한국세라믹기술원, 친환경 기능성 소재 개발 선도

- AI 기반 설계 혁신으로 초고속 경화·고강도 지오폴리머 개발

- 화재 확산 방지 구조물 등 다양한 산업적 응용 기대

위 왼쪽부터 임형미 박사, 고현석 박사, 이상훈 연구원, 아래 왼쪽부터 송혜정 연구원, 김경원 연구원의 모습. (자료제공: KICET)

a, 지오폴리머는 알루미노실리케이트 원료가 알칼리 활성제와 반응하여 3차원 구조의 고분자 네트워크를 형성하는 과정에서 만들어지며, 이 과정에서 퓸드 실리카는 칼슘 화합물의 응집을 억제하여 보다 균일하고 치밀한 구조를 형성하게 도와준다. b, 지오폴리머의 성능에 영향을 미치는 원료 간 상관관계를 분석한 결과, 수산화칼륨과 규산칼륨이 핵심 인자로 식별되었다. c, 메타모델링 기반의 최적화 기법을 도입하여 다양한 조성에 따라 지오폴리머의 굽힘강도 및 경화시간을 분석함으로써 최적의 성능을 나타내는 배합비를 도출하였다. d, 최적화된 배합을 통해 실온에서 6일 만에 98%의 강도에 도달하였으며, 굴곡강도는 27.83 MPa를 기록했다. 이는 기존 사례보다 더 우수한 성능으로, 실온에서 빠른 경화와 높은 강도를 동시에 달성했다.

한국세라믹기술원(KICET, 원장 정연길)은 고현석 박사 연구진이 메타모델 기반의 설계 기법을 통해 실온에서도 빠르게 경화되는 고강도 지오폴리머를 개발했다고 3월 26일 밝혔다. 

이번 연구성과는 AI 기반 설계 기법을 활용하여 최적의 조성을 효율적으로 도출한 점이 핵심 성과이다. 

메타모델은 여러 모델들의 패턴이나 구조를 추출하여 상위 개념의 모델을 구축하는 방법으로 설계 최적화, 시뮬레이션 기반 최적화, 머신러닝 기반 근사 모델 등에 활용한다.

지오폴리머는 비정질 또는 준결정질의 무기 소재로 시멘트와 유사한 소재다. 기존 시멘트를 대체할 수 있는 친환경 건축 소재로, 강도가 높고 내화·내산성이 뛰어나 방재 및 건설 분야에서 각광받고 있다. 

하지만, 기존 지오폴리머는 경화 속도가 느려 실용성이 제한적이며 빠른 경화를 위해 고온 처리가 필요한 단점이 있다.

이를 해결하고자 고현석 박사 연구팀은 메타모델 기반 설계 최적화 기법을 도입하여 최적의 조성을 빠르게 찾고, 실험 없이도 물성을 정확히 예측할 수 있도록 했다. 그 결과, 실온(20℃)에서도 2주 가량 소요되던 경화속도를 획기적으로 줄여 단 6일 만에 98% 경화를 달성하고, 굽힘 강도 27.83 MPa에 이르는 지오폴리머 개발에 성공했다.

연구팀은 재료의 배합을 최적화하는 AI 기반 설계 접근법을 활용하여 지오폴리머의 경화 속도와 강도를 동시에 높이는데 주력했다.

일반적으로 지오폴리머는 칼슘 화합물이 빠르게 뭉치는 현상으로 인해 강도가 저하되는 문제가 있었지만, 이 설계법을 통해 활성제와 첨가제의 배합을 최적화하여 칼슘화합물의 균일한 분포를 유도하여 경화 속도를 높이면서도 강도를 유지하는 방법을 개발했다. 

한국세라믹기술원 고현석 박사는 “이번 연구는 기존 지오폴리머의 단점을 극복하고, 실온에서도 빠르게 경화하면서도 강도를 유지할 수 있는 친환경 소재를 개발한 점에서 의미가 크다”고 밝혔다. 

또한, “이 연구 결과는 화재 확산 방지 구조물, 산성 환경 내 마감재, 긴급 보수용 소재 등 다양한 산업적 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

연구팀은 현재 해당 소재를 이용하여 극한환경용 All-Ceramic 복합소재(세라믹섬유-세라믹기지재)를 개발 중이라고 전했다. 

이번 연구는 산업통상자원부가 추진하고 한국산업기술진흥원이 시행하는 ‘가상공학플랫폼 구축사업’의 지원을 받아 수행했다.

한국세라믹기술원 고현석 박사가 교신저자이며, 김경원 연구원과 송혜정 연구원이 공동 1저자로 참여하고, 이상훈 연구원, 조형규 박사, 임형미 박사가 공저자로 참여한 이번 논문은 왕립화학회의 국제 학술지인 ‘디지털 디스커버리(Digital Discovery)’ 3월호 표지에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]