약 150㎏의 하중을 지지하는 300g 복합재 빔 위에 서 있는 모습과 복합재 구조체 시제품 / 사진. 서울대학교
서울대학교 공과대학이 드론·로봇팔 등 복잡한 3차원 구조물을 하나의 탄소섬유로 구현하는 초경량 복합재 기술을 개발했다. 기존 복합재의 조립 중심 구조를 근본적으로 바꾸는 방식으로, 경량화와 강도를 동시에 확보한 것이 특징이다.
서울대학교 공과대학은 기계공학부 안성훈 교수 연구팀이 ‘메조스케일 탄소섬유 격자구조(Mesoscale Carbon Fiber Lattices)’를 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 구조물 전체를 하나의 연속된 탄소섬유로 제작해 접합부를 제거한 것이 핵심이다.
연구팀에 따르면 해당 복합재는 건축용 콘크리트 수준인 10~30MPa의 강도를 유지하면서도 동일 강도의 순수 알루미늄 대비 무게를 1/40~1/100 수준으로 낮췄다. 같은 무게 기준으로는 기존 격자 구조 대비 최대 약 10배 높은 강도를 구현할 수 있는 설계 원리를 제시한 셈이다.
기존 탄소섬유/에폭시 복합재는 판재나 파이프 형태로 적층하는 방식이 일반적이어서 복잡한 3차원 구조 구현이 어려웠다. 이에 따라 개별 부품을 제작한 뒤 접착·조립하는 공정이 필수였고, 이는 구조적 취약성과 생산 비효율로 이어졌다.
또한 3차원 프린팅 기반 격자 구조 방식도 제안돼 왔지만, 층간 접합부의 약점으로 인해 충분한 강도를 확보하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 3차원 공간에서 섬유를 지지하는 구조를 먼저 형성한 뒤, 하나의 긴 탄소섬유를 끊김 없이 감아 격자를 만들고, 이후 에폭시 수지를 침투시키는 함침 공정을 적용했다. 이를 통해 접합부 없이 연속된 구조를 완성했다.
실제 성능 검증도 진행됐다. 연구팀은 해당 구조를 드론 프레임에 적용한 결과, 기존 대비 무게를 약 79% 줄였으며, 비행시간은 약 33% 증가하는 효과를 확인했다.
안성훈 교수는 “이번 연구는 여러 부재를 연결·접착해 구조물을 만들던 기존 방식에서 벗어나 한계를 극복한 성과”라며 “처음부터 끝까지 하나의 연속 구조로 제조와 재료를 통합하는 새로운 연구 분야를 개척하겠다”라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 4월 21일(화) 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 연구는 한국연구재단 중견 연구과제 지원을 받아 수행됐다.
