소재 혁신: 지속 가능한 미래로 가는 열쇠

신소재를 찾기 위한 인류의 여정은 기원전 3000년경, 보금자리를 찾아 헤매다 자연 속에서 도구를 찾은 순간부터 시작됩니다.

도구의 소재는 자연에서 흔히 발견할 수 있는 돌 조각이었습니다. 스탠리 큐브릭의 '2001: 스페이스 오디세이'나 그레타 거윅의 '바비' 오프닝 장면이 떠오르는 대목입니다.

석재는 이렇듯 가장 기본적이면서도 현대까지 굳건히 살아남은 소재로, 어디서든 쉽게 찾아볼 수 있습니다. Polestar 본사의 창문 밖에도 시대를 넘어 존재하는 대리석 작품이 자리하고 있습니다.

미래를 밝히는 금속

훨씬 근대로 돌아와 1825년에는 알루미늄이 등장합니다. 덴마크 화학자 한스 크리스티안 외르스테드(Hans Christian Ørsted)가 발견한 이 금속 덕분에 이전까지 구현할 수 없었던 디자인을 적용할 수 있게 되었고, 이는 자동차 산업의 혁신을 불러왔습니다.

알루미늄은 지속 가능한 소재이지만, 재활용이 까다롭다는 문제가 있습니다. 500가지 이상으로 종류가 다양한 알루미늄을 재활용 처리 공장에서 제대로 분리하기가 어렵기 때문입니다. 여러 알루미늄이 혼합된 경우 등급이 낮아져 고급 알루미늄이 필요한 곳에는 사용하기 어렵습니다.

그 해결책은 놀라울 정도로 간단합니다. 처음부터 알루미늄을 등급별 라벨과 색상 코드로 구분하면 됩니다. 이렇게 하면 재활용 처리 공장에서는 같은 등급의 알루미늄을 쉽게 분류하고, 알루미늄의 등급을 유지하면서 끊임없이 재생산할 수 있게 됩니다.

편리함과 환경 보호를 동시에

1907년, 벨기에 출신의 화학자 레오 베클란트(Leo Baekeland)는 경쟁자보다 하루 먼저 특허를 신청해 처음으로 플라스틱을 개발한 사람이 되었습니다. 오늘날 플라스틱은 거의 모든 곳에 사용된다고 해도 과언이 아닙니다. 다양한 형태를 가질 수 있는 플라스틱은 제조 업계의 혁명을 일으켰지만, 화석 연료의 부산물을 원료로 사용한다는 점에서 비판받습니다.

가장 널리 사용되는 플라스틱의 한 종류인 폴리염화비닐(PVC)은 원유 부산물로 만들어지고 환경에 악영향을 미치는 것으로 잘 알려져 있습니다.

하지만 재료 과학의 발전에 따라 최근에는 원유가 아닌 송유(소나무에서 추출한 기름) 기반 플라스틱이 개발되었습니다. 송유를 사용하는 경우 생산 과정에서 발생하는 온실가스 배출량을 70% 줄일 수 있습니다. 세계 최초의 바이오 PVC는 Polestar 3 내장재로 사용되어 차량의 탄소 발자국 감소에 기여하고 있습니다.

초효율과 자기부상 열차

이번에는 분야를 바꾸어 최근 많은 관심을 받고 있는 주제를 다뤄 보겠습니다. 대중에게 익숙한 반도체는 전 세계적으로 꾸준히 수요가 높은 물질입니다.

이와 함께 초전도체 연구도 활발하게 진행 중입니다. 저항 없이 전력을 전달하는 초전도체는 자기부상 열차를 상용화하고 에너지 손실을 방지하기 위해 꼭 필요한 물질입니다.

하지만 지금까지의 초전도체는 극저온 또는 초고압 환경에서만 구현 가능하다는 한계 때문에 얼마 전까지만 해도 다소 먼 미래의 일로 여겨졌습니다.

그러나 최근, 상온, 상압 초전도체에 대한 새로운 연구가 발표되어 큰 관심을 끌고 있습니다. 이러한 초전도체는 일상에서 전기로 작동하는 모든 제품에 적용할 수 있기 때문에 큰 기대를 받고 있습니다.  

연구 발표 직후 세계 각국에서 결과를 재현하기 위한 실험에 착수했으며, 일부 기관은 긍정적인 결과를 보고하고 있습니다.

현대의 연금술

이번에 알아볼 혁신은 복합 소재입니다. 복합 소재는 자연 소재와 합성 소재를 조합하여 각각의 장점을 단순히 합친 것보다 더 우수한 기능을 구현합니다.

이러한 소재의 재료가 되는 섬유는 다양한 자연 및 합성 원료로 만들 수 있으며, 우주선부터 골프채, Polestar 1 등 자동차에 이르기까지 두루 사용되는 탄소 섬유(carbon fibre)가 가장 유명합니다.

하지만 복합 소재의 세계는 이보다 훨씬 다양합니다. Polestar 3에 사용된 Bcomp사의 천연 섬유 복합재는 유럽에서 재배된 아마를 원료로 하는데, 탄소 섬유와 비슷한 수준의 강도를 가지면서 40% 더 가볍고 다른 플라스틱 대안 소재보다 50% 적은 버진(virgin) 플라스틱을 사용합니다.

일반 작물 재배 이후 농지에 아마를 키우면 토양 상태 유지에도 됩니다.

인류는 기술 발전과 함께 끊임없는 소재 혁신을 이루었습니다.

이제 우리는 발전을 지속하기 위해 더 편리한 삶을 추구할 뿐만 아니라 환경을 보존하는 방법도 찾아야 합니다. 이를 가능하게 하는 것이 현대 과학의 최우선 목표이며, 시간이 중요한 일인 만큼 신소재로 인한 일상의 변화도 가속화될 전망입니다.