이상륜 교수 공동연구팀, AI 기반 형상 최적화로 경량 탄성 메타물질 개발
이상륜 교수
휴먼기계바이오공학부
진동 차단하고, 구조는 단단한 탄성 메타물질 개발
기계공학 분야 세계적 학술지 <Thin-Walled Structures> 게재
구조물의 피로 손상과 장비 성능 저하를 줄이기 위한 기존 대안인 탄성 메타물질의 한계였던 구조적 강성 저하를 극복한 경량 탄성 메타물질이 개발됐다.
휴먼기계바이오공학부 이상륜 교수 연구팀은 한국표준과학연구원(KRISS)과의 공동연구를 통해 넓은 주파수 영역에서 진동을 차단하면서도 구조적 강성을 유지할 수 있는 경량 탄성 메타물질을 개발했다. 인공지능(AI) 기반 형상 최적화 기술을 활용해 진동 차단 성능과 구조적 강성 사이의 상충관계를 개선한 이번 연구성과는 기계공학 분야 국제학술지 <Thin-Walled Structures> (JCR 상위 3.5%)에 12월호 게재에 앞서 최근 온라인 공개됐다.
진동은 항공우주‧정밀기계‧자동차 등 다양한 산업 분야에서 구조물의 피로 손상을 일으키고 장비 성능을 떨어뜨리는 주요 원인이다. 이를 줄이기 위한 기술 중 하나인 탄성 메타물질은 작은 구조를 주기적으로 배열해 진동과 탄성파의 전달을 제어하는 인공 구조체다. 특정 주파수 영역에서 탄성파의 전파를 억제하는 ‘밴드갭(bandgap)’을 형성해 진동 전달을 줄일 수 있다.
그러나 기존 공진형 격자 구조는 진동 차단 대역을 넓히기 위해 별도의 질량체를 추가하거나 가느다란 연결부를 설계하는 경우가 많았다. 이 과정에서 구조적 강성이 낮아질 수 있어 진동 차단 성능과 하중을 견디는 능력을 동시에 확보하기 어려웠다.
연구팀은 이러한 한계를 개선하기 위해 격자를 구성하는 부재의 형상 자체를 조절하는 설계 방식을 제안했다. 베지어(Bézier) 곡선을 활용해 부재의 두께가 부드럽게 변화하는 연속적인 형상을 구현하고, 머신러닝 기반 베이지안 최적화 기법을 적용해 진동 차단 대역을 넓히는 최적의 구조를 탐색했다. 별도의 질량체를 추가하는 대신 구조 내부의 질량과 강성 분포를 조절해 진동 차단 성능을 높이고, 형상의 급격한 변화를 줄여 응력 집중을 완화할 수 있도록 했다.
그 결과, 최적화된 격자 구조는 상대 밴드갭 폭 126%를 달성했다. 이는 기존의 균일한 원통형 격자 구조보다 123%포인트 높은 수치다. 또한 3D 프린팅으로 제작한 구조물을 대상으로 진동 전달 실험과 압축 실험을 진행해 설계의 유효성을 검증했다. 실험 결과. 기존 구조보다 더 넓은 주파수 범위에서 진동을 차단하면서도 최대 18.9배 높은 탄성계수를 확보했다.
넓은 주파수 영역에서 진동 차단하며 구조적 강성을 유지할 수 있는 경량 탄성 메타물질 개념도
이상륜 교수는 “부재의 연속적인 형상 설계와 AI 기반 최적화를 결합해 진동 차단 성능과 구조적 강성을 함께 개선할 수 있음을 보여준 연구”라면서 “향후 항공우주와 자동차, 정밀기계 등 경량화와 진동 제어, 구조적 안정성을 동시에 요구하는 다양한 공학 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 △과학기술정보통신부 InnoCORE 사업, △과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구논문은 「경Ultrawide Low-Frequency Vibration Attenuation in Lightweight and Stiff Lattice Metamaterials」이란 제목으로 게재됐으며, 윤효의 박사과정생이 제1저자, 박채원 석사가 제2저자로 참여했다.
왼쪽부터 이상륜 교수, 윤효의 박사과정생, 박채원 석사, KRISS 이태건 석사과정생, KRISS 최원재 박사