이번 연구를 수행한 공동 연구진. 유승화(왼쪽부터) KAIST 교수, 토빈 필레터 토론토대 교수, 여진욱 KAIST 박사, 피터 설레스 토론토대 박사.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 최근 자동차, 항공, 모빌리티 등 첨단 산업에서는 경량화와 동시에 우수한 기계적 성능을 갖춘 소재에 대한 수요가 증가하고 있다.

KAIST는 기계공학과 유승화 교수 연구팀이 토론토 대학교 토빈 필레터 교수 연구팀과 함께 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 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(pyrolytic carbon) 소재를 활용해 초경량·고강도·고강성 나노 격자 구조를 구현했다.

제작된 나노 격자 구조 이미지와 버블 위에 얹혀진 구조물.[KAIST 제공]

기계적 성능 평가 결과 해당 구조가 강철에 버금가는 강도와 스티로폼 수준의 경량성을 동시에 갖추고 있음을 확인했다.

또한 나노스케일의 정밀도를 유지하면서도 밀리미터 스케일의 구조물 제작이 가능함을 연구팀은 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 것으로 기대된다.”라고 강조했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 23일 게재됐다.