3D 메타물질, 산업과 미래를 재구성하다

- 노준석 교수팀, 우주에서 의료까지 초경량·초강도 소재의 새로운 가능성 열어

AI를 통한 역설계 결과. a) 네 가지 모델의 진동저감 영역, b) 압축 하중하에서의 최재 응력 비교, c) 전단 하중하에서의 최대 응력 비교, d) 샘플의 그래픽 이미지, e) 3D 프린터로 제작도니 샘플의 실제 사진. (자료제공: POSTECH)

포항공과대학교(POSTECH, 총장 김성근)는 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 박정훈·노재범, 인공지능대학원 통합과정 신제현 씨 연구팀이 인공지능(AI)을 활용하여 3D 기계적 메타물질 설계 기술을 개발하는 데 성공했다고 1월 17일 밝혔다. 

카이랄(chiral) 기계적 메타물질은 비대칭 구조를 가진 인공 물질로 기존 소재가 가진 물리적 한계를 뛰어넘는 독특한 특성이 있다. 예를 들어 압력을 가했을 때 예상치 못한 방향으로 변형되거나 특정 주파수의 파동을 차단할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 새로운 형태의 센서나 에너지 흡수 장치 등 첨단 기술 분야에서 큰 주목을 받고 있다.

그러나 3차원 메타물질 설계는 고려해야 할 변수가 많고 조건이 복잡해 원하는 특성을 가진 구조를 찾아내기 매우 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 AI 기술 중 하나인 ‘조건부 생성적 적대 신경망(이하 c-GAN)’을 활용해 3D 카이랄 기계적 메타물질을 역설계하는 혁신적인 방법을 개발했다.

c-GAN은 진동 감쇠와 응력 분포 같은 정적·동적 특성을 동시에 고려해 복잡한 구조를 효율적으로 설계하는 AI 기술이다. 연구팀은 이 네트워크를 변형해 진동 감쇠와 압축 및 전단 하중 응력 분포를 동시에 반영하도록 알고리즘을 최적화해 원하는 기계적 특성을 가진 기계적 메타물질을 설계하는 데 성공했다.

이어 연구팀은 AI로 설계한 메타물질 구조를 3D 프린터로 만들고, 실험을 통해 성능을 입증했다. 제작된 메타물질은 광범위한 진동 감쇠 특성, 낮은 응력 집중을 통한 안정성 강화 특성, 다양한 비선형 강성 특성을 보였다.

이 기술은 초경량·고강도 소재, 완벽한 진동·충격 흡수 장치와 구조물 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 크며 특히 우주 산업(우주 탐사선)과 국방 기술(방탄복), 의료 기기(임플란트) 같은 극한 환경과 특수한 성능이 필요한 분야에서 혁신적인 변화를 일으킬 것으로 기대된다.

연구를 이끈 노준석 교수는 “높은 자유도의 복잡한 3D 메타물질을 창의적이며 효율적으로 설계할 수 있게 되었다”라며 “이 기술이 다양한 첨단 제품에 적용될 수 있도록 후속 연구를 이어 나가겠다”고 전했다.

이번 연구는 포스코 홀딩스 [N.EX.T IMPACT] 메타표면 기반 평면광학기술 연구소, 한국연구재단 우수연구-중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 과학 국제 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 지난 9일 오프라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]