현대인들은 다양한 이동 수단을 통해 편리한 삶을 살아가고 있으나, 대량의 화석 연료 사용은 자원의 고갈뿐만 아니라 오염 물질이 포함된 배기가스를 배출하고 지구온난화를 가속하고 있다.
이를 해결하기 위해 각국은 연비 규제를 강화하고 있지만, 자동차 충돌 안전에 대한 법규 강화, 편의·안전 장치의 장착이 늘어남에 따라 자동차 연비에 가장 핵심적 요소인 자동차 중량도 증가함으로써 에너지 소모가 증가하고 있다.
특히 친환경 에너지를 사용하는 전기차·수소차에는 배터리와 전기모터도 가세하며 무게는 더욱 늘 수밖에 없는 상황이다.
따라서 미래 모빌리티 산업의 핵심은 '재료의 경량화'라고 할 수 있으며, 내구성을 전제로 경량화를 통해 가볍고 연비 좋은 모빌리티를 생산하는 것에 주목하고 있다.
재료의 경량화를 하는 방법으로는 기존 재료를 가벼운 소재로 대체하는 방법과 기존의 재료를 사용하면서 내부 구조의 최적화된 설계를 통해 경량화를 구현하는 방법이 있다.
자연계에서 잎사귀 줄기, 나뭇가지, 산호, 벌집의 내부 구조는 3차원의 독특한 모양과 구조에 따라 외부에서 주어지는 힘과 중력의 무게를 잘 견딜 수 있도록 최적의 설계가 되어 있다는 사실이다.
그리고 영롱한 빛을 내는 다이아몬드, 주위에서 흔히 보는 연필심(흑연), 꿈의 신소재로 주목받는 그래핀, 이 세 가지 물질은 모두 카본이라는 같은 원자로 구성돼 있지만, 아주 작은 원자 수준에서 3차원의 특정한 배열을 달리함으로써 재료의 특성은 극명한 차이를 보인다.
우리가 일상생활에서 볼 수 있는 고분자 기반의 폼(foam), 꽉 찬 사각 막대보다 가벼우면서 강도를 높일 수 있는 H자형 철강 구조물, 사각형 뼈대보다 쉽게 변형이 일어나지 않고 안정성을 확보한 삼각형 그물 모양의 트러스 구조 등은 최적의 설계를 통해 뛰어난 강성을 가지며 동시에 매우 가벼운 구조체로 제작해 활용하고 있는 사례이다.
최근 3D프린팅 제조기술의 발달과 더불어 기존 소재가 가지고 있는 자체 물성의 한계를 극복하기 위해 3차원 격자구조를 통해 특이한 물성을 띠는 메타 물질에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
메타(meta)라는 말은 그리스어로 뒤에(after), 넘어서(beyond)라는 접두사로 메타 물질은 기존 물질을 뛰어넘는 물질이라는 뜻이다.
대표적인 3차원 격자구조를 가진 메타 물질은 오그제틱(auxetic) 구조체로 일반적인 재료의 경우 수직 방향으로 인장될 경우, 체적이 일정하므로 수평 방향으로 수축된다.
그러나 내부 구조를 적절히 설계한 3D 격자구조의 경우 인장 시 팽창하고, 압축 때 수축하는 음의 프와송비를 갖는데 이러한 특성을 갖는 구조를 오그제틱 구조체라고 한다.
이러한 구조체의 특성은 압축 부위의 밀도증가로 인해 국부적인 강화 효과를 나타낼 수 있어, 가벼우면서 강성을 가진 경량화 소재로의 활용성이 기대되고 있다.
3차원 도면에 따라 한층 한층 재료를 쌓아 올리는 방식을 사용하는 3D프린팅 기술은 이전의 공법으로는 완성할 수 없었던 3차원의 복잡한 격자구조를 완성할 수 있는 새로운 제조 방법이다.
기존의 공법으로는 만들 수 없었던 다양한 형태의 3차원 격자구조는 주재료 및 내부 형상의 설계에 따라 사용 목적에 최적화된 구조 및 기능 소재로 활용 가능한 이점이 있으며, 미래 모빌리티 산업(전기자동차, 개인용 비행체, 로봇 등)에서 요구하는 에너지를 가장 효율적으로 활용할 수 있는 경량화·고기능성 소재를 제조하는 핵심 기술로의 활용성이 기대된다.