환경에 맞춰 스스로 변신하는 차세대 지능형 소재 개발

작성일 2025-09-24

그림 설명. 지능형 소재를 적용하여 환경에 맞춰 바퀴의 강성이 바뀌는 지능형 바퀴

신소재공학과 박윤석 교수 연구팀, 자기장 반응형 기계적 메타물질 개발
넓은 범위의 강성을 실시간으로 빠르게 제어

소프트 로봇, 바이오 전자소자 등 차세대 산업 분야에서 재료가 상황에 따라 스스로 물리적·화학적 특성을 변화시킬 수 있는 지능형 재료(intelligent materials)의 필요성이 커지고 있다. 기존 고정된 특성을 지닌 소재로는 복잡한 환경에서도 요구되는 유연성과 정밀한 기능의 구현에 한계가 있기 때문이다. 이에 따라 외부 자극에 따라 능동적으로 반응하는 재료에 대한 수요가 증가하고 있다.

신소재공학과 박윤석 교수 연구팀이 한국전기연구원(KERI) 설승권 박사 연구팀과 공동으로 자기장을 이용해 실시간으로 강성을 정밀하게 제어하는 기계적 메타물질을 개발했다. 이번 성과는 재료과학 분야의 세계적 학술지 『Advanced Materials(IF=29.4)』 8월 28일(목)에 게재됐다.

박윤석 교수 연구팀이 개발한 메타물질은 근육 수축의 기본 단위인 ‘근절(筋節, sarcomere)’ 구조와 작동 원리에서 착안했다. 외부 자기장에 따라 부드럽고 유연한 상태에서 단단하고 견고한 상태로 빠르게 전환된다. 특히 소프트―중간―하드의 3단계 강성 조절(ternary programming)이 가능해, 기존의 이진(on/off) 방식보다 정밀성과 응답 속도를 크게 높였다. 이번 연구에서는 네오디뮴 자성입자(NdFeB)와 고탄성 고분자인 SIS(Styrene-Isoprene-Styrene)를 혼합한 잉크를 활용해 4D 프린팅 방식으로 구조체를 제작했다. 제작된 자기 강성 조절 메타물질(MTSM)은 약 0.1초 만에 자기장에 반응하고, 최대 390% 이상의 강성 조절 범위를 구현한다. 더 나아가 이를 3차원 배열로 확장하면 자기장의 방향과 세기에 따라 다층의 강성 모드를 제어할 수 있어, 복잡한 환경에서의 적용 가능성을 입증했다.

연구팀은 기계적 메타물질을 실제 활용 사례로 연결하기 위해 자기장에 따라 강성이 변하는 ‘지능형 바퀴(wheel system)’를 시연했다. 바퀴는 울퉁불퉁한 지형에서는 부드럽게 변형되며 장애물을 넘고, 평지에서는 단단하게 유지돼 안정적인 주행이 가능하다. 이는 소프트 로봇, 자율주행 시스템, 인공근육 등 차세대 스마트 기계 시스템에 직접 활용될 수 있다.

그림 설명. 인가된 자기장의 방향과 세기에 따라 다양한 패턴 조합이 형성되며, 이에 따라 강성이 조절되는 실험 결과 사진.

박윤석 교수는 “이번 연구는 단순한 변형 소재를 넘어, 외부 자극에 따라 스스로 기계적 특성을 프로그래밍하는 진정한 ‘지능형 재료(Intelligent Materials)’로 나아가는 발판”이라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐으며, 한국전기연구원의 협업을 통해 추진됐다.

연구 모식도. 자기장을 활용해 3단계 강성 상태를 3차원적으로 프로그래밍하고, 이를 통해 넓은 범위의 강성을 실시간으로 빠르고 정밀하게 조절할 수 있다.