이론적 한계에 도달, 3배 이상 뛰어난 강성의 미래 소재 구조

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3D 프린팅, 적층 가공 기술 덕분에 이전의 공법으로는 완성할 수 없는 복잡도의 디자인들을 완성할 수 있게 되었으며 이는 곧, 다양한 형태의 새로운 내부 구조를 완성할 수 있게 되었음을 말합니다: ‘뼈, 실크, 나무에서 영감을 얻은 신소재‘, ‘초강력 산업 소재의 비밀은 새우?‘. 많은 연구진들이 새로운 내부 구조를 가진 소재를 만듦으로써 달성하고자 하는 목표는 크게 두 가지입니다; 뛰어난 강성을 갖고 있음과 동시에 매우 가벼울 것. 그 두 가지 목표를 달성하기 위해서는 내부 구조가 최고로 효율적이어야만 합니다.

쓰리디톡에서 가장 많이 언급되는 대학인 취리히 연방 공대(ETH Zurich)와 매사추세츠 공대(Massachusetts Institute of Technology / MIT)의 연구진이 공동 연구하여 새로운 내부 구조를 완성해냈습니다. 이 연구는 재료 연산 모델링 교수, 더크 무어(Dirk Mohr) 박사에 의해 진행되었습니다. 이 소재는 3면 모두에 뛰어난 강성을 갖고 있습니다.

 

 

이처럼 내부에 빈틈이 존재하는 소재들의 최대 강도는 이론, 수학적으로 계산이 가능한데요. 이번에 무어 박사가 개발한 내부 구조는 수학적 계산의 최대치에 가까운 강도를 갖고 있습니다. 좀 더 정확히 말씀드리자면, 소재 구조 중 동일한 중량에 한해서 위 구조보다 더 강한 강도의 소재 형태는 더 이상 만들 수 없다고 말씀드릴 수 있습니다.

또 다른 구조적 특징은 이 내부 구조를 구성하는 데 트러스 구조(Truss) 대신 판 격자 구조(Plate-lattice)가 사용되었다는 점입니다.

 

판 격자 구조(좌)와 트러스 구조(사진_ Turbosquid / 토목 용어 사전)

 

트러스 구조는 매우 오래되었습니다. 이 구조는 에펠탑과 같은 강철 탑, 강교, 반구형 주택 등에 오래 사용되어 왔죠. 트러스 구조는 한눈에 파악 가능하기 때문에, 때로 이상적인 구조물 형태로 취급되어 왔습니다.

하지만, 우리는 컴퓨터를 통한 계산, 이론, 실험 결과 등을 종합해서 판 격자 형태와 유사한 새로운 구조 형태를 완성해냈습니다.

– 더크 무어(Dirk Mohr) 교수 –

 

무어의 구조라 불리는 이 내부 구조는 동일한 무게와 크기로 측정했을 때, 트러스 구조보다 3배 더 강력합니다. 그리고 이 구조는 구조물의 강성(탄성 내성) 뿐 아니라 강도(변형에 대한 내성)도 이론적 최댓값에 근접했습니다. 연구진은 애초에 이 구조를 데이터 계산을 통해 완성하였으며 그 뒤 플라스틱을 이용해 마이크로미터 크기로 3D 프린팅 했습니다. 무어 교수는 이 구조가 크기와 길이에 상관없이 모든 소재에 적용 가능하다는 점을 강조했습니다.

 

판 격자 구조로 만들어진 큐브(좌)와 트러스 격자 구조로 만들어진 큐브, 판 격자로 만들어진 큐브의 경우 각 판의 두께는 고작 2 마이크로미터(0.0002cm)에 불과하다

 


 

♦ 모든 것이 완벽해 보이는 이 소재 구조의 한계점 및 미래 계획

 

이 강성과 강도 모두 뛰어난 소재의 또 다른 장점은 구조 자체에 빈틈이 존재하기 때문에 소재에 들어가는 비용을 상당 부분 절감시킬 수 있다는 점입니다. 소재비를 줄임과 동시에 강성은 늘릴 수 있으니 말 그대로 완벽에 가까운 이 구조의 단점은 제조하는 데 들어가는 비용이 비싸다는 점입니다. 3D 프린터를 이용해서만 제작할 수 있기 때문에 대량 생산이 어렵고 이는 곧 제조 비용 상승을 의미합니다. 하지만 연구팀은 곧 3D 프린터를 이용해 대량 생산이 가능해지는 시점이 다가올 것으로 예상하고 있습니다.

 

이러한 구조 형태를 현 3D 프린팅 기술과 스테인리스강으로 제작한다면, 아마 그램 당 가격이 은과 맞먹을 겁니다. 하지만 적층 제조 기술이 대량 생산을 할 준비가 되면 새로운 활로가 생길 것입니다. 항공기 제조나 공간 설계, 경량 건설 등 다양한 분야에 적용할 수 있습니다.

– 더크 무어(Dirk Mohr) 교수 –

더크 무어 교수는 또한 의료용 이식물, 노트북 케이스, 초경량 이동 수단 등 거의 모든 분야에 적용할 수 있을 것으로 예상했습니다.

 


 

♦ 무어의 구조에 대한 부가적인 설명

 

 

앞서 소개한 무어의 구조에 대한 이해를 돕기 위해 조금 더 설명드리겠습니다. 여기 세 개의 정육면체가 있습니다. 위와 아래에서 힘이 가해질 때, 정육면체의 형태를 보존하기 위해 두 번째, 세 번째 정육면체에는 각각 트러스(Truss) 구조, 판 격자(Plate-lattice) 구조가 적용되었습니다.

트러스 구조에 아래 위로 압력이 가해질 때, 노란색으로 표기된 중앙의 버팀목이 힘을 받으며 지탱해줍니다. 이 상황에서 트러스 구조에 파란색으로 표기된 두 버팀목은 아무런 역할이나 압력을 받지 않습니다. 다만, 다른 방향에서 압력이 가해질 때를 대비하는 역할을 담당하죠.

반면, 판 격자 구조를 보시면, 아래 위로 압력이 가해지는 상황에서 노란색으로 표기된 두 개의 버팀목이 압력을 견뎌냅니다. 결국 이를 통해, 판 격자 구조가 트러스 구조보다 견고하며 안정적이라는 점을 확인할 수 있습니다.

보다 자세한 내용은 취리히 연방공대의 뉴스를 참고하세요.

 

 

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