경희대 신소재공학과 박윤석 교수 연구팀의 정구윤 연구원이 한국전기연구원(KERI) 설승권 박사 연구팀과 자기장을 이용해 실시간으로 강성을 정밀하게 제어하는 기계적 메타물질을 개발했다고 4일 밝혔다.
뉴시스 보도에 따르면, 이번 성과는 재료과학 분야의 세계적 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난달 28일 게재됐다.
최근 차세대 산업 분야에서 스스로 물리적·화학적 특성을 변화시킬 수 있는 지능형 재료(intelligent materials)의 필요성이 커지고 있다. 그러나 기존 소재는 고정된 특성을 지녀 유연성과 정밀한 기능 구현에 한계가 있었다.
이에 연구팀은 근육 수축의 기본 단위인 '근절(sarcomere)'의 구조와 작동 원리에서 착안해 외부 자기장에 따라 부드럽고 유연한 상태에서 단단하고 견고한 상태로 빠르게 전환하는 메타물질을 개발했다.
개발된 메타물질은 소프트–중간–하드의 3단계 강성 조절(ternary programming)이 가능해, 기존의 이진(on/off) 방식보다 정밀성과 응답 속도가 빨랐다.
이번 연구에서는 네오디뮴 자성입자(NdFeB)와 고탄성 고분자인 SIS(Styrene-Isoprene-Styrene)를 혼합한 잉크를 활용해 4D 프린팅 방식으로 구조체를 제작했다.
제작된 자기 강성 조절 메타물질(MTSM)은 약 0.1초 만에 자기장에 반응하고, 최대 390% 이상의 강성 조절 범위를 구현한다. 더 나아가 이를 3차원 배열로 확장하면 자기장의 방향과 세기에 따라 다층의 강성 모드를 제어할 수 있다.
연구팀은 기계적 메타물질을 실제 활용 사례로 연결하기 위해 자기장에 따라 강성이 변하는 '지능형 바퀴(wheel system)'를 시연했다. 바퀴는 울퉁불퉁한 지형에서는 부드럽게 변형되며 장애물을 넘었고, 평지에서는 단단하게 유지돼 안정적으로 주행했다.
박 교수는 "이번 연구는 단순한 변형 소재를 넘어, 외부 자극에 따라 스스로 기계적 특성을 프로그래밍하는 진정한 '지능형 재료(Intelligent Materials)'로 나아가는 발판"이라고 밝혔다.
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