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융복합 분야의 연구로 국가경쟁력 고취하는 기술개발에 박차
우리에게 펼쳐진 미래는 신소재를 다루는 엔지니어에 의해 새롭게 발전하고 있다. 재료는 현대 기술의 바탕색이고, 또 미래 기술의 꿈이다. 자연은 재료를 가지고 무한한 신비를 쌓고, 과학은 자연이 준 재료의 신비를 풀어서 인류가 만들 수 있는 모든 기술의 가능성을 제공한다. 전자, 원자 하나를 이용하는 나노 테크놀로지(NT)부터 전기·전자재료(IT), 우주·항공재료(ST), 환경, 에너지 및 국방관련 재료 등 신소재의 분야는 미래를 책임지는 엔지니어의 꿈이라 할 수 있다. 원자배열 상태를 작게는 원자 단위로 조절하여 재료의 성질을 마음대로 조절할 수 있다는 것이 얼마나 놀라운 일인가? 현재 국내를 넘어 전 세계의 많은 연구진들이 이러한 일을 현실화하기 위해 연구에 매진하고 있으며 소기의 성과를 통해 인류의 발전에 공헌하고 있다. 이에 본지에서는 과학기술이 곧 국가 경쟁력이 되는 이 때, 국내 연구진 중 신소재 분야에 있어서 우수한 연구 성과를 도출하며 세계의 연구진들과 선의의 경쟁을 펼치고 있는 강릉원주대학교 신소재금속공학과 최원열 교수를 만나보았다.
최원열 교수는 TiO2 나노튜브와 나노화이버를 이용해서 다양한 분야에 응용하고 있다. 첫째로 반도체 특성을 이용하여 염료감응태양전지, 하이브리드태양전지, 가스센서를 개발하고 있으며, 둘째로 광촉매특성을 이용하여 수질 및 대기정화를 위한 분리막을 개발하고 있다. 또한 마지막으로 구조적 특징을 살려, 나노튜브 내에 약물을 탑재하고, 이를 이용한 고기능성 치과용 임플란트를 개발하고 있다.
염료감응태양전지(dye-sensitized solar cells)와 하이브리드태양전지(hybrid solar cell)
고 유가 시대로 접어듦에 따라 화석에너지를 대체할 수 있는 대체에너지가 요구되고 있으며, 특히 태양광을 이용한 기술에 대한 요구가 급속도로 늘어나고 있다. 하지만 실리콘 계열의 태양전지는 높은 생산단가로 인해 설치비용이 높아 투자대비 효율에 대한 기대치가 아주 낮은 실정이다. 이에 최 교수는 양극산화공정을 이용해 제작한 TiO2 나노튜브와 전기방사공정을 이용해 제작한 나노화이버를 사용하여 광전극(photoelectrode)을 만들어 염료감응태양전지와 하이브리드태양전지를 제작하고 있다. 최 교수는 “기존의 염료감응태양전지에서는 TiO2 나노분말을 이용하여 광전극을 만들어 왔으나, 이럴 경우에 염료에 의해 생성된 전자가 전도성박막에 도달하기 전에 산란되거나 재결합되어 태양전지의 효율을 저하시키는 요인으로 작용해 왔다”며 “TiO2 나노분말 대신에 본 연구실에서 개발하고 있는 TiO2 나노튜브나 나노화이버를 사용할 경우, 생성된 전자의 산란과 재결합을 감소시키고 life time을 증대시켜 염료감응태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다”고 밝혔다. 또한 “TiO2 나노튜브는 직경이 100nm의 크기로 매우 작기 때문에 비표면적이 크게 증가하게 되고, 이에 따라 광전극 제작 시 염료가 흡착될 수 있는 표면을 많이 제공하게 되어 염료로부터의 전자생성을 증대시킬 수 있다”며 “추가적으로 TiO2 나노튜브와 나노화이버의 표면에 다양한 기능성 박막(ZnO, MgO, PCBM)을 증착함으로써 전자의 원활한 이동과 염료증착 증대 효과를 통한 효율향상 연구를 진행하고 있다”고 덧붙였다.
광촉매특성 이용, 수질 및 대기정화를 위한 분리막 개발
고기능성 치과용 임플란트 개발
치과용 임플란트의 경우, 기존에는 치아 손실 시 브릿지 기술을 많이 사용하였으나, 최근에는 다른 치아의 손상 없이 치아를 복원할 수 있는 임플란트가 주로 사용되고 있다. 대한민국에 임플란트 열풍이 분다고 해도 과언이 아닐 정도로 많은 치과 환자들이 임플란트 시술을 받고 있지만 임플란트 식립 후 골조직과 융합기간이 3개월에서 길게는 6개월까지 오래 걸리는 단점이 있다. 최 교수는 “이러한 단점을 해결하고자 치과용 임플란트 표면에 TiO2 나노튜브를 형성시키고, 나노튜브 내부에 골융합 증진 및 단기간에 치밀한 골융합 특성을 생성할 수 있는 골성장인자(BMP-2)를 탑재하여 골 융합기간을 줄이고, 융합강도는 증진시키거나 제어할 수 있는 기술”이라고 밝혔다. 이러한 신기술의 실현을 위해 TiO2 나노튜브 내에 탑재되는 약물을 탑재량과 용출량을 실시간으로 측정할 수 있는 광간섭 바이오센싱기술도 확보하고 있으며, 치과대학과 공동연구로 임상실험을 실시하고 있다.
“일자리 창출과 사회 공헌에 기여하는 연구에 힘쓸 것”
최 교수는 “내가 연구하고 있는 주 분야는 TiO2 나노소재이지만, 이를 이용한 다양한 응용부품이나 시스템이 빠르게 발전·개발되고 있어, 이런 응용분야와 관련된 화학, 환경, 에너지, 바이오 분야의 연구자들과 지속적으로 연구협력하고, 창의적인 아이디어를 도출하기 위해 노력하고 있다”며 “지난 10년 동안 연구해 온 TiO2 나노튜브와 나노화이버를 이용해 다양한 응용분야에 지적 재산권을 확보하고, 관련 우수기업에 기술이전을 실시하여 개발된 신소재 및 부품을 사업화함으로써 일자리 창출과 사회 공헌에 힘쓰는 것이 목표”라는 포부를 밝혔다.