강철 수준의 강도, 스티로폼 같은 가벼운 소재 구현
머신러닝과 나노 3D 프린팅 기술 결합으로 최적화 설계

첨단 산업의 경량화 요구, KAIST가 해결한다

최근 자동차, 항공, 모빌리티 산업에서는 가볍지만 강한 소재에 대한 요구가 커지고 있다. 이에 KAIST 기계공학과 유승화 교수 연구팀이 토론토대학교(University of Toronto) 토빈 필레터 교수 연구팀과 협력하여 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 초경량 신소재 나노 격자 구조를 개발했다. 연구진은 강성과 강도를 유지하면서도 경량성을 극대화하는 혁신적인 신소재를 선보였으며, 이는 향후 다양한 산업에서 활용될 것으로 기대된다.

머신러닝 기반 최적화 설계로 새로운 차원의 소재 개발

이번 연구에서는 다목적 베이지안 최적화(Multi-objective Bayesian Optimization) 알고리즘을 적용하여 최소한의 데이터(약 400개)만으로 최적의 격자 구조를 설계하는 데 성공했다. 기존 연구보다 적은 데이터로도 정밀한 예측이 가능해졌으며, 이를 통해 인장 및 전단 강성을 향상시키면서 무게를 획기적으로 줄일 수 있었다.

초미세 정밀 3D 프린팅 기술로 강철보다 강하고 스티로폼처럼 가벼운 소재 구현

연구팀은 나노 스케일에서 크기가 작아질수록 기계적 특성이 향상되는 원리를 극대화하기 위해 열분해 탄소(Pyrolytic Carbon) 소재를 활용했다. 또한, 이광자 중합(Two-photon Polymerization, 2PP) 기술을 적용하여 정밀한 나노 격자 구조를 제작했다. 이를 통해 기존 소재와 비교해 강철에 버금가는 강도와 스티로폼 수준의 경량성을 동시에 갖춘 첨단 신소재가 탄생했다.

산업 전반에 걸쳐 혁신 기대… 친환경 미래 소재로 주목

이번 연구를 주도한 KAIST 유승화 교수는 “이번 기술은 기존 설계 방식의 한계를 극복하고 초경량성과 고강도를 동시에 구현한 혁신적인 성과”라며, “항공우주 및 자동차 산업뿐만 아니라 다양한 분야에서 맞춤형 설계로 활용될 가능성이 크다”고 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지 *어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)*에 2025년 1월 23일 게재되었으며, DOI는 https://doi.org/10.1002/adma.202410651이다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 다상소재 혁신생산공정 연구센터(ERC 사업) 및 식품의약품안전처 M3DT(의료기기 디지털 개발도구) 과제, KAIST 국제협력사업의 지원을 받아 수행되었다.