IoT(사물인터넷) 시대의 기반소재로 스마트 소재가 주목받고 있다.
스마트 소재는 차세대 기술을 실현하기 위해 기기·부재를 고기능·다기능화하는 소재로 연구개발(R&D)이 활발한 것으로 나타나고 있다.
IoT는 모든 사물을 인터넷으로 연결함으로써 사람, 환경, 인프라 등의 모니터링 및 제조설비의 자동·효율 관리를 가능케 함과 동시에 웨어러블(Wearble) 디바이스를 활용한 건강관리, 물류관리 등 생활을 쾌적하고 편리하게 하기 위한 필수불가결한 존재로 평가되고 있다.
IoT 시대는 방대한 데이터를 취급하기 위해 기기·부재의 고도화, 고용량화, 소형화, 고정밀화와 같은 많은 과제를 해결해야 하기 때문에 기기·부재를 구성하는 소재의 기술혁신이 요구되고 있다.
스마트 소재는 인공지능(AI) 및 빅데이터 해석과 같은 차세대 기술을 통해 소재 자체의 발전을 촉구하는 상호보완적인 역할도 수행하고 있다.
스마트 소재는 IoT에 이용됨에 따라 발생하는 해결과제 등 다양한 정보를 소재 정보학을 이용해 피드백함으로써 소재 개발을 더욱 진전시키는 선순환 발전 모델이 구축될 것으로 예상되고 있다.

IoT 시대 실현에 필수불가결…
스마트 소재는 외부의 온도, 빛, 힘, 전기장, 자기장 등에 반응해 특정 반응을 일으키는 소재로 압력을 전압으로 또는 전압을 동력으로 변환시키는 압전재를 이용한 구동부품 및 센서, 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 광전소재를 이용한 태양전지, 자외선 에너지로 손상 부위를 회복시키는 자가회복소재를 이용한 자동차용 외판 도장 등이 있다.
스마트 소재는 2011-2012년 중국, 독일의 태양전지 메이저가 도산함에 따라 세계시장이 축소됐으나 이후 성장세를 지속해 2016년 50조원을 넘어선 것으로 추정되고 있다.
스마트 소재는 특정소재로 실용화되고 있으나 최근 IoT를 실현하는데 필요불가결한 소재로 더욱 주목받고 있다.
특히, 대용량 고속 메모리(차세대 비휘발성 메모리) 로봇(센서·액추에이터), 생체시스템(감각센서), 센서 네트워크(에너지 하베스팅), 의료분야(체내 모니터링 및 웨어러블 디바이스)와 같은 분야에서 새로운 스마트 소재에 대한 니즈가 높아지고 있다.

메모리, 고속입력·대용량 실현
IoT 시대 메모리 산업은 현재 주류를 이루고 있는 플래쉬 메모리의 단점을 보완해 고속입력 및 대용량 메모리를 실현할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
이에 따라 삼성, Micron, Hitachi 등이 개발하고 있는 상변화 메모리(Phase Change Memory)는 차세대 비휘발성 메모리(전원 OFF 시 기억정보를 보존)로 주목되고 있다.
상변화 메모리는 온도에 따라 상이 변화하는 소재를 이용해 결정상을 「1」, 비결정상을 「2」라는 정보로 기억시키는 것이다.
상변화 메모리의 소재는 칼코게나이드(Chalcogenide)계 합금인 게르마늄·안티몬·텔루루(GeSbTe) 등이 채용되고 있으며 소비전력이 방대한 IoT 사회에서는 필요할 때만 전력을 공급함으로써 소비전력을 절감하는 제어가 이루어질 것으로 예상된다.
전원 OFF 시에도 축적된 정보를 대량 보존할 수 있는 상변화 메모리 기술은 IoT 시대에서 대량의 데이터를 이용하고 저소비 전략화를 실현하는데 활용될 것으로 기대되고 있다.

로봇, 고감도 촉각센서 개발
IoT 시대에는 사람을 대신해 작업을 수행하는 로봇이 인터넷에 접속돼 활용될 것으로 예상되고 있다.
산업 로봇이 이미 많은 작업을 대체하고 있으나 인간의 신경 네트워크를 재현해 수행하거나 인간의 감각을 수치화해 가시화하는 기술은 아직 개발되지 않은 상태이다.
일본 Touchence는 압력에 따라 저항이 변화하는 압전 저항효과를 이용한 촉감 센서를 개발해 주목받고 있다.
미세한 센서를 제조하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)와 조화를 이루고 소형화를 실현함과 동시에 3축 방향의 압력계측이 가능해져 기존 센서보다 높은 감도의 촉각특성을 실현하고 있다.
Touchence는 촉각센서의 6축화도 실현하고 있으며 사람과 협동할 수 있는 산업로봇 및 서비스로봇에 대한 채용을 기대하고 있다.
소형화와 고감도를 양립하는 Touchence의 기술은 촉감 뿐만 아니라 사람의 오감을 재현하기 위한 유망기술로 평가되고 있다.

진동발전 기술로 반영구적 전원공급
전지 시장은 대량으로 사용되는 센서 모듈의 구동전원으로써 미세 진동을 전기로 변환해 반영구적인 전원공급을 가능케 하는 에너지 하베스팅 기술(진동발전기술)이 주목되고 있다.
진동발전 기술은 LZT(Lead Zirconate Titanate)을 활용하는 전압방식이 주류이나 PVDF((Polyvinylidene Fluoride) 등도 폴리머계 전압소재로 활용되고 있다.
이밖에 철, 디스프로슘(Dysprosium), 테르븀(Terbium) 합금 등 자성 소재의 진동 변형에 따라 발생하는 자기장에서 전력을 얻는 자성 방식과 정전기를 발생시키는 전기 소재(불소 폴리머 유도제품)를 활용하는 정전유도 방식 등이 있다.
모두 μW 수준까지 감소한 센서 소비전력을 충당할 수 있는 발전량을 보유하고 있으나 센서를 통해 얻을 수 있는 정보를 송신하는 통신 모듈 소비전력을 감당하기에는 불충분한 수준으로 판단되고 있다.
하지만 Omron이 전기소재를 활용한 진동발전기술을 활용해 출력 에너지 100μW를 달성하는 등 통신모듈의 간결적 제어를 통해 소비전력을 통해 소비전력을 충당하는 기술도 개발되고 있으며 교량 및 고속철도 등 진동이 항시 발생하는 환경 속에서 장기적으로 센서가 사용되는 인프라 모니터링을 실현하기 위한 필수불가결한 기술로 주목되고 있다.

의료, 형상기억 폴리머로 정보 취득
IOT는 손목시계 및 의복 타입의 웨어러블 디바이스가 체온, 혈압, 심박수 등을 계측해 건강 변화를 파악하는 용도 뿐만 아니라 환자 및 임상검사 피험자 등에 활용되는 등 헬스케어 영역에서 의료 영역으로 채용이 확대되고 있다.
그러나 기존 웨어러블 디바이스는 신체 표면에서 데이터를 얻기 때문에 취득할 수 있는 데이터에 한계가 있고 데이터의 정밀도가 떨어진다는 문제점들이 있으며 이를 보완할 수 있는 스마트 폴리머(형상기억폴리머)기술이 주목되고 있다.
스마트 폴리머는 변형한 이후 일정 온도 이상으로 가열 및 자기력을 인가하면 변형된 형상이 원래로 돌아가는 형상기억합금과 동일한 기능과 자기력에 따라 온도가 상승하는 기능을 보유하고 있다.
스마트 폴리머는 형상기억합금보다 변형이 크고 생체 안전성이 우수한 소재로 형성하는 것이 가능하기 때문에 뇌경색의 스탠트 삽입술 치료에 대한 응용이 기대되고 있으며 물질소재 연구소에서는 붙이는 암시트(암세포에 스마트 폴리머 시트를 붙여 열과 시트를 통해 항암제 방출) 등의 연구개발이 이루어지고 있다.
체내에서 자유롭게 크기를 컨트롤할 수 있는 소재가 생성되면 신체표면 뿐만 아니라 체내의 임의의 장소에 센서를 배치해 많은 정보를 취득할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
스마트 폴리머를 체내 모니터링 소재로 이용하기 위해서는 기술장벽이 높고 시기상조일 수 있으나 개인의 피부 형상에 따라 변형되는 소재를 웨어러블 디바이스에 이용함으로써 정밀도 높은 정보를 취득할 수 있어 단기적으로도 충분한 이용가치가 있을 것으로 평가되고 있다.

AI와 시뮬레이션 해석기술 접목
스마트 소재는 인공지능 및 시뮬레이션 해석기술로 신소재 및 신기능을 모색하는 소재 정보학(Materials Informatics)을 통해 더욱 발전할 것으로 예상되고 있다.
소재 정보학은 데이터 마이닝(Data Mining) 등 정보과학을 통해 신소재 및 대체소재를 효율적으로 찾는 활동이다.
소재 개발은 그동안 담당자의 경험 등에 의존해 왔으나 방대한 데이터베이스, 초고속 컴퓨터, 인공지능 등을 활용해 시간과 절감하고 획기적인 소재구성 등을 도출할것으로 기대되고 있다.
Toyota Central R&D Labs은 2015년 빅데이터 해석기술을 활용한 소재 정보학을 통해 17만개 이상의 물질데이터 가운데 태양전지용 소재의 주류인 실리콘(Silicone) 이상의 변환효율을 갖춘 실용 소재를 발견한 바 있다.
기존 스마트 소재는 단일 자극에 반응하는 것이 대부분이기 때문에 온도, 압력, 자기력, 빛 등 다양한 자극에 하나의 소재로 반응하는 복합 스마트 소재를 창출하는 것이 앞으로의 연구과제로 주목되고 있다.
다양한 자극에 반응하는 소재가 상용화되면 빛으로 전기를 생성하면서 생성된 전기를 활용해 움직이는 응용제품 등 구조적, 시스템적인 구성조합을 통해 다기능화를 실현해 온 다양한 디바이스를 단일 소재만으로 가공하는 것이 가능해진다.
소재 정보학은 스마트 소재의 다기능화와 용도 확대 등을 위해 사용됨으로써 새로운 스마트 소재를 창출할 것으로 기대되고 있다.<이하나 기자>