을 구성하는 장치재료에 대한 연구의 중요성은 익히 알고 계실 텐데요. 사용 중에 발생하는 손상을 최소화해 파괴 원인을 규명하고 설비장치의 남은 수명 평가와 연구를 통한 경제적 손실뿐만 아니라 재해방지를 위해서도 필요한 연구입니다. 이번 대한기계학회 유체공학 부문 춘계학술대회에서 폴리에틸렌 배관재의 수명평가와 모델링 연구로 최병호 교수님께서 발표하셨는데요. 좀 더 깊이 있는 연구내용과 대외활동에 대해서 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.



    1. 현재 하고 계시는 연구에 대해서 간략한 소개 말씀 부탁드리겠습니다.

    우리 연구실은 주로 소재 관련된 연구를 하고 있는데, 특히 소재가 요즘은 만드는 것보다 고분자 소재나 세라믹, 일부는 복합적인 금속에 대해서도 개발된 소재에 대해서 물성을 평가한다든지, 특히 장·단기 물성평가 아니면 파괴 현상 같은 것들을 연구하고 있습니다. 그래서 주로 소재적인 내용의 연구를 기계적인 방법으로 접근하고 있습니다.다.


    2. 교수님이 발표하신 논문에 폴리에틸렌 배관재의 파괴기구에 대해서 봤는데요. ISO 및 ASTM과 같은 표준 가속 시험법으로 잘 정리되어 있다고 들었습니다. 그런데 현재 폴리에틸렌 배관재의 표준 가속 시험법에 대해서 궁금한데요. 간략하게 소개 및 설명 부탁드립니다.

    고분자 배관재의 장기 물성 평가에 관련된 내용은 보통 파괴의 형성에 대해서 많이 구분되는데요. 파괴 형성이라는 것은 파괴 모드를 의미하는 것입니다. 파괴 모드가 연성파괴(Ductile), 취성파괴(Brittle) 또는 환경파괴(Environmental Cracking), 세 가지로 보통 나눠서 진행하게 되고요.

    연성파괴 관련된 부분이 가장 많이 정리가 잘 되어 있어요. 예를 들어 연성파괴 경우 ISO나 ASTM 같은데 모두 잘 정리가 되어있는데, 지금 우리나라 같은 경우에는 ISO 표준을 많이 쓰게 되거든요. ISO 9080 같은 표준이 있는데 그런 표준의 경우에는 주로 파이프 실험을 하는 내압이라고 Internal Pressure를 집어넣은 상태에서 얼마 동안 견딜 수 있는 것인지를 고온 테스트를 하는 거죠. 고온에서 테스트를 한 다음에 이제 상온테스트를 했을 때의 결과를 뽑아야지만 실제 Field에서의 파괴 현상을 예측할 수 있는 데 시간이 오래 걸리니까 가속을 하기 위해서 온도를 함수로 해서 고온평가를 한 후에 상온 상태에서의 수명을 예측하는 그런 식으로 평가가 진행되는 거고요. ASTM도 비슷한 형태로 평가가 진행되고 있습니다.

    아까 말씀드린 것처럼 연성파괴 말고 취성파괴의 형태도 잘 정의가 되어 있는데요. 보통 연성파괴의 경우에는 균열이 발생해서 얼마 지나지 않아 파손되기 때문에 파손에 대한 최종 수명만 평가하면 되는데요. 그런데 취성파괴의 경우 균열 발생 수명이 따로 있고 이미 발생한 균열이 얼마 동안 진전하느냐가 굉장히 중요한 parameter가 돼요. 그래서 보통 취성파괴를 평가할 때는 균열의 진전 저항성을 평가하는 방법을 쓰고 있고요. 마찬가지로 ISO나 ASTM에 잘 정의가 되어 있고. 기존에 있는 평가 법들은 90년대나 뭐 이럴 때 보통 Norman Brown(University of Pennsylvania) 교수, Alexander Chudnovsky(University of Illinois at Chicago) 교수분들께서 많이 실험하셨어요. 그 내용이 일반적으로 시편이 CT라고 Compact Tension 같은 시편을 쓴다든지 아니면 SENT라고 해서 Single Edge Notched Tension, 균열이 하나인 형태의 실험을 많이 했었거든요. PENT라는 형태를 만드는 것도 비슷한 형태로 만드는 건데 그렇게 진행이 되다가 최근에 2000년 중반 이후부터는 더 가속적인 실험을 해야 하게 된 거죠. 왜냐하면 기존에 있는 수명평가 시험법들로 평가를 하면 제품이 워낙에 좋아져서 구별이 안 돼요. 더 가혹한 조건으로 실험하는 형태가 제안됐고, 최근에 나온 게 ISO에서도 제안이 되었던 것처럼 CRB라고 하는 Crack Round Bar라고 하는 형태로 많이 평가되게 되었습니다. 그러한 형태로 바꿔서 좀 더 가속적인 형태의 파손 거동을 모사할 수 있도록 하는 형태가 새로 지향이 되고 있고요.

    세 번째 형태의 파손 모드인 환경파괴 경우는 아직은 폴리에틸렌 소재에 대해서는 평가법이 없어요. 그래서 JANA Laboratory(Canada)라고 하는 연구소가 있는데 캐나다 연구소 아니면 미네소타주립대학에서도 연구를 진행하고 있고 그런 식으로 일부 지역에서 자기 나름의 평가방법, 아까 말씀드린 일리노이 주립대 경우도 하고 있기 때문에 일부 지역별로 본인들의 어떤 생각에 기반을 두어 시험방법이 개발되고 있습니다. 아직은 ASTM이나 ISO와는 관계 없고요. PAX라고 해서 폴리에틸렌 소재의 배관 재인데 그냥 폴리에틸렌이 아니고 거기에 Cross Linking을 시켜 만든 소재에 대해서는 평가법이 있어서 그것을 중용해서 시험하는 경우도 있습니다.


    3. 폴리에틸렌(PE) 재료의 특성상 전통적인 파괴역학 기법으로는 설명이 적절하지 못하다고 하셨는데요. 기존의 폴리에틸렌 재료의 파괴 역학 기법이 어떤 건지 왜 설명이 불가능한지도 궁금합니다.

    불가능하다고 설명해 드리면 조금 약간 오해의 소지가 있을 수도 있을 것 같은데 기존의 평가방법으로는 평가하기가 어려운 부분이 있는 거죠. 예를 들어 폴리에틸렌 소재의 특징이 달라서 기존에 있는 메탈의 평가법을 적용할 수 없다고 하는 부분은 대부분 연성, 취성, 환경 중에서 연성 파괴는 사실은 큰 관계는 없고요. 보통은 취성이나 환경 파괴의 경우에는 큰 영향이 있을 수가 있는데, 대표적인 건 예를 들어드리면 제 논문을 보시던 다른 분의 논문을 보셔도 아시겠지만 메탈의 경우에는 보통 균열 진전 거동을 평가하게 되는데 SENT건 아니면 CT건 평가하게 됩니다. 균열 진전 구동이 소위 말해 연속적이라고 이야기하는데 균열 진전 구동이 되게 매끈하게 진전하게 돼요. 화면을 보게 되면. 그런데 폴리에틸렌 같은 경우에는 하중조건이 클립으로 즉, 일정 하중으로 들어가든 아니면 피로 형태로 들어가던, 심지어 고속 충격을 가하더라도 연속으로 나가지 않고 환경적인 요인에 따라서는 단속적으로 진전할 수가 있는 거죠. 단속이라는 거는 균열이 마치 점프하는 것처럼 움직이게 되는데 그러한 형태의 거동을 평가하기가 기존의 평가법으론 되게 힘들어요.

    기존의 평가법이라는 건 Paris’ Law라는 균열 진전 저항성을 평가하는 일종의 실험적인 식이 있는데 실험적인 식으로 잘 표현이 안 되니까 그러한 표현들을 이론적으로 접근하기 위해서 다른 접근의 방법이 필요한 거죠. 그래서 제가 쓰는 방법은 기존에 말씀드렸던 것처럼 Energy release rate나 Stress intensity factor에 기반한 Paris’ Law 형태의 접근이 아니고 저는 좀 더 기초 한 접근을 하는데 Crack layer theory 하고 하는 이론을 적용해서 소재의 진전하고 있는 균열의 형태를 균열뿐 아니라 균열 앞에 발생하고 있는 우리가 말하는 Process Zone이라고 하는 두 개 형태의 두 상(Phase) 서로 연결해서 두 상이 어떻게 우리가 드라이브 포스를 가지고 움직이는지 풀어야 되는 거죠. 두 개의 상관관계를 이용해서 균열 진전 저항성을 평가할 수 있고 이렇게 되면 단속적인 균열 진전의 경우에도 우리가 평가할 방법이 잘 반영하게 되는 거죠.


    4. 폴리에텔렌(PE) 배관재는 흔히 하수 및 배수 등을 목적으로 지하에 매몰을 시켜서 토사의 중량 및 기타 물성을 만족해야만 할 것 같은데요. 기계-화학적 열화 거동을 관찰, 분석함으로 확률적 장기수명의 평가가 가능하다고 하는데?

    발생한 균열이 진전해서 관통이 되면 누수가 되는 거잖아요. 폴리에텔렌 배관이라는 게 사용한 지 몇십 년 되었는데, 주로 사용하는 용도가 배수 또는 급수 또는 제일 많이 요즘 흔하게 쓰이는 바닥 난방으로 쓰이고 있거든요. 집에 난방하실 때 바닥엔 거의 폴리에틸렌이 깔려 있는데, 그러한 것들이 각 응용 분야에 따라서 안에 들어가 있는 물체도 다르고 액체도 다르고 그게 기체일 수도 있거든요 환경도 다르고 온도도 다르잖아요. 그러다 보니 우리가 소재를 개발할 때에는 일반적으로 환경의 효과를 크게 고려하지 않고 온도 정도만을 변화시켜서 가속 실험을 하고 그다음에 Arrhenius 식을 이용하여 환산을 시켜서 수명을 평가하게 되는데요. 그러다 보면 걸리는 부분이 안에 들어있는 액체나 기체가 어떤 것인가에 따라서 우리가 그걸 고려하지 않고 Air 상태에서의 측정 결과와 수명이 크게 차이는 경우가 생겨요. 그렇게 되었을 때는 기계적인 역학적 접근을 한다는 것은 고분자 소재가 시간이 지남에 따라서 생기는 다른 어떤 기체 또는 액체와의 접촉조건을 무시하고 평가를 하는데 메탈 같은 경우 부식이 발생하지 않는다고 하면 그렇게 문제가 안 되는데, 고분자 소재는 안에 들어있는 고분자 소재 구조에 따라서 기본적으로 매우 많은 양의 산화 반응이라던 지 많이 생길 수밖에 없어요.

    고분자 소재는 부식이라는 말은 쓰지 않지만 어쨌든 그게 화학적으로 열화라는 말을 쓰는데 열화가 되면 원래에 있는 초기의 좋은 물성을 유지를 못 하는 거죠. 그러면 원래는 이 정도 하중과 이 정도 온도에서는 Crack이 나가지 않고 견뎌야 하는데 근데 시간이 지나면서 못 견디는 거죠. 똑같은 하중과 똑같은 온도 조건이라고 해도 소재가 화학적 열화가 발생하면서 기계적인 특성도 바뀌게 되는 거예요.

    그런 문제를 풀기 위해서는 기계 화학적 열화 조건을 이용해서 소재에 발생하고 있는, 시간에 따른 물성의 변화를 먼저 관찰을 하고 이 물성의 변화에 따라서 실제로 최종적인 파단 수명을 평가하는 것이 더 좋은 방법이라는 거죠.

    이런 형태가 가정용 배관에 많이 들어가 있을 거예요. 이걸 분배기라고 하는데 외부에서 보일러에서 들어온 물이 분배기를 통해서 방, 욕실, 주방으로 분배를 시키죠. 따뜻한 물이 나온다든지 이런 것들이 분배기를 통해서 진행되는데 이게 사실은 이 안에 들어가는 액체가 상당히 고온 액체잖아요. 물인데 보일러에서 나왔기 때문에 뜨거운 물이기 때문에 뜨거운 물 자체가 원래 기본적으로 고분자 소재에 영향을 줘서 산화 반응을 빨리 가속하기도 하지만 우리나라의 물은 대부분 수돗물이니까 수돗물의 경우에는 거기에는 클로린(Chlorine) 계열의 살균제가 들어가 있잖아요. 클로린은 고분자 소재의 산화 반응을 촉진을 시켜요. 클로리네이션이 발생하게 되면 원래 있는 소재보다 빠른 속도로 산화가 발생하기 때문에 보시는 것처럼 누수가 된 형태거든요. 그래서 분배기에 누수가 발생하게 되고 누수된 분배기는 많은 사람한테 피해를 주게 되는 거죠. 물이 뚝뚝 흘러 새게 되니까. 그렇게 되면 윗집도 문제, 아랫집도 문제라서 이런 현상들을 막기 위한 노력을 최근에 많이 하는 거죠.



    5. 최근에는 2016년 오토 저널에서 연비향상을 위해 고분자 기반의 탄소섬유 복합재를 자동차 차체에 적용하려고 하는 쪽으로 많은 기술개발 필요하다는 글을 읽었습니다. 차체를 플라스틱으로 적용하기 위해서는 어떤 기술이 필요할지, 또한 자동차 차체의 플라스틱 사용의 세계적인 추세는 어떤지 궁금합니다.

    최근에 나온 자동차 업계에서의 큰 화두는 연비 경쟁입니다. 연비를 좋게 만들어야 에너지 효율도 생기고 많은 국가에서도 팔 수 있게 되고, 최근 미국의 경우에는 2020년부터 특정 정도 이상의 연비를 내지 못하는 차는 팔 수 없게 되어 있어요. 아니면 판다고 하더라도 벌금을 물게 되어 있습니다. 그러다 보니 우리가 자꾸 연비를 높여야 하는데 연비를 높이려면 기본적으로는 엔진이나 아니면 기계 구조물의 전통적 개념에서 효율성을 높여서 올리는 방법이 있는데 한계가 있거든요. 그러니까 그걸 극복하기 위해서 제일 좋은 방법은 같은 정도의 기계 구조물이 있다고 하면 움직이는 물체가 가벼우면 더 같은 연료로 많이 갈 수 있기 때문에 경량화를 시키고 싶어 하는 거죠.

    그런 개념에서 오토 저널 자동차 학회에 1년 반 정도 연재하였습니다. 연재했던 글이 결국은 고분자 복합 소재의 자동차 응용에 관련 연재한 적이 있는데요. 결국 중요한 건 기존에 있는 자동차의 소재는 대부분 다 금속이잖아요. 다 철로 되어있든지 아니면 최근의 경향은 경량화시키기 위해서 알루미늄을 쓰는데 철의 비중이 7.9고 알루미늄이 2.7이니까 엄밀히 똑같은 두께라고 하면 약 1/3 정도 약간 넘게 줄어들게 되잖아요. 근데 문제는 알루미늄이 강성, 강도가 떨어지니까 그래서 그건 매우 두껍게 쳐야 해요. 그러다 보니 실제로 밀도가 낮다고 하더라도 무게 감소는 아주 크진 않다는 거죠. 그러다 보니 경량 소재를 찾게 되는 거고 금속 중에 가장 경량화된 구조 소재가 마그네슘인데 마그네슘 같은 경우는 밀도가 1점대 후반이에요 그러다 보니 한계가 있는 거죠.

    근데 아까 보여드렸던 폴리에틸렌 같은 경우 0.9 전후거든요. 폴리프로필렌도 많이 사용이 되는데 0.8∼0.9 정도 돼요. 그러니까 밀도가 매우 낮기 때문에 약간 두껍게 소재를 만들더라도 더 무게는 떨어지는 거죠. 그런데 아무리 우리가 무게를 떨어트리고 두껍게 소재를 만든다고 해도 폴리에틸렌 소재나 고분자 소재들은 기본적으로 굉장히 강성, 강도가 약하기 때문에 이거를 결국은 보완하는 게 필요하고 그래서 결국은 우리가 많이 사용하는 거는 복합소재를 만들게 되는 거죠.

    금속 소재와 복합 소재는 두 개가 다른 형태의 표면특성이 있기 때문에 가장 중요한 것은 우리가 차체를 한 번에 딱 찍으면 좋겠는데 그렇게 하지 못하고 일부분만 우리가 복합소재로 대체하게 되잖아요. 자동차의 Door, BIW(Body-in-White), Pillar만 바꾸게 되는데 문제는 그렇게 바꿨을 때 기존에 들어가 있는 소재와 접합부가 문제가 돼요. 접합부를 어떻게 만들 것이냐. 부분만 따로 만들어서 하는 건 가능해요. 문제는 조립해야 차량이 되는 거니까. 조립해야 되는데 기존 방법은 두 개가 화학적으로 붙어지지 않으니 거기다가 볼트 같은 것을 체결해서 하는데요. 결국 우리가 거기 구멍을 뚫어서 볼트를 끼고 너트를 조여서 막아야 하기에 공정도 복잡해지고 그렇게 만들어진 홀 같은 것들이 모두 또 응력을 집중시키는 문제가 되니까 좋지 않다는 거죠.

    최근에 나오는 방법은 그런 것들을 없애기 위해서 우리가 금속-금속의 경우에는 점용접이라는 걸 쓰는 데요. 근데 여기는 그렇지 않고 접착제를 주로 사용하게 돼요. 접착제나 헤밍(Hemming) 같은 방법을 이용해서 접합을 시키는데 그게 사실 쉽지가 않은 거죠. 소위 말해 이종 소재라고 하는데요. 서로 다른 소재죠. 이종 소재 간의 접합 문제가 해결되지 않으면 부분 부분적으로 좋은 성능을 가진 복합소재가 개발되어도 완성차에는 사용하기 힘들다는 거죠. 그래서 항상 접착제가 굉장히 중요하게 되고 다우 케미컬(미국기업)이나 헨켈(독일기업) 같은 회사들이 이러한 구조 접착제를 굉장히 열심히 만들고 있는데 그런 류에게 있는 거죠.

    고분자 복합 소재라는 놈은 개발 된 지가 꽤 오래됐습니다. 특히 항공기에 많이 사용되었고 아마 최근에 선전하는 거 들어 보셨을 거예요. 드림라이너라고 보잉에서 만든 787 항공기가 있잖아요. 그 787 같은 경우는 타보시면 아시겠지만, 굉장히 비행기가 크지는 않아요. 그러니까 크진 않은데 굉장히 경량화를 많이 시켜서 굉장히 빠른 속도로 날 수도 있고 같은 연료를 넣었을 때 항속거리도 더 멀고 장점이 생기는 거죠. 항공기에 적용되었던 복합소재는 대부분 열경화성 수지라고 한번 붙여놓으면 다시 재생이 안 되는 거예요.

    근데 생각해보면 항공기는 만들어 놓으면 보통 30년 이상 쓰잖아요. 그러다 보니까 얘들이 만들어서 쓰다가 결국 수명이 다하면 결국 폐기를 하면 되기 때문에 이런 사이클 문제가 덜 영향을 받는데 또 이제 공정도 오래 걸리고 공정이 오래 걸려도 큰 상관이 없고 왜냐하면 기간도 오래 주고 만드는 기간도 일단은 제품도 크기 때문에 일단은 빨리 뽑아내야 하는 그런 대량생산의 개념이 없는 거죠.

    열경화성 수지를 쓰더라도 별문제가 없는데 자동차는 빨리 찍어야 하니까 사람들이 이제 기존에 있는 복합 소재의 개념을 적용해서 하기에는 좀 문제가 있다는 걸 안 거예요. 최근에 쓰고 있는 방법은 예전의 방법은 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 플라스틱을 열전도에 썼던 건데 최근에는 CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic)이라고 해서 기준이 되는 고분자 수지를 예전에 사용하던 열경화성 수지가 아니라 열가소성 수지를 쓰는 거죠. 가소성 수지라는 거는 재활용이 가능하고 한번 만든 다음에 녹인다면 녹일 수가 있는 거예요. 그렇게 사용하게 되면 소재를 더 빨리 찍어낼 수가 있고 기존에 방법보다는 대량생산이 가능하게 되기 때문에 더 선호하게 되는 거예요.

    문제는 CFRTP의 경우 우리 소위 말해 점성이 높아서 소재를 안에다 파이버 같은 것을 함침을 시킨다고 하는데 함침을 시켜서 강화했을 때 들어갈 수 있는 탄소섬유(Carbon Fiber)의 양이 제한적이에요. 많이 넣을 수가 없다는 거죠. 기존의 소재에 비교해 그래서 어떻게 극복하느냐 하는 것이 매우 큰 문제여서 최근에 탄소섬유(Carbon Fiber) 또는 유리섬유(Glass Fiber)가 고함침 되어있는 열가소성 수지기반의 복합 소재가 많이 개발되고 이러한 소재를 자동차 업계에서 사용할 수 있도록 많이 연구가 진행되고 있습니다.


    5-1. 세계 수준과 거의 비슷하게 발맞춰 나가고 있다고 봐도 상관없겠네요.

    기술적으로는 그렇다 보셔도 될 거 같고요. 근데 이제 그거를 상용화시키는 측면에서 아무래도 좀 약간 약점이 있고 아직 우리나라에서는 고분자 소재를 너무 저가 소재로만 생각하고 있기 때문에 고가의 응용 구조용 소재로 사용을 하는 거에 대해서 조금 인식이 약하긴 한데 학교 쪽이나 우리나라 여러 기술원이 연구소에서 사용하고 있는 레벨은 낮지 않다고 보는 거죠.



    6. 그럼 교수님의 연구에 관한 질문을 조금 드리고 싶은데요. 차세대재료 물성평가연구실에서 다양한 시험들을 수행하고 계신 거로 알고 있습니다. 어떤 다른 연구들을 수행하고 있는지 소개를 부탁드립니다.

    우리 연구실은 크게 나눠서 두 가지의 큰 부류가 있는데요. 하나는 실험적인 연구를 학생들이 있고 이론적 또는 해석적 연구를 하는 학생들이 있어요. 차세대 재료 물성 평가 연구실이기 때문에 결국은 실험 쪽에 조금 더 방점이 있는 거죠. 주로 기계적인 물성을 평가하는 실험을 하고 있어서 특히 관심이 있는 건 단기 물성 쪽보다는 장기 물성에 관심이 있어요. 그래서 연구실에서는 크립이나 또는 피로 같은 장기물성을 하구요. 장기적으로 많이 보는 것 중의 하나가 표면에 생기는 데미지 같은 것들인데, 스크래치나 표면 쪽에 찍히는 Chipping 같은 데미지같은 것들도 평가를 많이 하고 있고요.

    또 우리 연구실은 연구한 내용 중 제일 중요한 건 Long-term Property이기 때문에 환경적인 요인을 되게 많이 중요시하게 생각을 해요. 예를 들어 아무런 소재를 들고 와서 피로나 크립을 평가하는 것이 아니고 소재가 특정 환경 조건, 필드에서 이야기 하는 아주 고온 다습한 환경, 햇빛이 많이 내리쬐는 환경, 특별한 화학제품에 노출되어 있다든지, 이런 것들을 모사하여 조금 더 실제 상황에 가까운 고분자 소재의 기계 화학적 열화 반응을 모사하고 제품에 대한 Long-term Property 평가를 하게 되는 거죠.


    7. 평가 실험을 위해서는 환경적인 부분이 중요한 만큼 그만큼 어려움도 많이 있을 거 같습니다. 실제 어떤 어려움이 있고 또 이를 어떻게 극복하시는지도 궁금합니다.

    제일 큰 어려움이라고는 아마 실험 쪽 하는 사람들은 비슷한 생각일 텐데 아마 공간이 제일 문제가 될 거에요. 학교마다 비슷한 상황이라 생각하고 공간이 남는 학교는 우리나라에 없다고 생각을 하는데요. 그런데도 공간이 많이 부족한 건 사실이고 저희가 장비를 지금 저희 같은 경우에도 연구실에 거의 꽉꽉 채워놨기 때문에 학생들이 움직이기도 힘들 정도로 최소한의 그런 안전대책에만 반응할 정도로 할 수밖에 없는 상황인데 그러다 보니 학생들이 실험할 때 약간 불편한 점이 없지 않아 있죠. 실험을 많이 할 때 공간을 뭐 확보를 잘 못 하게 되니까 열 문제도 발생을 많이 하구요. 그다음에 실험하는 학생들 간의 간섭문제 예를 들어 진동이 있는 실험장비들이 있는데 그런 진동이 있는 실험 장비들이 있는데 그런 진동이 있는 실험 장비들이 좀 섬세한 나노스케일의 어떤 평가나 아니면 뭐 프로세싱하는 장비들이 있으면 영향을 주거든요.

    그러다 보니 장비들을 놓을 수 있는 조합이 한정적일 수밖에 없고 그럼 장비가 큰 공간에 들어가 있으면 같이 못 들어가거든요. 그러면 그런 문제가 있을 수 있는 장비는 떼서 다른 데다 놔야 하므로 결국 이제 그런 효율적인 공간 배치라든지 공간 확보 같은 문제들이 가장 큰 문제가 되는 거 같고요.

    또 워낙에 이제 좁은 공간에 많은 양의 장비들을 집어넣고 일하다 보니까 결국은 전기 문제가 커요. 전기 같은 것도 뭐 상당히 많은 양의 전기를 쓰게 되고 특정한 실험 같은 경우에는 분진, 특정 화학제품이 나올 수가 있거든요. 우리 연구실은 평가하는 내용 외에 몇 가지 추가적인 실험 연구들이 진행되고 있는데요. 예를 들어서 ALD나 MLD라고 해서 고분자 소재 위에 나노 박막을 증착하는 연구가 있는데. 그럴 때도 화학물질을 되게 많이 쓰게 되거든요. 그러면 그거를 이제 날려버리는 방법 같은 것들이 필요한데 그런 걸 하려고 하면 후드나 퓸 같은 것들도 만들어야 하고 공간이 부족하니까 특정 위치에 장비를 놓게 되면 이제 그 장비 때문에 옆에 있는 것도 영향을 받게 되고 그런 문제들이 큰 거죠.


    8. 평가 연구의 특성으로 여러 많은 업체와 실질적인 연구를 많이 수행 중인 것으로 알고 있습니다. 어떤 사례들이 있는지 사례들 소개를 좀 부탁드리겠습니다.

    사실은 학교에 오기 전에 회사에 있었고 학교 온 다음에도 제 연구 특성상 기업체랑 연구할 기회가 많이 생겨요. 굉장히 필드의 현상들을 모사하는 것을 많이 하고 있다 보니 필드에서 하는 일들은 회사들은 다 관심이 있거든요. 우리 연구실에서 연구하는 토픽 중에 산학과제의 경우는 예를 들어 대기업들 삼성전자, 현대자동차, LG전자, KCC 등과도 과제를 함께 하였고 진행하고 있습니다.

    개인적으로는 중소기업에 굉장히 관심이 많은데 제가 맡은 보직 또한 기업 관련 협력연구를 진행하고 있거든요. 그러다 보니 중소기업하고도 굉장히 이해관계를 많이 맺고 있습니다. 중소, 중견 기업과 예전 중기청에서 진행하는 과제인데 굉장히 좋은 성과를 내서 포상도 받기도 하였고 최근에는 중소기업들과 작은 형태의 Co-Work나 또는 일종의 자문형태 일도 많이 해주고 있어서 개인적으로 되게 보람이 있습니다.

    예를 들면, 삼성전자랑 끝내던 과제를 하나 말씀드리면요. 삼성전자에서는 제가 일했던 부서가 되게 다양하게 있는데 그중에서 대표적인 부서 중의 하나가 GTC라고 삼성전자 내부 과제인데 같은 것을 발굴하고 현업에 있는 R&D와 연결해주는 부서가 있었는데요. 재밌는 내용 중 하나가 뭐냐면 삼성에서는 제품을 개발한 다음에 이걸 Long-term으로 만들어서 팔아야 하는데, 좋은 물성으로 만들었던 제품이 기획한 제품이 한 10년 정도까지 견딜 수 있을지를 잘 모르는 거죠. 기존에 있는 소재로 만들었을 때는 분명히 넘는 것을 알지만 거기서는 경량화 문제가 들어가거든요. 그래서 경량화를 시키기 위해서 소재를 바꿨어요. 바꿨는데, 바꾼 소재가 과연 견딜 수가 있는지를 궁금하셔서 저희 (연구실)에 과제를 받아서 소재를 학교 옥상에다 널어서 필드 열화를 시키고 그다음 실험 장치를 이용해서 가속 열화를 시켜 필드 열화에 대한 내용으로 가속 열화의 어떤 경향을 분석해서 두 개를 상관관계를 맺고 다음 그거를 이용해서 소재가 얼마나 버틸 수 있을지를 평가해야 하는데 결국은 그러한 내용이 나중에 실제 제품 만들 때 적용이 되고, 정말 소비자가 그 물건을 산다면 나중에 ‘어 이거 우리가 원하는 정도의 수명이 이게 아닌데’ 라는 식의 어떤 문제점을 예측, 찾아낼 수 있다는 거죠. 그런 식의 내용이 우리 연구실에서 많이 진행되어 삼성뿐 아니라 LG도 비슷한 형태, 다른 소재에 대해서 연구한 적이 있었습니다.

    LG전자랑은 상용화 관련된 연구도 많이 했었어요. 우리 연구실에서 뭐 회사문제기 때문에 말씀 못 드리지만, 저희 연구실에서 많이 진행했던 연구를 기반으로 해서 상용화되는 최종 제품의 디자인이나 소재라든지 이런 걸 반영을 시켜서 소비자들이 실제로 문제없이 활용할 수 있도록 하는 내용을 많이 도와줬었습니다.


    9. 앞으로 연구 방향 및 목표 계획이 있으시다면?

    대학이라는 곳이 너무 한쪽으로 치우치면 안 될 것 같아요. 대학이라는 곳이 학생들이 공부하고 다음에 산학이든 정부 연구든 연구를 진행하는 연구와 교육이 동시에 진행되는 곳인데. 우리 연구실은 실험을 조금 하고 있지만 다른 연구실이 실험을 조금 덜 하는 것 같아요. 예전에 비교해서는 그런 면에서 해석하는 연구실이 많이 늘어나게 되고, 학생들도 실험하는 걸 덜 선호하는 경향이 있거든요.

    개인적으로는 아무리 해석기술이 발달하고 그다음에 이론적 접근이 되다 하더라도 결국 실험이 동반돼서 검증되지 않으면 그건 반쪽짜리 밖에 안 되는 거거든요. 개인적으로 여러 가지 크랙 층 (CL) 이론이나 해석 같은 것도 많이 쓰기 때문에 그런 중요성은 잘 인지하고 있지만 결국은 실험적인 내용으로 그런 해석적인 접근이나 아니면 이론적인 검증을 해야지만 완벽한 어떤 그림이 그려지기 때문에 그러한 것들을 생각하고 연구를 할 때 지금까지 대부분 다 이렇게 연구를 진행하긴 했지만, 고분자 소재에 굉장히 관심이 많기 때문에 제가 회사도 고분자를 개발하는 회사에 있었기 때문에 고분자 소재에 대한 앞으로의 연구 방향에 굉장히 관심이 많이 있고요. 고분자 소재를 기반으로 해서 이런 순수한 고분자 소재만으로 이제 어떤 구조적인 문제를 풀어내는 방법도 생각을 해보고 있고 강도나 강성 같은 것을 결국은 보완을 해야 될 필요가 있기 때문에 복합 소재에 대한 연구를 앞으로 조금 더 지금보다는 확장해 진행하려고 생각하고 있습니다.


    10. 마지막 질문드리겠습니다. 같은 분야에서 공부하고 있는 후배들(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주시면서 한 말씀 부탁드리겠습니다.

    제가 기계공학과에 근무하고 있다 보니 우리 연구실에 들어오는 친구들도 보면 거의 기계공학과 학생들이 많이 들어와요. 거의 대부분. 기계공학과 학생들인데, 제 연구는 사실은 깊게 들어가 보면 결국은 소재랑 연결이 되어있는 부분이고 저는 학사 석사 박사를 모두 기계에서 했는데요. 제가 박사 후 연구원 생활은 재료학과에서 했거든요. 회사도 화학회사에 있었고, 그러다 보니 스스로 약간 겪었던 어려움이 있어요. 제가 기계과에서 공부했던 내용을 활용을 해서 분명히 재료적인 문제를 풀려고 하는 건데, 재료적인 내용을 잘 이해 못 하는 경우가 처음에 있었던 거죠 그걸 공부하기 위해서 참 애를 썼던 기억이 나는데. 학생들이 저는 좀 생각했으면 좋겠다는 게 뭐냐면 특히 저랑 비슷한 어떤 길을 가고 싶은 친구들이라고 하면 단순하게 자기가 전공하는 게 기계공학이라고 해서 기계공학 내용만 공부할 것이 아니고 최근에는 굉장히 융합적인 학문이 많이 나오고 있잖아요.

    사실 제가 하는 연구도 재료와 기계의 중간적이라고 보면 되는데, 그러다 보니까 자기가 하고 싶은 연구가 있다고 하면 하고 싶은 연구나 제일 최근에 나온 연구들은 대부분 단독적인 학과에서는 다루기 어려운 경우가 많아요. 화학이나 전자나 재료나 이런 식의 다른 어떤 학문에 기반을 둬서 기계공학적인 접근을 하게 되면 더 풀 문제도 많고 그러면 훨씬 더 좋은 결과를 낼 수 있거든요.

    단순하게 어떤 특정한 자기가 알고 있는 지식만을 깊게 파서 문제를 푸는 것도 좋은데 그렇게 하면서 동시에 자기가 하는 연구에 파생되어있는 연결되어있는 연구들을 이해하면 좋거든요. 그래서 자기가 특히 학부생이라고 하게 되면 그때는 깊이 있는 연구를 할 필요는 없으니까 되도록 많은 관련한 기계공학과 관련될 수 있는 많은 것들을 열심히 공부해 보는 것이 좋지 않나 생각해 보고요.

    최근에는 공대 내에서만 기계공학하고 재료 또는 화공, 산업공학 연결될 수 있겠지만 좀 더 생각의 폭을 넓혀보게 되면 예를 들어 경영학이라든지 디자인이라든지 이런 식으로 좀 더 넓혀서 볼 수 있는 것들도 있거든요. 조금 더 학생들이 단일한 내용만 깊게 파는 것보다는 조금 더 넓혀서 자기가 하는 연구의 분야를 나중에 잘 구성할 수 있도록 연구의 폭을 넓혀 보는 게 좋지 않을까 생각이 듭니다. 감사합니다.

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