보도자료

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기계 부품의 특성, 필요할 때마다 바꿀 수 있다면?!

UNIST 김지윤 교수팀, 기존 재료 한계 뛰어넘는 기계적 메타 물질 개발
모양과 특성 실시간 변경 가능해… Advanced Materials 표지논문 선정

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.

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.

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.

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.

(논문명: Digital Mechanical Metamaterial: Encoding Mechanical Information with Graphical Stiffness Pattern for Adaptive Soft Machines)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

신소재공학과: 김지윤 교수 (052)217-3052

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

기계적 메타 물질은 국부적 구조 특성에서 전역적인 기계적 특성을 얻는 인공적으로 설계된 재료로서 프로그래밍 가능한 모양 변형, 음의 푸아송 비율 (Poisson’s ratio), 조정 가능한 응력-변형 곡선 등 다양한 이색적 물리특성을 가능하게 했다. 그러나 이러한 특성들은 재료 제작 단계에서 특별히 설계되어있는 경우가 많으며, 제작 후에는 다른 특성을 가지기 어려웠다.

이러한 한계를 극복하기 위하여 기존에는 형상 기억 고분자(SMP), 액정 엘라스토머(LCE), 와 같은 외부 자극에 따라 설계된 반응을 할 수 있는 스마트 재료 (Smart materials)를 활용해왔다. 이러한 스마트 재료는 외부 자극에 따라 모양 및 강성과 같은 물리적 특성을 변경할 수 있다. 하지만 스마트 소재가 구현할 수 있는 물리적 상태는 본질적으로 제한되어 있기 때문에 전략적이고 시의적절한 특성 조정이 필요한 상황에서 여전히 적용하기 어려웠다. 따라서 실시간으로 다양한 정성적, 정량적 기계적 특성을 달성하는 재료의 구현은 적응형 기계를 구현하는 데 필수적임에도 불구하고 여전히 어려운 과제였다.

2. 연구내용

본 연구팀은 다양한 정성적, 정량적 기계적 특성을 실시간으로 구현할 수 있는 기계적 메타 물질을 개발하였다. 이 메타 물질은 모양 변형, 형상 기억, 강도, 푸아송 비율(Poisson’s ratio) 등의 여러 정성적 특성을 실시간, 그리고 정량적으로 조절이 가능하다. 연구진은 메타 물질의 기본 구조가 되는 메타 픽셀 (Meta pixel) 각각에 저융점 합금(Low-melting-point alloy)과 소프트 히터를 융합하여 강성을 픽셀 단위로 제어할 수 있는 신소재를 구현하였다. 0과 1로 표현되는 디지털 숫자의 나열이 다양한 정보를 효과적으로 반영할 수 있는 점에 영감을 받아 저융점 합금 (Low-melting-point alloy)의 상변화가 제공하는 두 가지 대조적인 강성 상태를 디지털 정보로 치환하고 (0 = 액체, 1 = 고체), 소프트 히터를 통하여 각 픽셀의 디지털 상태를 조절하였다. 이러한 0과 1의 순서 또는 패턴을 메타 물질에 코딩하고 덮어쓰는 방식으로 다양한 기계적 특성을 메타 물질이 구현할 수 있게 했다.

연구진은 개발된 메타 물질을 실제 상황에서 활용하는 예시로서 적응형 충격 에너지 흡수 물질로 활용 및 시연하였다. 쇠공을 위에서 떨어뜨리는 실험을 통하여, 이 메타 물질이 쇠공의 초기 속도에 따라 물성을 적절하게 변형하여 보호 물질에 전달되는 힘을 최소화하여 손상이나 부상을 일으킬 가능성을 줄였다. 충격 이후에 이 메타 물질은 원래 초기 상태로 복원하여 새로운 충격 흡수에 재사용이 가능하였다.

또한, 메타 물질을 원하는 장소와 시간에 힘을 전달 할 수 있는 힘 전달 재료로서 시연하였다. 메타 물질에 코딩되어있는 디지털 패턴에 따라 한쪽 면에 힘을 주었을 때 반대편 인접한 LED 스위치들을 선택적으로 켤 수 있음을 보여주었다. 그뿐만 아니라, 이 메타 물질은 가로 및 세로 방향으로 힘이 전달되는 방향을 독립적으로 설정하고, 또한 특정 방향의 힘 전달을 선택적으로 지연시키는 것도 가능하였다.

3. 기대효과

본 연구에서 개발한 메타 물질은 기존의 재료가 가지고 있던 고유의 물성의 한계를 뛰어넘어 실시간으로 다양한 특성을 가질 수 있게 하는 획기적인 기술이다. 이 기술은 자율적으로 인지하고, 학습하는 로봇 시스템의 큰 기반이 될 뿐만 아니라 기계와 사람의 협동적인 상호 작용을 더욱 효과적으로 하는 데 크게 이바지할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명