< (왼쪽부터) 신소재공학과 강성훈 교수, 존스홉킨스대학 Bohan Sun 박사과정, 존스홉킨스대학 Grant Kitchen 박사과정, 조지아공과대학 Yuhang Hu 교수,

조지아공과대학 Dongjung He 박사과정 >

아파트 건물, 차량 등을 구성한 재료는 반복 하중을 받으면 시간이 지남에 따라 성능이 저하되어 고장과 파괴가 발생한다. 한미 공동연구진이 뼈에 하중이 가해지면 내부의 피로부터 미네랄이 합성되어 골밀도를 증가시키는 원리에서 영감을 얻은 생체모방기술을 이용하여 사용할수록 단단해지는 신소재를 개발하는데 성공했다. 

우리 대학 신소재공학과 강성훈 교수 연구팀이 존스홉킨스 대학, 조지아 공과대학과 공동연구를 통해 뼈가 운동을 하면 더 강해지는 것과 같이 반복적으로 사용할수록 더욱 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다. 

강성훈 교수 연구팀은 기존의 재료가 반복적으로 사용할수록 성능이 저하되는 문제를 해결하고자 뼈가 운동과 같이 응력이 가해졌을 때 세포의 작용에 의해 미네랄을 형성해서 더욱 강해지는 특성에서 영감을 받아, 세포의 작용에 의존하지 않고도 응력을 가하면 스스로 미네랄을 합성해 더욱 강해져 다양한 응용 분야에서 사용이 가능할 것으로 기대되는 신소재를 개발했다. 

연구팀은 세포의 작용을 대체하기 위해서 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전(힘을 전기로 변환하는 작용) 바탕재를 만든 후 그 안에 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣은 복합재료를 합성했다.

< 그림 1. 이번 연구의 바탕이 된 뼈와 벌레잡이 식물에서 영감을 받은 생체 모방 개념, 가역적 강화 메커니즘, 다공성 복합재를 제작하는 공정, 반복 하중 후 강성과 에너지 소산이 증가하는 기계적 특성 변화, 그리고 재 프로그래밍할 수 있는 자가 접힘 메커니즘 및 응용 사례의 개략도 >

그리고 이 재료에 주기적인 힘을 가한 후 재료의 물성 변화를 측정한 결과, 응력의 빈도와 크기에 비례해서 재료의 강성이 향상되고 아울러 에너지 소산 능력도 향상되는 결과를 보였다. 

이러한 특성을 갖는 이유는 미네랄이 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 내부에 형성되고 커다란 힘이 가해졌을 때는 파괴되면서 에너지를 소산시키고 다시 반복적인 응력을 가하면 미네랄이 다시 형성되기 때문임을 마이크로 CT를 이용한 내부 구조 촬영을 통해 밝혀냈다. 

이는 기존의 재료들이 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 감소되는 것과 달리 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 동시에 향상되는 특성을 보여 주었다.

< 그림 2. 반복 하중 시 이번에 개발된 신소재 (LIPPS)와 다른 재료의 특성 변화 비교. (A) 반복 하중 후 에너지 소산의 상대적 변화 비율과 하중 제거 시 탄성 계수의 상대적 변화율을 나타낸 그래프. LIPPS는 기존 재료가 도달하지 못한 새로운 영역에 위치하며, 탄성 계수와 에너지 소산이 동시에 증가하는 특성을 보인다. (B) 현재 최첨단 기계적 적응형(materially adaptive) 재료와 LIPPS의 성능을 비교한 그래프. (왼쪽) 반복 하중 후 기존 값과 비교한 최대 특성 변화율을 나타내며, LIPPS는 기존 적응형 재료보다 탄성 계수, 소산된 에너지 밀도 및 비율, 인성(충격 저항성), 저장된 에너지 밀도에서 훨씬 높은 변화율을 보인다. (오른쪽) 반복 하중 전후 보고된 특성의 절대값 범위를 나타내며, LIPPS가 기존 적응형 재료보다 더 높은 탄성 계수와 인성을 갖고 있음을 보여준다. >