실시간으로 모양과 성질을 바꿀 수 있는 물질이 개발됐다. 역동적인 변화에 적응하거나 모양의 변형이 필요한 로봇 등 다양한 기계의 핵심 부품으로 활용될 예정이다.
UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 김지윤 교수팀은 기존의 재료의 한계를 뛰어넘어 실시간으로 물질의 모양과 특성을 조절할 수 있는 메타 물질을 세계 최초로 개발했다. 설계된 모양과 특성을 바꿀 수 없거나 제한적으로만 변화 가능했던 기존 메타 물질과는 달리 실시간으로 적재적소에 사용할 수 있다.
그림1. 실시간 코딩 가능한 메타 물질 개념도
메타 물질은 자연에 있는 일반적인 물질과는 달리 특별한 물리적 특성을 가지도록 설계된 인공물질을 말한다. 젤리와 같은 일반적인 물질은 세로 방향으로 누르면 가로가 늘어나지만 메타 물질은 세로 방향으로 눌러도 가로 방향이 줄어들 수 있다. 이런 특성은 건축, 항공, 로봇 등 다양한 분야에서 혁신적 응용이 가능하다.
연구팀은 실시간으로 모양과 물질의 성질을 조절할 수 있는 메타 물질 개발에 성공했다. 연구팀은 메타 물질의 기본 단위 구조가 되는 메타 픽셀에 물질의 대표적인 상태인 액체 또는 고체로 변하게 만드는 ‘녹는 점이 낮은’ 합금을 융합했다. 이렇게 융합된 합금의 상태가 변화하는 것을 조그마한 픽셀 단위로 조절하면서 메타 물질의 다양한 성질을 구현할 수 있었다.
그림2. 메타 물질의 모양 변화 모드 프로그래밍
연구팀은 융합된 합금을 통해 디지털 패턴의 정보(0=액체, 1=고체)를 표현하고 실시간으로 디지털 패턴 명령어를 입력할 수 있도록 설계했다. 입력된 디지털 패턴을 통해 메타 물질의 모양, 강도, 변형 비율 등 다양한 성질을 실시간으로 조절 가능하다.
제1 저자 최준규 석·박통합과정 연구원은 “개발된 메타 물질은 추가적인 하드웨어 없이 원하는 특성을 몇 분 안에 구현하는 게 가능하다”며 “앞으로 적응형 로봇 개발 등 첨단 적응형 소재 구현에 새로운 가능성을 제시할 것”이라고 설명했다.
연구팀은 개발된 메타 물질을 활용하는 예시로 ‘적응형 충격 에너지 흡수 물질’을 시연했다. 이 메타 물질은 예측하지 못한 상황에서 발생되는 충격에 따라 알맞게 성질을 변형했다. 보호하는 대상에 전달되는 힘을 최소화해 손상이나 부상의 가능성을 줄였다.
그림3. 메타 물질을 활용한 예시
또한, 연구팀은 메타 물질을 원하는 장소와 시간에 힘을 전달 할 수 있는 ‘힘 전달 재료’로 활용했다. 메타 물질에 입력된 명령어에 따라 한쪽 면에 힘을 줬다. 주어진 힘이 전달되는 길을 디지털 명령어로 입력하면, 반대편 인접한 LED 스위치를 선택적으로 작동시킬 수 있음을 확인했다.
김지윤 신소재공학과 교수는 “디지털 정보를 물리적 정보로 실시간 변환할 수 있는 이 메타 물질은 기존의 다양한 디지털 기술과 기기뿐만 아니라 딥러닝과 같은 인공지능 기술과도 원활한 호환이 가능하다”며 “스스로 학습하고 주변 환경에 적응할 수 있는 혁신적인 신소재의 첫걸음이 될 것”이라고 전했다.
이번 연구는 세계적 권위의 국제학술지인 어드벤스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 에 1월 25일 정식 출판됐으며 표지논문(Back Cover)로 선정됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 한국재료연구원(KIMS)의 지원을 받아서 이뤄졌다.
