국제협력 연구를 통해 초경량·고강도 성능을 가진 소재가 개발돼 맞춤형 설계로 다양한 산업에 응용할 수 있게 됐다.
유승화 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 기계공학과 교수 연구팀이 토빈 필레터(Tobin Filleter) 토론토 대학(Univ. of Toronto) 교수 연구팀과 협력해 높은 강성과 강도를 유지하면서도 경량성을 극대화한 나노 격자 구조를 개발했다고 18일 밝혔다.
연구팀은 이번 연구에서 격자 구조의 보(beam) 형상을 최적화해 경량성을 유지하면서도 강성과 강도를 극대화하는 방안을 모색했다.
특히, 여러 목표를 동시에 고려해 최적의 해결책을 찾는 '다목적 베이지안 최적화(Multi-objective Bayesian Optimization) 알고리즘'을 활용해 인장 및 전단 강성 향상과 무게 감소를 동시에 고려하는 최적 설계를 수행했다.
이를 통해 기존 방식보다 훨씬 적은 데이터(약 400개)만으로도 최적의 격자 구조를 예측하고 설계할 수 있음을 입증했다.
연구팀은 또 나노 스케일에서는 크기가 작아질수록 기계적 특성이 향상되는 효과를 극대화하기 위해, 높은 온도에서 유기물을 분해해 얻는 탄소물질인 '열분해 탄소(pyrolytic carbon) 소재'를 활용해 초경량·고강도·고강성 나노 격자 구조를 구현했다.
레이저 빔을 이용해 특정 파장의 두 개의 광자가 동시에 흡수될 때만 중합 반응이 일어나도록 하는 '이광자 중합(two-photon polymerization, 2PP) 기술'로 강철에 버금가는 강도와 스티로폼 수준의 경량성을 동시에 갖추도록 했고, '멀티포커스 이광자 중합(multi-focus 2PP) 기술'을 이용해 나노스케일의 정밀도를 유지하면서도 밀리미터 스케일의 구조물 제작이 가능함을 입증했다.
유승화 교수는 "데이터 기반 최적화 설계와 정밀 3D 프린팅 기술을 융합한 이 기술은 항공우주 및 자동차 산업의 경량화 수요에 부응할 뿐만 아니라, 맞춤형 설계를 통한 다양한 산업 응용 가능성을 열어갈 것"이라고 기대했다.
이번 연구는 피터 설레스 박사(Dr. Peter Serles)와 KAIST 여진욱 박사가 공동 제1 저자로 연구를 주도했으며, 유승화 교수와 토빈 필레터 교수가 교신 저자로 참여했다.
연구 결과는 세계적인 국제 학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 지난달 23일 게재됐다.
김종화 기자 justin@asiae.co.kr
<ⓒ투자가를 위한 경제콘텐츠 플랫폼, 아시아경제 무단전재 배포금지>
