'초경량·고강도' 신소재 개발…KAIST “車·항공 분야 활용 기대”

KAIST 연구팀이 해외 연구팀과 협력해 나노 구조를 활용한 초경량·고강도 신소재를 개발했다. 이 신소재는 높은 강성과 강도를 유지하면서 경량성을 극대화한 것이 특징으로, 맞춤형 설계를 통해 향후 자동차·항공·모빌리티 등 산업에서 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST는 기계공학과 유승화 교수 연구팀이 토론토대 토빈 필레터 교수(Prof. Tobin Filleter) 연구팀과 협력해 높은 강성·강도를 유지하면서 경량성을 극대화할 수 있는 ‘나노 격자 구조’를 개발했다고 18일 밝혔다.

(왼쪽부터) 유승화 교수, 토빈 필레터 교수, 여진욱 박사, 피터 설레스 박사. KAIST 제공

연구팀은 연구 과정에서 격자 구조의 보(beam) 형상을 최적화해 경량성을 유지하는 동시에 강성과 강도를 극대화하는 데 집중했다.

특히 다목적 베이지안 최적화(Multi-objective Bayesian Optimization) 알고리즘을 활용해 인장 및 전단 강성 향상과 무게 감소를 함께 고려하는 최적 설계를 수행했다. 이를 통해 연구팀은 기존 방식보다 적은 데이터(400개)로 최적의 격자 구조를 예측 설계할 수 있음을 입증했다.

다목적 베이지안 최적화 알고리즘은 여러 목표를 동시에 고려해 최적의 해결책을 찾는 방법으로, 불확실도가 있는 상황에서도 효율적으로 데이터 수집과 결과 예측을 반복하면서 최적화를 진행할 수 있다.

연구팀은 나노 스케일에서 크기가 작아질수록 기계적 특성이 향상되는 효과를 극대화, 열분해 탄소(pyrolytic carbon) 소재로 초경량·고강도·고강성 나노 격자 구조를 구현했다. 열분해 탄소 소재는 높은 온도에서 유기물을 분해해 얻는 탄소 물질로, 내열성과 강도가 뛰어나 반도체 장비 코팅, 인공 관절 코팅 등 다양한 산업에서 사용된다.

나노 격자 구조 구현을 위해 연구팀은 이광자 중합(two-photon polymerization·레이저 빔을 이용해 특정 파장의 광자 두 개가 동시에 흡수될 때만 중합반응이 일어나도록 하는 원리의 첨단 광학 제조 기술) 기술을 적용해 복잡한 나노 격자 구조를 정밀하게 제작했다. 또 기계적 성능 평가 결과에서 해당 구조가 강철에 버금가는 강도와 스티로폼 수준의 경량성을 두루 갖추고 있음을 확인했다.

유승화 교수는 “이번 기술은 기존 설계 방식의 한계였던 응력 집중 문제를 3차원 나노 격자 구조로 해결함으로써 초경량성과 고강도를 동시에 구현하는 신소재 개발에 중요한 진전을 이뤘다”며 “연구팀이 개발한 기술은 향후 자동차 산업과 항공우주 산업의 경량화 수요에 부응하고, 맞춤형 설계로 보다 폭넓은 다양한 산업에 응용할 가능성을 열어갈 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 다상소재 혁신생산공정 연구센터 과제(ERC사업)와 식품의약품안전처의 M3DT(의료기기 디지털 개발도구) 과제, KAIST 국제협력사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 지난달 23일 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에도 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr