국내 연구진이 나노 구조를 활용해 가벼우면서도 강한 소재를 개발했다. 향후 맞춤형 설계를 통해 항공, 자동차 등 다양한 산업에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
유승화 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 교수 연구진은 토빈 필레터 토론토대 연구진과 함께 높은 강성과 강도를 유지하면서도 경량성을 극대화한 나노 격자 구조를 개발했다고 18일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 23일 게재됐다.
연구진은 우선 가볍고 튼튼한 구조를 만들기 위해 격자 구조의 보(beam) 형태를 선택했다. 그리고 강도, 무게, 강성 등 여러 조건을 동시에 고려한 최적의 설계를 위해 ‘다목적 베이지안 최적화’(Multi-objective Bayesian Optimization) 알고리즘을 활용했다. 이 방식은 기존 데이터를 바탕으로 여러 요소를 분석해 최적의 설계를 도출하는 방식으로, 적은 데이터만으로도 실험 횟수를 줄일 수 있는 특징이 있다. 연구진은 덕분에 약 400개의 데이터만으로 최적의 격자 구조를 설계하는 데 성공했다.
연구진은 또 나노 크기로 작아질수록 강도와 경도 등 기계적 특성이 향상되는 효과를 극대화하기 위해 열분해 탄소 소재를 활용했다. 이 소재는 고온에서도 변형이 적고 강도가 뛰어나 반도체 장비나 인공 관절 코팅 등에 사용된다. 연구진은 이를 활용해 가벼우면서도 튼튼한 나노 격자 구조를 구현했다.
제작 과정에서는 레이저를 이용한 첨단 3D 프린팅 기술인 ‘멀티포커스 이광자 중합 기술(Multi-focus 2PP)’을 활용했다. 이 기술은 여러 개의 초점을 동시에 활용해 기존보다 빠르게 나노 구조를 제작할 수 있도록 돕는다. 연구진은 이를 통해 강철에 버금가는 강도를 가지면서도 스티로폼처럼 가벼운 나노 구조를 구현했다. 그리고 정밀도를 유지하면서 밀리미터 크기의 구조물을 제작할 수 있음을 함께 확인했다.
유 교수는 “이번 연구는 기존 설계 방식의 한계로 지적되던 응력 집중 문제를 3차원 나노 격자 구조를 통해 혁신적으로 해결한 사례”라며 “항공우주 및 자동차 산업의 경량화 수요에 부응할 뿐만 아니라, 맞춤형 설계를 통한 다양한 산업 응용 가능성을 열어갈 것으로 기대된다”고 말했다.
참고 자료
Advanced Materials(2025), DOI : https://doi.org/10.1002/adma.202410651
