쓸수록 단단해지는 '뼈 모방' 신소재 개발

KAIST 연구진은 생체모방기술을 이용해 사용할수록 단단해지는 신소재를 개발했다.

KAIST는 신소재공학과 강성훈 교수 연구팀이 존스홉킨스, 조지아 공과대학과 공동연구를 통해 반복적으로 사용할수록 더욱 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

아파트 건물이나 차량 등은 반복 하중을 받으면 시간이 지나 성능이 저하돼 고장·파괴가 발생한다. 연구팀은 뼈에 하중이 가해지면 내부의 피로부터 미네랄이 합성돼 골밀도를 증가시키는 원리를 이용했다.

연구팀은 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전 바탕재를 만든 후 그 안에 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣은 복합재료를 합성했다.

재료에 주기적인 힘을 가한 후 재료의 물성 변화를 측정한 결과, 응력의 빈도와 크기에 비례해서 재료의 강성이 향상되고 에너지 소산 능력도 향상되는 결과를 보였다.

이러한 특성은 미네랄이 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 내부에 형성되기 때문이다.

큰 힘이 가해지면 미네랄이 파괴되면서 에너지를 소산시키고, 다시 반복적인 응력을 받으면 미네랄이 재형성된다. 연구팀은 마이크로 CT를 이용한 내부 구조 촬영을 통해 이 과정을 밝혀냈다.

재료들이 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 감소하는 것과 달리 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 동시에 향상되는 특성이 보였다.

강성훈 교수는 "신소재는 기존 재료에 비해 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수가 잘되는 특성을 가져 인공관절뿐만 아니라 항공기·선박·자동차·구조물 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.