숭실대, CNT 복합소재 비선형 기계적 이중성 세계 최초 규명

숭실대학교(총장 이윤재)는 기계공학부 박성훈 교수 연구팀이 탄소나노튜브(CNT) 복합소재의 비선형 기계적 이중성 현상을 세계 최초로 규명했다고 밝혔다. 연구팀은 종횡비(aspect ratio)가 큰 탄소나노튜브(CNT) 복합소재가 반복적인 인장(잡아당기는 힘) 변형 후, 기존의 예측과는 달리 ‘초기 연화 이후 점진적 강화’ 반응을 보인다는 사실을 입증했으며, 실험과 시뮬레이션을 통해 그 정도를 예측할 수 있는 모델까지 함께 제시했다.

해당 연구 결과는 복합재료 분야의 세계적 저널인 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials(Impact Factor: 23.2, JCR 상위 1.8%)’에 게재됐으며, 향후 탄소소재 기반 소프트 일렉트로닉스의 내구성 및 신뢰성 확보와 바이오 인공조직 설계에 크게 기여할 것으로 기대된다.

기존 고분자 복합소재는 반복적으로 외부 하중을 받으면 점차 물성이 약화되는 ‘소프트닝(Mullins effect)’ 현상을 보이는 것이 일반적이다. 그러나 박성훈 교수 연구팀은 가늘고 긴 형태의 CNT를 점탄성 고분자에 조합한 복합소재가 반복 인장 초기에는 연화되지만, 일정 수준 이상부터는 오히려 인장 강도가 증가하는 ‘기계적 강화(stiffening)’ 현상을 보인다는 점을 실험을 통해 입증했다. 연구팀은 이 과정에서 CNT가 인장 방향으로 점차 정렬되며 복합소재 내부 구조가 변화한다는 점에 주목했다. 이 현상은 0차원 필러나 짧은 CNT를 사용한 경우에는 나타나지 않았으며, 길이가 긴 CNT일수록 강화 효과가 뚜렷하게 나타났다.

━

분자 동역학 시뮬레이션과 머신러닝 예측모델로 기계적 비선형 강화 원인 규명

연구팀은 분자 동역학(Molecular Dynamics, MD) 시뮬레이션을 활용해 CNT의 재배열과 정렬 현상을 시각화하고, 주사전자현미경(SEM)과 Polarized Raman 분광 분석을 통해 그 구조적 변화를 정량적으로 확인했다. 또한, 머신러닝 기반의 기계학습(SISSO 기반 symbolic regression) 모델을 개발, CNT의 농도, 초기 변형률, 반복 횟수 등의 조건에 따라 복합소재의 기계적 물성을 정밀하게 예측할 수 있도록 했다.

━

웨어러블·바이오 복합소재 설계에 새로운 패러다임 제시

소프트 일렉트로닉스의 전기적인 성능을 강화하기 위한 연구는 활발히 이루어져 왔으나, 복합소재의 동적인 변형에 대한 기계적 물성 연구는 여전히 초기 단계에 머무르고 있다. 이번 연구는 탄성 고분자 기반 복합소재가 반복적 변형 환경에서도 복합적인 기계적 특성이 나타날 수 있음을 실험과 시뮬레이션으로 입증하고, 이를 예측하는 물성 모델까지 제시한 점에서 학술적·산업적으로 의미가 크다.

박성훈 교수는 “이번 연구 결과는 유연성과 강도를 동시에 갖춘 안전하고 신뢰성 높은 소프트 일렉트로닉스를 설계할 수 있는 가능성을 보여준 것”이라고 밝혔다. 이번 연구의 공동 교신저자인 연세대학교 민경민 교수는 “이번 연구에서 확인된 특성은 작은 변형에서는 유연하게 거동하고, 큰 하중이 가해지면 저항성을 가지는 인공 힘줄이나 로봇용 소프트 작동기의 핵심 특성과 일치한다”고 설명했다.

이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지정책 융합대학원 사업과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀은 연구 결과를 바탕으로 향후 생체모사 메커니컬 시스템(bioinspired mechanical systems)에 적용 가능한 고내구성 복합소재를 개발할 계획이라고 밝혔다.
'