[연구실모니터] 기계공학부 장승환 교수 신소재응용시스템설계연구실

미래의 복합재료를 설계하다

■ 연구실 소개

  섬유강화복합재료와 전기활성고분자재료 등의 복합재료와 신소재를 활용해, 구조물 및 센서 등을 설계하는 연구를 수행한다.

  복합재료(Composites)란 쉽게 말해 다양한 단일 소재들을 결합한 재료를 의미한다. 이를테면 탄소섬유를 생각해보면 된다. 탄소섬유는 일반적인 금속보다 가볍고 강도는 평균 세 배 이상 단단한 물성을 가진다. 그동안 복합재료는 가격이 비싸 부분적으로만 사용됐다. 최근에는 생산비용도 점차 낮아지고, 단일 재료들이 제공하지 못하는 한계를 극복할 수 있다는 점에서 복합재료의 수요가 점차 늘고 있다.

  예를 들어, 자동차 성능을 개선하는 과정에서 엔진 효율을 더 이상 높이는 것은 거의 불가능한 단계까지 왔다. 이제는 복합재료를 이용해 차체를 가볍고 튼튼하게 해서 연비 개선, 공해물질배출 감소 등을 시도하는 것이다.

■ 매우 다양한 연구들을 진행하는데, 몇 가지만 소개를 부탁한다

  처음에는 탄소섬유 복합재료 설계에서 시작해, 이제는 메디컬 디바이스 설계, 나아가 기능성 재료에까지도 연구를 확장했다. 대표적으로 전기활성고분자(Electroactive poly-mer, EAP) 소재가 있다. 쉽게 말해 일종의 플라스틱인데, 하중이 가해지면 전기가 발생하는 소재다. 보통 필름 형태로 제작해서 센서나 구동기로 사용하지만, 우리는 필름형태가 가지는 한계들을 극복하기 위해 패브릭형태로 설계했다.

  자가발전형 EAP 패브릭센서를 다른 연구 분야들과 함께 웨어러블 디바이스, 즉 자체발전기능을 가진 패브릭으로 개발하는 연구를 진행 중이다. 여기에 기능성 입자 등을 결합하고 기계적 물성 등을 조절하면, 유연한 재질로 만든 ‘소프트 로봇’처럼 다양한 분야에 적용할 수도 있다.

■ 방금 말한 ‘메디컬 디바이스 설계’는 무엇인가

  본교 병원 정형외과에서 10여 년 전 문의가 왔다. 골절 시, 본 플레이트(Bone Plates)를 이용해서 뼈를 접합하기도 하는데, 이 경우 뼈보다 플레이트의 강성이 훨씬 높아서 회복과정에서 플레이트에 하중이 치우치는 현상이 나타난다. 이렇게 되면 뼈가 회복과정에서 자극 부족으로 강성이 낮아지고, 심지어 골다공증까지 생기는 문제가 발생한다는 것이다.

  그런데 복합재료를 이용하면 뼈의 회복과정에 적합한 강성을 플레이트에 부여할 수 있다. 나아가 신체 내부에서 생분해되는 재료를 이용해, 제거수술을 하지 않아도 되는 바이오 생체흡수형 복합재료 보철구의 최적설계를 연구한다.

■ 덧붙이고 싶은 말이 있다면

  현재 우리 연구실의 골절 본 플레이트 보철구는 전 세계적으로도 선두 그룹에 속한다. 수소연료용 압력용기 설계의 경우도 우리 연구실이 국내 최고 수준이라고 자부한다. 복합재료를 활용한 세포배양용기 설계처럼, 의학이나 생명공학 등 다른 학제와의 협동 연구도 활발하게 펼칠 것이다.

  지금 이 분야는 무주공산 격이다. 따라서 앞으로는 얼마나 좋은 아이디어를 많이 만들고 실현하는가가 매우 중요하다. 연구에서 가장 중요한 것은 사람이라고 생각한다. 무엇보다도 좋은 학생들과 연구자들이 더 많아졌으면 좋겠다.

정리 조현준 편집위원 | dision999@gmail.com