[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 캐나다 대학과 협업해 나노구조를 활용한 초경량 고강도 소재를 개발, 항공 및 자동차 경량화 지원에 나섰다.
한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 유승화 교수팀이 캐나다 토론토대학 토빈 필레터 교수 연구팀과 협력해 높은 강성과 강도를 유지하면서도 경량성을 극대화한 나노격자 구조를 개발했다고 18일 밝혔다.
연구팀은 격자구조의 보(beam) 형상을 최적화해 경량성을 유지하면서도 강성과 강도를 극대화했고 ‘다목적 베이지안 최적화(Multi-objective Bayesian Optimization)’ 알고리즘을 활용, 인장 및 전단강성 향상과 무게감소를 동시에 만족할 수 있는 최적 설계를 이뤄냈다.
또 기존 방식보다 훨씬 적은 데이터(약 400개)만으로도 최적의 격자구조를 예측하고 설계할 수 있음을 입증했다.
다목적 베이지안 최적화 알고리즘은 여러 목표를 동시에 고려해 최적의 해결책을 찾는 방법으로 불확실도가 있는 상황에서도 효율적으로 데이터 수집과 결과예측을 반복하며 최적화를 진행한다.
연구팀은 열분해 탄소(pyrolytic carbon) 소재를 활용해 크기가 작아질수록 기계적 특성이 향상되는 나노 스케일의 효과를 극대화시켜 초경량·고강도·고강성 나노격자 구조를 구현했다고 설명했다.
이를 위해 첨단 광학제조 기술인 ‘이광자 중합(two-photon polymerization·2PP) 기술’을 적용해 복잡한 나노격자 구조를 정밀하게 제작했으며 기계적 성능평가 결과, 해당 구조가 강철에 버금가는 강도와 스티로폼 수준의 경량성을 동시에 갖추고 있음을 확인했다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 지난달 23일 게재됐다.(논문명:Ultrahigh Specific Strength by Bayesian Optimization of Lightweight Carbon Nanolattices).
유승화 교수는 “이번 연구에서 기존 설계방식의 한계로 지적되던 응력집중 문제를 3차원 나노격자 구조를 통해 혁신적으로 해결, 초경량성과 고강도를 동시에 구현한 신소재 개발에 중요한 진전을 이뤘다”며 “이 기술은 항공우주 및 자동차산업의 경량화, 성능향상, 연료절감 뿐만 아니라 맞춤형 설계로 다양한 산업에도 응용될 수 있다”고 말했다.
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