KAIST, 기존 재료와 달리 쓸수록 강성 향상
다공성 압전에 미네랄 전해질 넣은 복합재료
다공성 압전에 미네랄 전해질 넣은 복합재료
KAIST는 강성훈 신소재공학과 교수 연구팀이 미국 존스홉킨스대학, 조지아 공과대학 연구팀과 공동으로 뼈에 하중이 가해지면 골밀도가 증가하는 원리를 이용해 반복적으로 사용하면 더욱 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.
우리 몸 속 뼈는 하중을 받으면 세포 작용으로 미네랄을 합성해 골밀도를 증가시킨다. 연구팀은 기존 재료가 반복적으로 사용할수록 성능이 저하되는 문제를 뼈에서 영감을 얻어 세포의 작용에 의존하지 않고 응력을 가하면 스스로 미네랄을 합성해 더욱 강해지는 방법에 착안했다.
이를 위해 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전(힘을 전기로 변환하는 소재)로 바탕재를 만든 뒤 그 안에 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣어 복합재료를 합성했다.
이어 재료에 주기적인 힘을 가한 후 물성 변화를 측정한 결과, 응력(외력에 의해 변형된 물체 안에서 발생하는 힘)의 빈도와 크기에 비례해 재료의 강성과 에너지 소산 능력이 향상된 것으로 나타났다.
연구팀은 마이크로 CT 촬영을 통해 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 안에 미네랄이 형성되고, 힘이 가해지면 미네랄이 파괴되면서 에너지를 흩어지게 하는 모습을 확인했다. 다시 응력을 가하면 미네랄이 형성되는 과정이 반복된다.
기존 재료들이 반복적으로 사용할수록 강성과 충격흡수 능력이 감소하는 것과 달리 사용할수록 오히려 강성과 충격 흡수 능력이 향상되고, 가해지는 응력의 크기와 빈도에 비례해 기계적 물성을 갖도록 자가 조정이 가능하고 자가 치유 능력을 갖는다고 연구팀은 설명했다.
강성훈 KAIST 교수는 "기존 재료와 달리 반복 사용할수록 강성과 충격 흡수가 잘 되는 특성을 가져 인공 관절은 물론 항공기, 선박, 자동차 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것"이라고 말했다.
이 연구결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(2월호)'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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