[이달의 과학기술자상] 유한일 서울대교수
새 세라믹물질 '옥시모론' 세계 첫 확인
'옥시모론(Oxymoron)'. 모순되는 두 가지 이상의 성질을 동시에 가지고 있는 물질을 일컫는 과학자들 사이의 속어다.
옥시모론은 '키메라'만큼이나 신비롭다. 반인반수(半人半獸)를 의미하는 키메라는 그리스어에 등장하는 사자의 머리와 양의 몸, 뱀의 꼬리를 가진 괴물이다.
그러나 옥시모론은 난폭하고 음산한 분위기가 느껴지는 키메라와는 풍기는 분위기가 전혀 다르다. 과학자들은 옥시모론이 두 물질이 가진 장점만을 모은 물질이라고 믿었다.
옥시모론은 이론으로만 존재했지만 실제로 본 사람은 한 명도 없었다. 오랜 세월 과학자들은 옥시모론이 발견되길 기다려왔다.
서울대 유한일 교수는 전설이나 다름 없었던 옥시모론을 세계 최초로 확인했다.
유 교수는 아주 우연하게 옥시모론을 찾아냈다. 전형적인 세라믹인 티타늄탄화물(Ti3C)과 규소탄화물(SiC)에서 새롭게 만들어낸 '티타늄규소탄화물(Ti3SiC2)'이란 물질의 성질을 연구하던 중 유 교수는 이 물질이 옥시모론이라는 사실을 발견한 것이다. 이 물질은 금속과 세라믹의 장점만을 가진 말 그대로 옥시모론이었다.
힌트는 '열기전력'에 있었다. 모든 물질은 양 끝에 서로 다르게 열을 가하면 내부에 기전력이 생긴다.
온도차에 의해 생긴다고 해서 이를 열기전력이라고 한다. 전기를 가하면 물질이 뜨거워지거나 차가워지는 현상도 열기전력 때문이다. 전기제품에 널리 사용하는 열전소자도 이 현상을 이용하고 있다.
모든 물질은 열기전력을 가지고 있다. 초전도체에서만 열기전력이 없어 진다. 전기저항이 '0'이기 때문이다. 열기전력은 어떤 물질이 초전도체인지 아닌지를 판단하는 데 중요한 잣대가 됐다.
그러나 유 교수는 초전도체가 아닌 티티늄규소탄화물에서 열기전력이 0이 되는 것을 발견했다. 그것도 상온에서 섭씨 550도 까지 넒은 범위에서 이 같은 현상이 나타난다는 것을 확인 한 것이다.
유 교수는 "엄청 당황했다. 도저히 믿을 수 없었다"며 그 순간을 회고한다. '초전도체가 아니면 반드시 열기전력이 있다'는 지금까지의 이론이 송두리째 흔들리는 순간이었기 때문이다. '뭔가 잘못 됐다'고 생각, 여러 차례 다시 실험했지만 결과는 똑 같았다.
유 교수는 결국 지금까지 믿고 있었던 종전의 이론을 버려야 했다. '옥시모론'을 세계 최초로 발견한 것을 받아들였다.
보통의 세라믹은 높은 온도에는 잘 견디지만 외부 충격을 받거나 뜨거운 상태에서 갑자기 차가워지면 쉽게 깨진다. 또 변형이 잘 되지 않는다. 반면 금속은 마모가 잘 되고 높은 온도에서는 쉽게 녹는다.
티타늄규소탄화물은 분명 세라믹이다. 그러나 전기나 열을 매우 잘 통하고 큰 온도변화를 줘도 깨지지 않는다. 실험 결과 전기나 열전도성는 구리만큼이나 우수했다. 또 세라믹은 잘 깨져 가공하기가 어렵지만 이 물질은 쉽게 깨지지 않기 때문에 다양한 모양으로 가공하기가 쉽다.
티타늄규소탄화물이 바로 과학자들이 그토록 찾아보려고 했던 금속과 세라믹의 옥시모론인 것이다.
이 같은 우수한 성질 때문에 티타늄규소화합물은 열에도 강하고 마모에도 잘 견뎌야 하는 항공모터나 많은 열을 빨리 뽑아내야 하는 정밀 전자회로, 반도체 리드선, 연료전지 커넥터 등의 소재로 다양하게 사용할 수 있다.
유 교수는 아직도 "어떤 이유로 열기전력이 0이 됐을까"라는 물음을 가지고 있다. 종전의 이론으로는 광범위한 온도범위에서 열기전력이 0이 되는 이유를 설명하기가 쉽지 않기 때문이다.
유 교수는 단지 열을 가했을 때 열기전력을 발생시키는 전자(-)나 전공(+)이 흐르는 힘이 똑같기 때문이라고 추정하고 있을 뿐이다. 부분 엔트로피와 나름엔트로피의 합이 같아져 열기전력이 상쇄된다는 가설을 세계 과학계에 제안해 놓은 상태다.
"앞으로도 더 많은 연구가 필요하다. 기초 과학적인 측면에서 도전해 볼 가치가 있다." 유 교수는 각 분야의 과학자들이 자신의 연구결과에 대한 의문을 함께 풀어야 한다며 여운을 남겼다.
