KAIST와 토론토 대학 연구진이 개발한 나노 격자구조 및 버블 위에 얹은 구조물. / KAIST

가볍고 강한 소재는 우주산업을 비롯한 첨단산업에서 발전을 위한 중요한 역할을 한다. 국내외 공동연구진이 나노 구조를 활용한 초경량 고강도 소재를 개발해 향후 맞춤형 설계를 통해 다양한 산업에 응용 가능성을 제시했다.

KAIST는 기계공학과 유승화 교수 연구팀이 토론토 대학 토빈 필레터 교수 연구팀과 협력해 높은 강성과 강도를 유지하면서도 경량성을 극대화한 나노 격자 구조를 개발했다고 18일 밝혔다. 이 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티어리얼스(Advanced Materials)' 1월 23일자에 게재됐다.

연구팀은 이번 연구에서 격자 구조의 보(beam) 형상을 최적화해 경량성을 유지하면서도 강성과 강도를 극대화하는 방안을 모색했다. 특히 다목적 베이지안 최적화 알고리즘을 활용해 인장 및 전단 강성 향상과 무게 감소를 동시에 고려하는 최적 설계를 수행했다. 기존 방식보다 훨씬 적은 데이터(약 400개)만으로도 최적의 격자 구조를 예측하고 설계할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 나노 스케일에서는 크기가 작아질수록 기계적 특성이 향상되는 효과를 극대화하기 위해 열분해 탄소 소재를 활용해 초경량·고강도·고강성 나노 격자 구조를 구현했다.

기계적 성능 평가 결과 해당 구조가 강철에 버금가는 강도와 스티로폼 수준의 경량성을 동시에 갖추고 있음을 확인했다. 또 나노스케일의 정밀도를 유지하면서도 밀리미터 스케일의 구조물 제작이 가능함을 연구팀은 입증했다.

유승화 교수는 “데이터 기반 최적화 설계와 정밀 3D 프린팅 기술을 융합한 이 기술은 항공우주·자동차 산업의 경량화 수요에 부응할 뿐만 아니라, 맞춤형 설계를 통한 다양한 산업 응용 가능성을 열어갈 것으로 기대된다”고 밝혔다.