한미 공동 연구팀, 쓰면 쓸수록 더 강해지는 신소재 개발

미네랄 합성 골밀도 증가 원리 착안
외력 받을수록 충격 흡수력 더 커져
인공 관절-선박-구조물 등에 활용

한미 공동 연구진이 사용할수록 단단해지는 신소재를 개발했다. 뼈에 힘이 가해지면 내부의 피에서 미네랄이 합성돼 골밀도가 증가하는 원리에 착안한 생체모방 기술이 사용됐다. 앞으로 인공 뼈, 임플란트, 항공기, 선박, 자동차 구조물 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

KAIST는 강성훈 신소재공학과 교수(사진) 연구팀이 미국 존스홉킨스대, 조지아공대 연구팀과 공동 연구를 통해 뼈가 운동을 하면 더 강해지는 것처럼 반복적으로 사용할수록 더욱 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

대부분의 소재는 반복적으로 힘을 가하면 시간이 지나면서 성능이 저하되고 이는 고장과 파괴의 원인이 된다. 각종 인프라와 기기를 검사하고 유지보수하는 데는 막대한 비용이 소모된다. 연구팀은 뼈가 외부 힘에 저항하는 힘을 뜻하는 응력을 받았을 때 세포 작용으로 스스로 미네랄을 합성해 더욱 강해지는 특성에 주목하고 유사한 특성을 구현한 신소재를 개발했다. 뼈를 모방한 소재에서 세포의 작용을 대체하기 위해 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전 바탕재를 만들었다. 압전은 힘을 전기로 변환하는 작용을 뜻한다. 내부에 피와 유사한 미네랄 성분을 지닌 전해질을 넣어 복합재료를 합성했다.

소재에 주기적인 힘을 가하고 물성 변화를 측정한 결과 응력의 빈도와 크기에 비례해서 소재의 강성과 에너지 생산 능력이 향상됐다.

연구팀은 컴퓨터단층촬영(CT)을 통해 이러한 특성이 나타나는 메커니즘도 밝혔다. 소재에 반복적인 응력을 가하자 미네랄이 다공성 소재 내부에 형성됐다. 커다란 힘을 가하자 미네랄이 파괴되면서 에너지가 생산됐다. 다시 반복적인 응력을 가하자 미네랄은 재형성됐다. 기존 소재들이 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 감소되는 것과 달리 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 동시에 향상된 것이다.

연구를 이끈 강 교수는 “개발된 신소재는 반복 사용할수록 강성과 충격 흡수가 잘되는 특성이 있다”며 “인공 관절뿐 아니라 항공기, 선박, 자동차, 구조물 등 다양한 분야에 이 원리가 응용될 것으로 기대한다”고 말했다.