한미 연구진, 뼈처럼 사용할수록 더 강해지는 신소재 개발

[이데일리 강민구 기자] 한국과 미국 연구진이 생체모방기술을 이용해 사용할수록 단단해지는 신소재를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 강성훈 신소재공학과 교수 연구팀이 존스홉킨스대, 조지아공대와 공동연구를 통해 뼈가 운동을 하면 더 강해지는 것과 같이 반복 사용할수록 더 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

강성훈 KAIST 교수.(사진=KAIST)

연구팀은 기존 재료가 반복 사용할수록 성능이 떨어지는 문제를 해결하고자 뼈가 운동과 같이 응력이 가해졌을 때 세포의 작용에 의해 미네랄을 형성해서 더 강해지는 특성에서 영감을 받았다. 이후 세포의 작용에 의존하지 않고도 응력을 가하면 스스로 미네랄을 합성해 더 강해져 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있을 것으로 기대되는 신소재를 개발했다.

세포 작용을 대체하기 위해서 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전(힘을 전기로 변환하는 작용) 바탕재를 만든 후 그 안에 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣은 복합재료를 합성했다.

또 재료에 주기적인 힘을 가한뒤 재료 물성 변화를 측정한 결과, 응력의 빈도와 크기에 비례해서 재료의 강성이 향상되고 아울러 에너지 소산 능력도 향상되는 결과를 보였다.

마이크로 CT를 이용한 내부 구조 촬영을 통해 이는 미네랄이 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 내부에 형성되고 커다란 힘이 가해졌을 때는 파괴되면서 에너지를 소산시키고 다시 반복적인 응력을 가하면 미네랄이 다시 형성되기 때문임을 확인했다.

이 밖에 특성도 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 동시에 향상되는 것으로 나타났다.

강성훈 교수는 “이번 신소재는 기존 재료 대비 반복 사용할수록 강성과 충격 흡수가 잘되는 특성을 갖는다”며 “인공 관절뿐만 아니라, 항공기, 선박, 자동차, 구조물 등 다양한 분야에 원리가 응용될 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)’ 2월 11권 6호에 출판됐다.

연구 개략도.(자료=KAIST)