현대 제품 소재 선택을 이끄는 5가지 핵심 질문

오늘날 방대한 소재 선택지 속에서 현대 제품에 최적의 소재를 고르는 건 여러 도전을 안겨줍니다. 기술과 전반적 기술 노하우 향상으로 어떤 제품을 만들 수 있는지, 어떤 소재를 쓸 수 있는지에 가능성이 그 어느 때보다 넓어졌습니다.

최적 소재 선택은 현대 제품 제작의 결정적 단계입니다. 과거엔 도전이 주로 소재 조달, 특히 저렴한 소재 조달과 설계 관점의 기술적 한계 위주였습니다.

하지만 현대 건축가, 시공사, 설계자는 엄청나게 경쟁적인 시장에서 최적 소재를 찾는 임무를 맡습니다. 잘못된 소재 선택은 여러 차원에서 회복 불가능한 손실을 초래할 수 있습니다.

제품 설계자와 건축자가 유망하고 경쟁력 있는 소재 솔루션을 찾을 때 물어야 할 다섯 가지 질문입니다.

1. 소재가 가볍고 강한가?

강도는 많은 제품에서 가치 있는 특성입니다. 의도적으로 약하게 설계하는 경우는 거의 없습니다. 하지만 강도는 전통적으로 무게 증가를 수반했습니다. 더 강한 소재가 보통 더 많은 질량을 필요로 했기 때문입니다.

오늘날 세상에서는 더 이상 그렇지 않습니다. 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 합금 모두 높은 강도-중량비를 가져 고속열차, 승용차, 항공기, 우주선에 적합한 소재입니다.

알루미늄은 20°C에서 인장강도 90 MPa, 밀도 2.7 g/cm³입니다. 이 특성들이 풍부함과 저렴함과 결합돼 항공기 부품, 히트싱크, 창틀, 건설 등 광범위한 응용에 최고의 소재 중 하나입니다.

미래엔 이 금속들과 새롭고 개선된 합금 조합이 더 많이 쓰일 것임이 틀림없습니다.

최근 미국 노스캐롤라이나주립대와 카타르대 국제 연구팀이 신소재를 만들었습니다. 리튬, 마그네슘, 티타늄, 알루미늄, 스칸듐을 결합해 지구상 어떤 알려진 소재보다 높은 강도-중량비를 가진 나노결정 합금을 만들었습니다. 이 합금이 비용경쟁력 있는 가격으로 쉽게 구해지면, 육상·해상·우주 여행용 차세대 제품 기반이 될 수 있고 기타 많은 유용한 응용도 가능해집니다.

2. 소재가 생태학적으로 수용 가능한가?

기후 변화와 환경 악화 시대에, 생태학적·지속가능적 관점에서 수용 가능한 소재를 쓰는 게 점점 중요해지고 있습니다. 다행히 '친환경' 또는 '그린' 소재가 여러 가지 있으며 모두 유리한 특성을 가집니다.

그래핀, 알루미늄, 붕규산 유리는 제품 사용 수명 동안 재활용 가능하고 환경 영향이 낮아 생태학적으로 바람직합니다. 세계가 순환 경제로 전환한다면(많은 정부가 추구 의사를 밝혔듯) 이들과 다른 '그린' 소재가 더 흔해질 것입니다.

더 지속가능한 소재와 그에 따른 제품으로의 전환은 현대 제품 소재 선택에 새 도전이지만, 앞으로 점점 더 중요해질 상당하고 근본적인 도전입니다.

3. 스타일을 해치지 않으면서 성능을 낼까?

가볍고 강하고 신뢰성 있는 소재로 만든 제품도 현대 스타일 트렌드에 맞아야만 가치가 있는 경우가 있습니다. 산업용 응용에선 보통 그렇지 않습니다. 창고와 발전소는 미학적으로 만족스러운 건설과 기계에 별 필요 없으니까요.

하지만 소비자용으로 제조된 건 무엇이든 인장·경도 시험만큼 눈 테스트도 통과해야 할 겁니다. 가전제품, 차량, 전자제품 등은 시각적으로 매력적인 소재로 만들지 않으면 팔리지 않을 가능성이 큽니다.

4. 소재가 윤리적으로 채굴·조달됐는가?

최근 몇 년간 소비자 관심사로 부상했습니다. 전 세계 제품 접근성 증가와 소스 정보 가용성 증가로, 윤리적으로 조달된 제품 구성요소에 대한 수요가 늘었습니다.

원자재 채굴 개선이나 공정무역 조달을 통해, 소비자들은 자기 제품 출처와 구성 소재를 더 잘 알고 있습니다.

설계자와 제조사는 이제 공정무역 파트너십과 저환경영향 채굴로 소재를 조달해 제품에 더 윤리적인 조달을 보장해야 합니다. 생태학적으로 건전한 소재 수요 증가와 비슷하게, 윤리적으로 건전한 조달은 단일 소재의 직접적 특성이라기보다 어떤 소재를 쓸지 고르는 전반적 프레임워크입니다. 그럼에도 현대 제품 소재 선택에서 가장 큰 도전 중 하나입니다.

5. 소재가 비용 경쟁력이 있는가?

이건 생산자와 소비자 모두에게 중요합니다. 가볍고 강하고 지속가능하고 심미적으로 매력적인 소재도 감당 가능하지 않으면 실현 불가능합니다. 소재가 보통 부피당(킬로그램 단위) 팔리므로, 관련 비용은 그래핀이나 경량 플라스틱보다 철강 같은 무거운 소재에 더 큰 영향을 줍니다.

다행히 알루미늄 같은 가볍고 강한 소재는 풍부하고 킬로그램당 0.50달러/0.40유로 조금 넘게 상대적으로 저렴합니다. 반면 위 나노결정 합금처럼 비슷하거나 더 나은 강도-중량비를 가진 고도로 특수하거나 새로 만든 소재는 터무니없이 비쌀 수 있습니다. 다른 측면이 상대적으로 동등할 때, 가용 소재 비용 평가가 많은 경우 결정적 요인입니다.

올바른 균형 찾기

건설이나 제조의 많은 다른 측면처럼, 모든 게 맞아떨어져 각 의도 제품에 이상적 소재를 만드는 중간 지점 또는 스위트 스팟이 필요합니다. 어떤 소재가 특정 프로젝트에 꽤 적합해도, 요건 차이나 허용가능한 생태영향 수준 차이로 다른 프로젝트엔 부적절할 수 있습니다.

예컨대 유리섬유 수지 복합소재는 강하고 선체 미세 균열과 결함을 커버할 수 있어 보트 건설에 완벽한 옵션일 수 있습니다. 하지만 같은 소재를 철도차량에 쓰면 더 적합한 옵션이 있어 훨씬 나쁘게 수행할 것입니다.

위 다섯 가지 안내 질문으로 특정 제품과 프로젝트에 더 적합한 소재를 식별하는 초기 프레임워크를 구성할 수 있습니다.