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[머니투데이 이승제기자]'합성피혁 생산업체가 첨단 반도체 소재를 만든다?'
언뜻 들으면 고개를 갸웃거리게 된다. 피혁생산업체가 반도체 소재에, 그것도 원천기술을 바탕으로 한 반도체 소재산업에 도전하는 것 자체가 특이한 일이다.

경기도 안양시에 위치한 덕성(대표 이해성)을 방문하면서 내심 이 같은 의구심을 갖고 있었다. 반도체 소재 산업은 지난한 기술축적 및 상용화 과정을 거쳐야 하고, 게다가 애써 기술을 개발했다 해도 시장진입이 무척 까다로운 부문이다.

문외한으로서 덕성에 대한 평가는 조심스럽다. 하지만 찬찬히 설명을 듣는 과정에서 갸웃거리던 고개는 끄덕이기 시작했고, '내가 대단한 기업을 방문한 것일 수도 있다'는 느낌이 들었다. 물론 최종 평가는 시장 몫이다.

◆불혹의 나이에 변신을 꾀하다=덕성은 지난 1966년 설립됐다. 사람으로 치면 한국 나이로 40세다. 마냥 현재에 안주하기에는 불만스럽고, 새로운 도전에 나서기에는 주저되는 나이다. 하지만 덕성은 지금 사운을 걸고 반도체 소재라는 까다롭고 녹록지 않은 분야에 뛰어들었다.

덕성은 지난 1968년 국내 최초로 합성피혁을 생산하기 시작했다. 이어 습식합성피혁 개발·생산, 세미 합성피혁 생산 등에 주력해 온 합성피혁 전문생산업체다. 덕성 입장에서 합성피혁생산은 여전히 믿음직한 수익 창출 부문이다. 국내 최고 수준의 기술력을 갖고 있고, 오랜 고객과 시장을 갖고 있어 안정적인 매출 및 수익창출이 가능하다.

하지만 안주할 수 없었다. 새로운 도전을 찾아 나섰고, 결국 원천기술을 바탕으로 한 '초전도 마그네트 시스템'에 승부를 걸었다. 초전도 마그네트는 12인치 반도체 웨이퍼를 생산할 때 반드시 필요한 소재다. 반도체 웨이퍼를 제작하면 실리콘 웨이퍼제조용 도가니(성장기)에 고른 열을 전달해 대류 발생을 최대한 억제해야 한다. 반도체 업계에선 이를 자기장 원리를 통해 해결하고 있는데 이때 고압이 흐르는 코일을 보호하기 위해 극저온 상태(영하 270도 가량)가 요구된다. 초전도 마그네트 시스템은 바로 극저온 상태를 형성하는 핵심 장치다.

덕성은 이 초전도 마그네트 부문에서 자장 발생을 위한 코일을 곡선으로 처리하는 신기술을 개발했다. 관련 기술로 이미 국내 특허 4건을 따냈고 국제특허를 출원중이다. 주변에서 '과연 가능할까'라는 의심을 품었으나 전문가들조차 깜짝 놀랄 정도로 완성도 높은 시제품 제작에 성공했다.

◆변화는 과감하게=덕성은 줄곧 신규 사업 진출을 추진해 왔다. 몇 년전 의료용 설비인 MRA를 독자개발해 시장진출을 추진했으나 높은 시장문턱에 부딪혔다. 기존 가격에 비해 무려 반값이란 파격 조건으로 시장 공략에 나섰으나 '믿을 수 없다. 검증되지 않았다'는 냉담한 반응에 좌절할 수밖에 없었다.

하지만 덕성은 멈추지 않았다. 지난한 탐험을 거쳐 4년전 초전도 마그네트 부문을 지목했고, 사활을 건 투자에 나섰다. 정부로부터 40억원을, 한국부품소재투자기관협의회로부터 12억원을 지원받았다. 지금까지 자체 투자한 금액만 100억원에 달한다. 자산 규모가 700억원임을 감안하면 사활을 건 투자인 셈이다.

12인치 웨이퍼 생산에 필수적인 초전도 마그네트 부문은 향후 급신장할 소재 산업으로 각광받고 있다. 국내에서 삼성전자가 이미 12인치 웨이퍼 주력으로 이동했고 미국의 마이크론테크놀로지, 대만의 난야테크놀로지 등 상위권 메모리업체들이 속속 12인치 웨이퍼로 생산 중심축을 이동하고 있다. 이에 따라 초전도 마그네트 수요가 폭발적으로 늘어날 전망이다.

덕성은 비록 시제품 제작을 통해 상용화 능력을 검증받았으나 결코 자만하지 않고 있다. 과거 MRA 사업에서 겪은 실패 경험을 토대로 면밀한 시장 조사 및 마케팅 활동을 준비중이다. 세계적 수요 증대를 예상해 선행 개발 및 상용화에 성공했으나 수익으로 이어가는 작업은 이제부터 시작이라고 스스로 다짐하고 있다. 이미 공략 시장을 유럽-북미-중미, 일본-중국 등 2개 권역으로 나눠 공급계약을 추진하고 있다.

이 회사의 초전도 사업부는 총 11명으로 구성돼 있고, 9명이 관련 기술인력이다. 이희덕 회장의 조카인 이봉근 전무가 총괄책임임원으로 신사업을 진두지휘하고 있다. 성균관대 박사 출신으로 국내 전기 관련 최고 연구기관인 한국전기연구원에서 선임연구원을 거친 진홍범 이사가 기술담당 임원을 맡고 있다.

이 회사는 지난해 매출액 701억원, 영업이익 15억7000만원, 경상이익 18억4000만원, 당기순이익 16억원을 기록했다. 2003년에는 각각 782억원, 23억원, 61억원, 54억원을 기록했으나 신사업에 지속 투자하면서 이익이 다소 줄었다. 새로운 도약을 위한 움츠림이다.






<초전도체 기술>



[사이언스] 무한한 가능성… 초전도체의 활용

시속 500㎞磁氣부상열차 ·첩보위성 盜聽방지도 가능
초고속 수퍼컴 제작에 활용…의료계 MRI는 이미 실용화


여름철 컴퓨터 주변은 다른 곳보다 유독 더운 열기로 무덥다. 가정집에서는 텔레비전·비디오·냉장고·에어컨 등 가전제품이 주로 몰려 있는 곳이 다른 곳보다 더 덥다. 이 같은 이유는 전기 제품을 작동하는 데 필요한 전기에너지 일부가 열 에너지로 전환되는 과정 중에 발생하는 열 때문이다. 열 에너지는 당장 무릎에 노트북을 놓고 작업을 하다보면, 점차 무릎에 전달돼 오는 열기를 통해 확인할 수 있다. 이같은 열은 전기에너지의 손실이다. 따라서 가전제품의 효율이 높을수록 열 발생량은 적다.

그렇다면 전기 에너지를 하나도 잃어버리지 않고 100% 완전하게 사용할 수는 없을까?
이 같은 문제를 해결하기 위해 과학자들은 20세기 초반부터 초전도(super-conduction) 분야에 매달려왔다. 초전도(超傳導)란 전기 저항이 없어 전류가 손실없이 흐르는 현상을 말한다.

지난 15일 과학 전문지 ‘네이처’에 재미(在美) 한국인 과학자 최형준(崔炯俊·32) 박사가 발표한 ‘마그네슘디보라이드’가 바로 최근까지 각광을 받아온 대표적 고온(高溫) 초전도체다. 고온 초전도체란 비교적 높은 온도에서도 초전도현상이 나타나는 물질을 말한다.

최근 초전도체 박막이 제조되고 초전도체의 원인이 이론적으로 규명되면서, 초전도체 시대는 당초(10년정도 후)보다 3년 빨리 열릴 것으로 보인다.




◆초전도체란=온도가 영하로 낮아지면 물은 갑자기 얼음으로 변한다. 이와 마찬가지로 납이나 알루미늄 같은 금속의 온도를 극저온(영하 270℃정도)으로 낮추면 갑자기 초전도상태가 된다. 초전도체는 에너지를 하나도 잃지 않고 전기를 100% 목적지까지 보낼 수 있다. 또 초고속 자기부상열차, 초고속 수퍼컴퓨터 개발 등 통신분야와 컴퓨터개발에서 획기적인 신소재로 각광받고 있다.
◆초전도체 응용 범위는 무한대=초전도체는 전기저항이 완전히 사라지고, 또한 주위에 자석이 있을 경우 자석에서 나오는 자기장을 밀쳐내는 특수한 성질을 갖는다. 전기저항이 없기 때문에 전기를 멀리 송전하거나 혹은 변압시키는 데 열손실이 전혀 없다. 그리고 초전도체로 도선을 감아서 전자석을 만들면 보통 자석보다 수천 배 강한 자석을 만들 수 있다.

강한 전자석의 성질을 이용한 초전도체는 이미 실생활에 들어와 널리 이용되고 있다. 병원에서 신체 내부를 촬영하여 이상 유무를 진단하는 MRI(Magnetic Resonance Imaging·자기공명영상장치)가 바로 초전도체를 응용한 장비다. MRI는 X-선보다 안전할 뿐 아니라 특히 두뇌, 등골 등 X-선으로 잘 안 나타나는 부분의 영상을 선명히 보여주는 특성이 있다.

또 자기공명현상을 이용하면, 뇌의 내부구조를 쉽게 알아낼 수 있다. MRI 방법은 뇌의 내부를 직접 관찰하거나 X-선을 사용하지 않으므로 뇌의 내부에 상처를 입히지 않아도 된다. 이때 강력한 자석이 필요한데, 이를 위해 초전도 전선 내부에 강력한 전류를 흘려 사용한다.

현재까지는 액체 헬륨으로 초전도 전선을 냉각시키고 있지만, 고온초전도체를 사용하면 그 냉매로 액체질소를 이용할 수 있어 상당히 낮은 비용으로도 MRI가 가동될 수 있다. 뇌뿐만 아니라 신체의 다른 부위까지도 X-선 장비가 MRI로 대체되는 파급효과를 얻을 수 있다.

또 초전도체는 자기장을 싫어하여 밀어내는 특성을 가진다. 곧 초전도체에 자석을 가까이 하면 자석은 밀려난다.
일반적으로 구리산화물 초전도체 위에 자석을 올려놓은 후 액체질소를 부으면, 온도가 급속히 내려가 구리산화물이 초전도 상태로 된다. 이때 자석은 공중에 떠오르게 된다. 이것이 바로 자기부상(磁氣浮上)의 원리이다.
초전도체 자기부상 열차는 이미 일본 신간선 구역 일부와 미국 플로리다주에 시범적으로 초전도 열차용 철로가 설치돼 시운전 중이다. 초전도용 자기부상 열차 속도는 거의 비행기 수준으로, 기존 자기부상 열차에 비해 훨씬 빠르다. 전자석을 이용한 현재의 자기부상 열차는 1㎝ 정도 뜨는 데 비해, 초전도를 이용하면 10㎝ 정도 부상할 수 있어 시속 500㎞까지 속도를 낼 수 있다는 것이 실험적으로 증명됐다. 초전도체 자기부상 열차를 이용하면, 서울과 부산을 40분 만에 주파할 수 있다.

만약 다른 보조장치 없이 공중에 뜨길 원하는 사람이 초전도체를 바닥에 깔고 자석을 몸에 지니고 있으면, 초전도체로부터 힘을 받아 공중에 떠있을 수 있다.

◆초전도박막(薄膜) 이미 제조 성공=과학기술부 창의사업연구단인 포항공대 초전도연구단 이성익·강원남 교수는 지난해 절대온도 39K(영하 234℃)에서 초전도 기능을 지닌 마그네슘 다이보라이드(MgB2·이 붕소 마그네슘) 박막을 세계 최초로 제조하는 데 성공했다. 이 초전도 박막 제조 비법은 미국·일본·유럽 등에 특허를 출원 중이다.

초전도 박막은 마이크로파를 이용한 무선통신 기지국의 주요 부품으로 가장 먼저 사용될 것이다. 이 부품을 이용하면 뇌파나 심장상태를 수술하지 않고도 알아낼 수 있다.



▲사진설명 : 한 연구원이 세라믹 코팅을  오븐에 넣어 초전도 코일을 만들고 있다.   /조선일보 DB사진  

이 외에도 에너지 저장, 극히 미세한 자기장 측정에도 널리 이용된다.
가령 초전도 자기 에너지 저장소(Superconduction Magnetic Energy Storage : SMES)는 초전도 코일에 매우 큰 전류가 흐를 때 형성되는 자기장 형태로 에너지를 저장할 수 있는 기술이다. 초전도체를 응용하면 서울 시내에서 사용하고 있는 모든 전류를 지름 5㎝의 초전도 전선에 실어 운반할 수 있다. 또 자기장 및 전압변화를 정밀하게 측정하는 센서, 열의 발생 없이 엄청나게 속도가 빠른 컴퓨터나 반도체 배선 등을 들 수 있다.

초전도를 이용한 통신이 첩보전에 쓰인다는 것은 매우 흥미롭다. 보통의 전파를 이용한 위성간의 통신은 전리층을 뚫고 들어오기 때문에 지상에서 도청이 가능하다. 그런데 초전도를 응용한 전파는 전리층을 뚫지 못해 지상에서 염탐할 수 없다. 초전도를 이용하면 테라(1조)급㎐의 주파수영역을 이용할 수 있는데, 재래식 금속은 이 주파수에서 열에 의해 녹아버린다.

이 밖에도 초전도는 초전도양자간섭장치(SQUID)를 만들어 사람의 심장이나 뇌에서 발생하는 미세한 자장을 측정할 수 있고, 엄청나게 빠른 속도를 지닌 수퍼 컴퓨터를 만들 수 있다.


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◆초전도 현상은
  전기저항 ‘제로’…네덜란드 과학자가 1911년 발견
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전자제품을 사용할 때, 이들 제품에서 열이 발생하는 원인은 뭘까?  

일반적으로 전기가 잘 통하는 도체(導體)는 일정한 간격으로 원자핵을 포함하는 양이온이 배열돼 있는 ‘결정 격자 구조’를 갖는다. 그리고 전기가 통하게 되면, 이 공간에서 전하를 운반하는 자유 전자가 이동해서 전류가 흐른다.

그런데 만약 이온이 정확하게 규칙적으로 주기적인 배열에 따라 존재한다면, 결정 격자 구조가 완벽해서 전하를 운반하는 자유 전자가 도체 내에서 아무런 충돌을 겪지 않는다. 한마디로 부딪치는 것이 없어 전기가 잘 흐르고 열도 나지 않는다는 뜻이다. 하지만 일반적으로 도체내에는 불순물, 구조적인 결함, 이온들의 진동으로 인해 결정 격자 구조가 완벽하지 못하다. 따라서 전기가 통하게 되면, 자유 전자는 이들과 충돌하면서 열을 발생하게 된다.

1911년 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스는 이 같은 도체를 냉각시켜 거의 절대영도(영하 273.16℃) 근처까지 이르면, 도체 내 이온들의 진동 폭이 크게 줄어들 것으로 예상했다. 이를 확인하기 위해 오네스 박사는 헬륨이 액체상태가 되는 극저온에서 금속 수은의 저항을 측정해보았다. 그런데 놀랍게도 오네스 박사는 실험을 통해 영하 269℃근처에서 저항이 아예 사라지는 것을 발견할 수 있었다. 초전도 현상이 처음 발견된 것이다. 오네스 박사는 수은의 초전도 현상으로 1913년 노벨상을 수상했다.