재료 과학
레이저 프린트 메타물질이 이제 더 강하고 더 유연해졌다
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
MIT 혁신, 경질 재료를 메타물질로 유연하게 만들다
재료과학은 재료를 개선하기 위해 미시적, 흔히는 원자 수준에서 더 깊이 이해하는 분야입니다. 가장 일반적인 목표는 강철, 유리, 세라믹 같은 재료를 기존 형태보다 더 강하게 만드는 것입니다.
메타물질은 재료의 구조를 바꿔 구성 재료 자체와 다른 특성을 부여함으로써 한 단계 더 나아갑니다. 보통 정밀한 형태, 기하 구조, 크기, 방향 등을 반복되는 패턴으로 만들어 구현합니다.
출처: MIT
이 분야의 연구 역시 대부분 최종 제품을 기본 구성 재료보다 더 강하게 만드는 데 집중해 왔습니다. 초고강도 강철, 탄소섬유, 실크 등의 재료는 방탄복, 건설, 우주 엘리베이터 같은 미래 사업에 활용될 수 있습니다.
이제 본래 단단하고 경직된 요소를 유연하게 만드는 새로운 메타물질이 개발되고 있습니다. MIT 연구진의 이 발견은 Nature Materials1에 “이중 네트워크에서 영감을 받은 기계적 메타물질”이라는 제목으로 발표됐습니다.
Metamaterials가 전통 재료보다 뛰어난 이유
규칙적인 미세구조를 정밀하게 만들면 기본 구성 재료보다 성능을 높일 수 있습니다. 전자기적·음향적 특성, 구조 강도, 열적 특성 등 여러 요소가 영향을 받을 수 있습니다.
일반적으로 이런 개선에는 상충 관계가 따릅니다. 예를 들어 재료가 강해질수록 보통 더 뻣뻣해져 실용성이 떨어질 수 있습니다.
따라서 여러 방식을 결합해 재료를 더 단단하고 강하게 만들면서 동시에 더 유연하게 만든 MIT 연구진의 성과는 일종의 혁신입니다.
“메타물질 분야가 연성 물질 영역에서는 실제로 변화를 만들려 하지 않았다는 점을 깨달았습니다.
지금까지 우리는 모두 가능한 한 가장 단단하고 강한 재료만 찾아왔습니다.”
더 강하고 더 유연함: 메타물질 트레이드오프 해결
지금까지 대부분의 메타물질은 3D 프린팅과 비슷한 방식으로 미세한 버팀대와 트러스를 만들어 제작했습니다.
출처: ETH Zurich
MIT 연구진은 그 대신 본질적으로 더 유연한, 서로 얽힌 스프링 또는 코일 구조를 개발했습니다.
첫 실험에서는 매우 단단해야 하는 플렉시글라스 계열 재료를 일반적인 방식으로 조립했습니다. 이를 메타물질 구조로 엮자 고무처럼 부드럽고 탄력적으로 변했습니다.
“우리는 메타물질의 새로운 영역을 열고 있습니다.
이중 네트워크 금속이나 세라믹을 출력하면 파괴하는 데 더 많은 에너지가 필요하고 훨씬 더 잘 늘어나는 등 많은 이점을 얻을 수 있습니다.”
강한 재료를 부드럽고 유연하게 만들 수 있다는 점에서 좋은 출발이었습니다. 하지만 재료가 잘 늘어나는 대신 “조금 지나치게 부드럽고 순응적”일 정도로 효과가 컸습니다.
Hydrogel 영감을 받은 설계가 유연성과 내구성을 높이다
또 다른 특별한 재료인 하이드로젤은 대부분 물과 소량의 고분자 구조로 이루어진 부드럽고 잘 늘어나는 젤 형태의 화합물입니다. 젤라틴처럼 자연적으로 존재하는 하이드로젤도 있습니다.
MIT 연구진은 하이드로젤의 부드럽고 잘 늘어나는 성질을 유지하면서 더 질기게 만드는 방법을 이미 찾았습니다. 본래 단단한 분자 네트워크와 본래 부드러운 네트워크처럼 특성이 크게 다른 여러 고분자 망을 결합하는 방식입니다.
연구진은 이 개념을 플렉시글라스 메타물질에 적용했습니다. 버팀대와 트러스로 된 격자형 골격의 단단하고 강한 기존 메타물질에, 각 버팀대와 트러스 주위를 감싸는 코일 패턴을 결합했습니다.
두 재료 네트워크는 이광자 리소그래피라는 레이저 기반 고정밀 인쇄 기술로 동시에 제작됐습니다.
출처: LiqCreate
이중 네트워크 메타물질이 모든 규모에서 어떻게 작동하는가
새로 개발된 이중 네트워크 메타물질은 다양한 크기로 시험됐습니다. 일부 시료의 구성 요소는 수 제곱마이크로미터였고, 일부는 수 제곱밀리미터에 이르렀습니다.
연구진은 재료를 한계까지 변형하면서 고속 카메라를 이용해 강도와 유연성을 측정했습니다.
출처: MIT
이중 네트워크는 자체 길이의 3배까지 늘어났으며, 이는 기존 격자형 메타물질보다 10배 큰 변형률입니다.
“이 직조 네트워크를 격자 주위에 얽힌 스파게티 더미라고 생각해 보세요. 일체형 격자망을 부수면 깨진 조각들도 함께 움직이고, 스파게티 같은 섬유가 격자 조각에 더 얽힙니다.
직조 섬유 사이의 얽힘이 늘어나면 마찰과 에너지 소산도 커집니다.”
이처럼 에너지가 분산되는 현상이 메타물질 유연성의 핵심입니다. 처음 생긴 균열이 곧바로 관통해 재료를 빠르게 찢을 가능성이 작아지기 때문입니다.
전략적 결함이 메타물질을 더욱 강하게 만든다
연구진은 직관과 달리 격자에 구멍을 내면 재료를 더욱 강하게 만들 수 있다는 사실도 발견했습니다.
이 결함은 에너지를 더 많이 분산시켜 최종 제품의 전반적인 회복력을 높입니다.
“결함이 재료를 더 나쁘게 만든다고 생각할 수 있습니다. 하지만 결함을 넣기 시작하자 늘어날 수 있는 정도가 두 배, 소산하는 에너지가 세 배로 증가했습니다.
보통 서로 양립하기 어려운 단단함과 질김을 동시에 갖춘 재료를 얻은 것입니다.”
이를 바탕으로 연구팀은 이런 메타물질의 거동을 더 정확히 예측하는 이론적 틀을 개발했습니다.
MIT의 유연한 메타물질 실제 적용 사례
이 설계 원리는 잘 찢어지지 않는 직물과 섬유 제품을 만드는 데 유용할 것입니다.
유연한 반도체, 전자 칩 패키징, 조직 복구용 세포를 배양할 수 있는 내구성과 유연성을 겸비한 지지체도 이 기술의 혜택을 받을 수 있습니다.
또 다른 방법은 서로 다른 메타물질, 즉 버팀대·트러스와 코일을 결합하는 개념을 현재 취성 재료에 적용하는 것입니다. 이를 통해 유연성과 회복력을 동시에 높일 수 있습니다.
같은 발상으로 기존 재료에 새로운 특성을 더해 환경에 자연스럽게 반응하도록 만들 수도 있습니다.
“지금까지 기계적 특성을 이야기했지만, 전도성을 갖거나 온도에 반응하도록 만들 수도 있지 않을까요?
두 네트워크를 온도에 서로 다르게 반응하는 고분자로 만들면, 직물이 따뜻할 때 기공을 열거나 더 유연해지고 추울 때는 더 단단해질 수 있습니다.”
상업용 메타물질 미래에 대한 투자
DuPont
DD 가격 차트
DuPont은 Kevlar, Styrofoam, 방화 소재 Nomex, 건축용 접착제 Great Stuff 등 여러 주요 화학 브랜드를 보유한 거대 화학 기업입니다. 첨단 고분자 연구와 보호 소재 브랜드를 바탕으로 이중 네트워크 메타물질 기술의 혜택을 받을 수 있습니다.
DuPont은 오랜 역사를 지닌 기업으로 복잡한 인수 과정을 거쳤으며, 최근에는 여러 차례 사업 분할을 진행했습니다.
출처: DuPont
이 분할을 통해 영양·생명과학 부문은 DuPont에서 분리돼 일부가 Corteva Biosciences (CTVA )로 넘어갔고, 티타늄 제품 부문은 Chemours Company (CC )가 됐으며, 모빌리티 사업도 분리됐습니다.
DuPont은 2025년 11월 전자화학 사업도 분리할 예정이지만, 기존 계획과 달리 정수·담수화용 멤브레인과 필터를 포함한 수처리 부문은 유지합니다.
출처: DuPont
그 결과 DuPont은 수처리와 보호 장비용 첨단 고분자, 항공우주·의료·전기차용 첨단 소재를 핵심으로 하는 훨씬 더 집중된 기업이 됩니다.
출처: DuPont
DuPont은 수처리와 산업 제조 분야의 특수화학 제품 수요가 높은 진정한 글로벌 기업입니다.
DuPont 화학제품이 공급되는 분야도 건설, 수처리, 전자, 자동차, 항공우주, 의료, 친환경 에너지, 산업 생산 등으로 매우 다양합니다.
출처: DuPont
보호 장비 시장에서의 강한 입지와 고성능 고분자 브랜드 Kevlar의 확고한 위치는 DuPont이 새로운 메타물질을 상용 제품에 적용하는 데 도움이 될 것입니다.
새로운 기술과 물 사용량이 늘어날수록 DuPont이 생산하는 첨단 화학제품의 수요도 증가할 것입니다.
Dupont 최신 소식
Studies Referenced:
1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) Double-network-inspired mechanical metamaterials. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5
