재료과학의 혁명, 인공지능·양자컴퓨팅 도움으로 새로운 물질의 발견 가속화
재료과학의 혁명, 인공지능·양자컴퓨팅 도움으로 새로운 물질의 발견 가속화
  • 최영란 기자
  • 승인 2020.05.26 12:09
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

 

[퓨처타임즈=최영란 기자] 향후 10년 동안 인공지능 및 양자컴퓨팅의 도움으로 새로운 물질의 발견은 기하 급수적으로 가속화되고 있다. 그리고 이러한 새로운 발견으로 맞춤형 재료가 평범하게 성장하게 된다. 미래의 무릎 임플란트는 구조와 구성 측면에서 각 신체의 정확한 요구를 충족하도록 개인화된다.

육안으로는 보이지 않지만 나노 스케일 재료는 일상 생활에 통합되어 의학, 에너지, 스마트 폰 등을 원활하게 개선한다. 궁극적으로 고급 기술의 민주화 및 민주화로 가는 길은 보이지 않는 조력자 및 촉매 물질을 재 설계하는 것으로 시작된다. 우리의 미래는 우리가 만드는 재료에 달려 있다.

재료과학의 광범위한 의미를 인식하는 사람은 거의 없다. Applied Materials의 CTO인 Omkaram Nalamasu에 따르면, 1980년대에 오늘날의 스마트폰을 구축하려면 약 1억 1천만 달러가 소요되며, 약 200킬로와트의 에너지가 필요하고(오늘은 2kW와 비교할 때), 높이는 14미터가 될 것이다. 그것이 재료 발전의 힘이다. 재료 과학은 스마트폰을 민주화하여 35억 명이 넘는 사람들에게 이 기술을 제공했다.

 

그러나 재료과학은 장치와 회로를 넘어 에너지, 미래도시, 대중교통 및 의학분야에서 수많은 돌파구의 중심에 있다. 그리고 코로나19의 최전선에서 재료과학자들은 솔루션을 가속화하기 위해 생체재료, 나노기술 및 기타 재료연구를 진행하고 있다.

 

이름에서 알 수 있듯이 재료과학은 새로운 재료의 발견과 개발에 전념하는 지점이다. 식료품점으로 주기율표를 사용하고 요리책으로 물리법칙을 사용하여 물리학과 화학의 결과물이다.

 

오늘날 우리는 재료과학 혁명의 한가운데에 있다. 현재 진행되고 있는 가장 중요한 재료의 발전 과정을 살펴보겠다.

 

재료 게놈 이니셔티브

2011년 6월, 카네기멜론대학교에서 오바마대통령은 오픈 소스 방법과 AI를 사용하여 재료과학의 혁신 속도를 두 배로 늘리려는 전국적인 노력인 재료 게놈 이니셔티브(Materials Genome Initiative)를 발표했다.

오바마대통령은 이러한 가속화가 미국의 글로벌 경쟁력에 매우 중요하다고 생각했으며 청정에너지, 국가안보 및 인간복지 문제를 해결하는 데 핵심적인 역할을 했다. 그리고 효과가 있었다.

 

AI를 사용하여 수소, 붕소, 리튬, 탄소 등 수억 가지의 서로 다른 가능한 요소 조합을 매핑함으로써 이 프로젝트는 과학자들이 주기율표로 일종의 즉흥 재즈를 연주할 수 있는 거대한 데이터베이스를 만들었다. 이 새로운 물리적 세계지도를 통해 과학자들은 그 어느 때보다 빠르게 요소를 결합하고 모든 종류의 새로운 요소를 만들 수 있다.
 
또한 새로운 제조 도구가 이 프로세스를 더욱 증폭시켜 원자 규모를 포함한 새로운 규모와 크기로 작업할 수 있게 되었다.

 

가장 큰 재료과학 혁신

이 도구는 경량 차량용 탄소 섬유 복합재, 내구성이 더 뛰어난 제트 엔진용 고급 합금 및 인간 관절을 대체할 생체 재료에 사용되는 메타 물질을 만드는 데 도움이 되었다. 또한 에너지 저장 및 양자컴퓨팅 분야에서도 획기적인 성과를 거두고 있다.

로봇공학에서 새로운 재료는 인간형 소프트 로봇에 필요한 인공근육을 만드는 데 도움이 된다. 지난 10년간의 주요 재료과학 혁신의 일부를 풀어보자.

 

(1)리튬 이온 배터리

오늘날 스마트폰에서 자율주행자동차에 이르는 모든 것을 구동하는 리튬 이온 배터리는 1970년대에 처음 제안되었다. 1990년대까지는 시장에 출시할 수 없었으며 지난 몇 년간 성숙하기 시작했다. 기하급수적인 기술인 이 배터리는 30년 동안 가격이 하락하여 1990년과 2010년 사이에 90%, 그 이후 80%가 급감했다. 동시에 사용량은 11배 증가했다.

 

그러나 수요를 충족시키기에 충분한 양을 생산하는 것은 지속적인 문제였다. 테슬라는 다음과 같은 도전에 맞섰다. 네바다에 있는 이 회사의 기가 팩토리 중 한 곳은 매년 20기가 와트의 에너지 저장 장치를 생산하여 처음으로 리튬 이온 배터리를 대규모로 생산한 것을 나타낸다.

 

다른 회사들도 이 기술을 통합하기 위해 빠르게 움직이고 있다. Renault는 Zoe 배터리를 기반으로 가정용 에너지 저장 장치를 구축하고 BMW의 500 i3 배터리 팩은 영국의 국가 에너지 그리드에 통합되고 있으며 Toyota, Nissan 및 Audi는 모두 파일럿 프로젝트를 발표했다.

 

리튬-이온 배터리는 재생가능에너지 저장에서 계속 중요한 역할을 수행하여 석탄 및 가솔린 가격과 경쟁하기 위해 태양 및 풍력에너지 가격을 낮추는 데 도움이 된다.

 

(2)그래핀

일상적인 연필에서 발견되는 것과 동일한 흑연에서 파생된 그래핀은 한 원자 두께의 탄소 시트이다. 무게는 거의 없지만 강철보다 200배 더 강하다. 이 초소형 재료는 다른 알려진 물질보다 빠르게 전기를 전도하고 열을 발산하는 혁신적인 응용 제품이다.

 

그래핀은 센서, 고성능 트랜지스터, 심지어 신경세포가 척수에서 의사 소통하는 데 도움이 되는 젤까지도 가능하게 한다. 많은 유연한 장치 화면, 약물 전달 시스템, 3D 프린터, 태양 전지판 및 보호 직물이 그래핀을 사용한다. 제조 비용이 감소함에 따라 이 소재는 모든 종류의 발전을 가속화할 수 있다.

 

(3)페로브스카이트

현재, 태양광을 얼마나 많이 전기로 변환할 수 있는지 측정하는 평균 태양 전지판의 "변환 효율"은 와트 당 약 $3의 비용으로 약 16%에 달한다. 감광성 결정이며 새로운 신소재 중 하나인 페로브스카이트는 최대 66%의 잠재력을 가지고 있으며 이는 실리콘 패널이 요구할 수 있는 것의 두 배이다.

페로브스카이트의 성분은 광범위하게 구할 수 있으며 결합하기에 저렴하다. 이 모든 요소들이 무엇에 합류할까? 모두를 위한 저렴한 태양 에너지이다.

 

(4)나노 월드의 재료

나노 기술은 재료과학의 최첨단이다. 물질 조작이 나노 크기로 작아지는 것은 개미보다 백만 배, 적혈구보다 8,000배, DNA 가닥보다 2.5배 더 작다. 나노봇은 더 많은 것을 원하거나 더 많은 것을 원할 수 있는 기계이다.

그리고 이것은 원자 규모로 발생하기 때문에 이 나노봇은 원자, 물, 공기 등 모든 종류의 원자를 분해할 수 있으며, 이 원자재를 사용하여 거의 모든 것을 구성할 수 있다.

 

나노 세계에서 놀라운 진보가 이루어졌으며, 현재 시장에 출시된 나노 제품의 무리와 함께 있다. 다시 옷을 접고 싶지 않은가? 직물에 나노 스케일 첨가제는 주름과 얼룩에 강하다.

창문은? 문제가 아니다! 나노 필름은 창문 자체 청소, 반사 방지 및 전기 전도 기능을 제공한다. 집에 태양광을 추가하고 싶은가? 우리는 태양 에너지를 포착하는 나노 코팅을 가지고 있다. 나노 소재는 더 가벼운 자동차, 비행기, 야구 방망이, 헬멧, 자전거, 수하물, 전동 공구를 만든다.

 

하버드 연구원들은 1밀리미터 미만의 소형 배터리를 생산할 수 있는 나노 스케일 3D프린터를 제작했다. 그리고 부피가 큰 VR 고글이 마음에 들지 않으면 연구원들은 현재 나노 기술을 사용하여 오늘날 스마트폰 보다 6배 높은 해상도의 스마트 콘택트 렌즈를 만든다.

 

그리고 훨씬 더 다가오고 있다. 현재 의학에서 약물 전달 나노봇은 암 퇴치에 특히 유용하다. 하버드의 바이오 엔지니어가 최근 1테라 그램의 DNA에 700테라 바이트의 데이터를 저장했기 때문에 컴퓨팅은 낯선 이야기이다.

 

환경 분야에서 과학자들은 대기에서 이산화탄소를 가져와 제조에 사용하기 위해 초강력 탄소 나노 섬유로 전환할 수 있다. 우리가 이것을 태양열에 의해 대규모로 수행할 수 있다면 사하라사막의 10% 크기인 시스템은 약 10년 안에 대기 중의 이산화탄소를 산업화 이전 수준으로 줄일 수 있다.

 

이처럼 재료과학의 응용 프로그램은 끝이 없다. 그리고 생각보다 이 기술의 발전은 빨리 온다. 10년 동안 나노기술 등 작고 가벼운 재료물질들의 영향은 매우 커질 것이다.

댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 서울특별시 영등포구 국회대로 800 (여의도동, 여의도파라곤) 1236호
  • 대표전화 : 02-783-7789
  • 팩스 : 02-783-7790
  • 청소년보호책임자 : 최성립
  • 법인명 : 퓨처타임즈
  • 제호 : 퓨처타임즈
  • 등록번호 : 서울 아 51999
  • 등록일 : 2017-11-20
  • 발행일 : 2017-05-01
  • 발행인 : 송승호
  • 편집인 : 송승호
  • 퓨처타임즈 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2020 퓨처타임즈. All rights reserved. mail to
ND소프트