반복 하중에도 강도 증가하는 생체모방 기술 적용… 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’에 게재
기존 재료의 한계를 극복한 ‘자가 강화 신소재’ 개발
KAIST(총장 이광형) 신소재공학과 강성훈 교수 연구팀이 존스홉킨스대학교, 조지아 공과대학교와 공동 연구를 통해 반복적으로 사용할수록 강도가 증가하는 신소재를 개발했다고 2월 20일 발표했다.
이번 연구는 뼈가 운동할수록 골밀도가 증가하는 원리에서 착안한 생체모방 기술을 기반으로, 응력이 가해질 때 스스로 미네랄을 형성해 강도가 높아지는 신소재를 구현한 것이 특징이다. 기존의 인공 구조 재료는 반복적으로 하중을 받을수록 성능이 저하되는 문제가 있었으나, KAIST 연구팀은 이를 해결할 수 있는 혁신적인 방안을 제시했다.
생체 원리를 활용한 신개념 재료… 응력에 따라 스스로 강화
연구팀은 힘이 가해질수록 전하를 생성하는 다공성 압전(압력을 전기로 변환) 소재를 개발하고, 여기에 피와 유사한 미네랄 성분을 포함한 전해질을 결합한 복합재료를 합성했다. 이 신소재는 외부에서 힘이 가해지면 내부에서 미네랄이 형성되며, 응력의 크기와 빈도에 비례해 강성과 에너지 소산 능력이 향상되는 특징을 보였다. 특히 반복적인 하중을 받을 때, 기존 재료와 달리 손상이 발생하지 않고 오히려 강도가 증가하는 점이 중요한 성과로 평가된다.
연구팀은 마이크로 CT(Micro-CT) 촬영을 통해 신소재 내부의 미네랄 형성이 응력에 따라 조절되는 것을 확인했으며, 이를 통해 기존 구조 재료의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 제시했다.
자가 치유 및 강도 조절 기능… 다양한 산업 분야 응용 기대
이번에 개발된 신소재는 자동차, 항공기, 선박, 건축 구조물, 인공 관절 등 다양한 분야에서 응용될 가능성이 크다. 강성훈 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 신소재는 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 증가하는 특성을 보이며, 기존 재료가 반복 사용으로 인해 성능이 저하되는 문제를 해결할 수 있다”고 설명했다.
또한, 이 신소재는 응력이 가해지는 위치에 따라 스스로 기계적 특성을 조정할 수 있어 자가 치유 기능을 갖춘 재료로도 활용 가능하다. 이를 통해 향후 건축물의 내진 성능 강화, 항공기 및 자동차 부품의 내구성 향상, 의료용 임플란트의 장기적 안정성 확보 등 다양한 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 것으로 기대된다.
국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’ 게재… 세계적 주목
이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)’ 2월호에 게재되었으며, 연구 논문 제목은 ‘A material dynamically enhancing both load-bearing and energy-dissipation capability under cyclic loading’이다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 해외우수과학자유치사업(Brain Pool Plus) 지원을 받아 수행되었으며, 존스홉킨스대학교 극한재료연구소 및 조지아 공과대학교와의 공동 연구로 진행되었다. KAIST 연구팀은 향후 다양한 환경에서 신소재의 내구성을 검증하고, 산업 적용 가능성을 높이는 후속 연구를 진행할 계획이다.
