유리처럼 쉽게 깨지는 세라믹의 한계를 극복, 스펀지처럼 충격을 흡수하는 초경량 신소재가 개발됐다.

국제학술지 '국제 극한 제조'(International Journal of Extreme Manufacturing)는 15일(현지시간) 갑오징어 뼈의 미세 구조를 모방해 외부 충격을 효과적으로 흡수하는 다공성 세라믹 제조 기술을 발표했다.

기존 세라믹은 가볍고 내열성이 뛰어나지만 강한 충격에 쉽게 깨지는 취약점이 있었다. 반면 금속은 충격에 강하지만 무거운 단점이 있어, 첨단 구조물 설계 시 상충하는 특성 사이에서 절충이 필요했다.

연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 자연계의 갑오징어 뼈 구조에 주목했다. 갑오징어 뼈는 다양한 크기의 기공이 여러 층을 이뤄 가벼우면서도 높은 내구성을 지닌다.

연구팀은 자체 개발한 극저온 3D 프린터를 이용해 세라믹 신소재를 제작했다. 산화알루미늄 미세 입자와 바이오 결합제를 혼합한 잉크를 영하 20도의 냉동판에 분사하는 방식이다.

이 과정에서 3단계의 다층적 기공 구조가 형성된다. 프린터 노즐이 만드는 격자무늬가 큰 구멍을, 급속 냉각 시 생성된 얼음 결정이 증발하며 중간 크기 채널을, 고온 소결 과정에서 바이오 결합제가 타 없어지며 나노미터 크기의 미세 기공을 만든다.

이렇게 완성된 세라믹은 내부의 90%가 빈 공간으로, 밀도가 0.43g/㎤에 불과해 꽃잎 위에 올려놓을 수 있을 정도로 가볍다. 하지만 압축 시 파손 없이 원래 높이의 60%까지 줄어들며, 1kg당 최대 10킬로줄(kJ)의 운동 에너지를 흡수할 수 있다.

이는 기존에 금속 합금이나 고밀도 플라스틱에서나 볼 수 있었던 충격 흡수 성능이다. 연구팀은 이 기술이 특정 화학 성분이 아닌 구조적 해법이기에 탄화규소, 티타늄 합금 등 다른 소재에도 적용할 수 있다고 설명했다.

이번 연구 성과로 향후 초경량 항공우주 부품이나 고기동성 방탄복 등 다양한 분야에 신소재가 활용될 전망이다. 연구팀은 향후 대량 생산을 위해 저온 프린팅 시스템의 규모를 키우는 연구에 집중할 계획이다.