한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)을 비롯한 국제 공동연구진이 나노 구조를 활용한 초경량 고강도 신소재를 개발했다. 항공·자동차 산업 연료 절감 및 성능 향상에 기여하는 등 다분야 적용이 가능하다.
KAIST는 유승화 기계공학과 교수팀이 토빈 필레터 토론토대 교수팀과 이와 같은 나노 격자 구조를 개발했다고 18일 밝혔다.
연구팀은 격자 구조 보(빔) 형상을 최적화해 경량을 유지하면서 강성·강도를 극대화했다.
특히 여러 목표를 동시 고려해 최적의 해결책을 찾는 ‘다목적 베이지안 최적화 알고리즘’을 활용해 인장·전단 강성 향상과 무게 감소를 동시에 이뤘다. 약 400개의 극히 적은 데이터로도 최적의 격자 구조를 예측하고 설계했다.
또 내열성·강도가 뛰어난 나노 소재인 ‘열분해 탄소 소재’를 활용해 초경량·고강도·고강성 나노 격자 구조를 구현했다.
레이저 빔으로 특정 파장의 두 광자가 동시 흡수될 때만 중합 반응이 일어나도록 하는 ‘이광자 중합(2PP) 기술’을 적용해 복잡한 나노 격자 구조를 정밀 제작하기도 했다. 그 결과 강철에 버금가는 강도, 스티로폼 수준 경량성을 동시에 갖추게 했다.
이밖에 ‘멀티포커스 2PP 기술’로 나노 스케일 정밀도를 유지하면서 밀리미터 스케일 구조물 제작이 가능함을 입증했다.
유승화 교수는 “데이터 기반 최적화 설계와 정밀 3D 프린팅 기술을 융합한 기술로 항공우주 및 자동차 산업 경량화 수요에 부응할 뿐만 아니라, 맞춤형 설계를 통한 다양한 산업 응용 가능성을 열어갈 것으로 기대된다”고 강조했다.
연구 결과는 ‘어드밴스드 머터리얼즈’에 1월 23일 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 다상소재 혁신생산공정 연구센터 과제(ERC사업)와 식품의약품안전처의 의료기기 디지털 개발도구(M3DT) 과제, KAIST 국제협력사업의 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
