2025-03-13 이담인 기자
카이스트 강성훈 교수 연구팀이 자연에서 영감을 얻은 혁신적 친환경 소재 LIPPS를 개발했다. 이 소재는 반복적 하중을 받을수록 강성이 증가하는 특성을 지니며, 인간의 뼈와 유사한 원리로 스스로를 강화한다. 건축, 항공, 로봇 등 다양한 산업에 적용되어 유지보수 비용과 폐기물을 줄이고, 기후위기 대응과 순환경제 실현에 기여할 것으로 기대된다.
카이스트 강성훈 교수 연구진, 혁신적 친환경 소재 개발
소재 과학 분야에서 환경 영향을 최소화하면서 성능을 극대화하는 기술이 개발되어 주목을 받고 있다. 2025년 2월, 카이스트(KAIST) 신소재공학과 강성훈 교수 연구팀은 존스홉킨스 대학교·조지아 공과대학교와 공동연구를 통해 반복적 하중을 받을수록 강해지는 신소재 개발에 성공했다고 발표했다. 반복적 충격에도 성능이 저하되지 않고 오히려 향상되는 특성을 갖춰, 기후위기 대응에 크게 기여할 것으로 기대된다.
반복적 하중이 오히려 강성을 높인다
일반적으로 금속이나 플라스틱 같은 기존 소재들은 반복적 충격과 하중을 받을수록 점진적으로 성능이 저하된다. 재료 내부에서 미세 균열이 발생하고 점차 확대되면서 결국 파손으로 이어지기 때문이다. 이러한 특성은 자동차, 항공기, 건축물 등 다양한 산업에서 유지보수 비용 증가와 자원 낭비를 유도해 결국 탄소 배출 증가로 이어진다. 이번에 개발된 LIPPS(Liquid-Infused Porous Piezoelectric Scaffold) 소재는 기존과 정반대 특성을 보인다. 연구팀의 연구 결과, 1200만번의 반복적 하중 후에도 소재의 강성이 3600% 증가하고, 에너지 소산 능력이 3000% 증가하는 것으로 확인됐다. 사용할수록 더 강해지고 충격 흡수 능력이 향상된다는 것이다.
인간의 뼈에서 영감을 얻은 혁신적 소재
LIPPS의 핵심 원리는 인간의 뼈를 모방했다. 인간의 뼈는 운동과 같은 외부 응력을 받을 때 주변 체액에서 칼슘 등 미네랄을 흡수해 스스로를 보강하는 과정을 거친다. 연구팀은 이와 유사한 원리를 인공 소재에 적용하기 위해 '압전(piezoelectric) 효과'를 활용했다. 압전 효과란 기계적 하중이 가해질 때 전하를 발생시키는 현상을 의미한다. 연구진은 이 원리를 이용해 반복적인 하중이 가해질 때마다 소재 내부에서 전하가 발생하고, 이를 통해 액체 내의 미네랄이 스스로 합성되도록 설계했다. 이 과정이 반복될수록 소재는 점점 더 강해지고 충격을 효과적으로 흡수하는 능력을 갖추게 된다.
지속가능한 LIPPS 소재, 기후위기 대응 효과 기대
이 소재가 가진 가장 큰 의미는 바로 지속가능성에 있다. 현재 산업 분야에서 사용되는 대부분의 재료는 시간이 지나며 성능이 저하되어 결국 폐기되며, 환경오염과 탄소 배출 증가로 이어진다. 하지만 LIPPS는 시간이 지날수록 오히려 더 강해지는 특성으로 소재의 수명을 획기적으로 연장하고 폐기물을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.
LIPPS는 다양한 분야에 응용될 수 있다는 면에서 큰 의미가 있다. 먼저 미래산업의 핵심인 로봇 개발 분야의 경우, 유연성과 강도를 동시에 유지할 수 있는 소프트 로봇(Soft Robotics) 기술에 적용할 수 있다. 특히 자동차, 항공기, 건축물 등 각종 인프라에 적용된다면 유지보수 비용을 줄이는 동시에 새로운 소재 생산에 필요한 자원 소비를 감소시킬 수 있어 기후위기 대응 전략과 맞물리는 중요한 기술적 발전이 될 수 있다.
폐기물 없는 순환 경제를 위한 소재 과학
전 세계적으로 탄소중립(Carbon Neutrality) 목표가 강조되는 가운데, 소재 관련 산업에서도 자원 낭비를 줄이고 지속가능한 기술을 도입하는 것이 필수 과제로 떠오르고 있다. 소재 과학은 자원 효율성 향상, 에너지 소비 감소, 폐기물 감소, 친환경 대체제 개발 등 다양한 가능성을 가진, 기후위기 대응에 중요한 분야다. 그간 인류는 단열소재 개발을 통해 에너지 효율을 높였고, 생분해되는 플라스틱이나 재활용이 쉬운 금속 소재 개발을 꾸준히 진행하고 있다. 무엇보다 소재 자체가 재사용(reuse)과 재활용(recycle)에 최적화될 경우 폐기물을 최소화할 수 있다.
LIPPS는 재사용과 재활용에 최적화되어 폐기물 감소 부문에서 향후 순환 경제를 촉진하는 소재가 될 가능성이 높다. 기존 소재들은 일정 사용 후 폐기되는 구조지만, 이 소재가 적용된 제품들은 시간이 지나며 스스로 강화되기 때문에 소재의 교체 주기를 줄이고 폐기물을 최소화하는 효과를 얻을 수 있다. 특히 건설산업에서의 적용이 유망하다. 2022년 기준 인간이 지구에서 얻는 원자재의 양은 1년에 약 1천억톤이다. 이 원자재의 절반 가량이 건설에 사용되는데, 건설산업은 전 세계 쓰레기의 약 3분의 1을, 전 세계 이산화탄소 배출량의 40% 이상을 차지한다. 인간의 삶에 없어선 안 될 건축물들이 압도적 수치로 기후위기를 가속화시키고 있는 것이다. LIPPS를 건설 산업에서 상용화할 수 있다면 전 세계 폐기물 부담을 줄이고 지속가능한 미래를 만들어가는 데 매우 중요한 역할을 할 것이다.
전방위적 노력이 필요한 기후위기 극복
LIPPS는 기존 소재가 가진 근본적 한계를 극복하며 기후위기 대응과 지속가능한 기술 혁신을 동시에 실현할 수 있는 혁신적 솔루션이다. 기후위기 해결을 위해 자원 절약과 탄소 배출 저감이 필수적인 때, 다양한 산업에서의 적용이 절실히 요구된다.
과학자들의 기술 개발은 활발히 진행 중이다. 한국의 자연모방기술은 세계에서도 인정받는 수준이다. 지금 가장 필요한 것은 정부의 흔들림 없는 기술정책 지원과 사회 시스템 변화를 위한 노력이다. 과학 분야의 발전은 정부의 탄탄한 지원 속에서 이뤄지며, 기후위기 극복은 사회 전반의 시스템 변화를 통한 패러다임 전환에서 시작된다. 기후위기 대응을 과학기술 발전에만 의지하는 것은 손대지 않고 코를 풀려는 것과 다르지 않다.
Comments