다중 스케일 3D 프린팅 다이아몬드인 기반 경량 메타물질의 기계적 특성

초록

다이아몬드인 구조를 모방한 4가지 3D‑프린트 격자를 FDM으로 제작하고, 정적 압축 실험과 ReaxFF 기반 분자동역학 시뮬레이션을 결합해 기계적 거동을 평가하였다. 대칭 2‑층(2F‑SY) 구조가 5.91 MPa·g⁻¹·cm³의 비강도와 279 J·g⁻¹의 비에너지 흡수량을 기록하며 최고 성능을 보였으며, 비대칭 2‑층(2F‑USY)은 0.77 MPa·g⁻¹·cm³, 16 J·g⁻¹로 최저값을 나타냈다. 시뮬레이션은 실험 결과를 재현하고, 4F 구조가 z축 방향으로 24.1 GPa의 강성을 보이며 강한 방향성 이방성을 확인했다. 결과는 구조 기하가 기계적 특성을 주도한다는 점을 강조한다.

상세 분석

본 연구는 최근 합성된 3차원 탄소 동소체인 다이아몬드인의 고유한 ‘상호 교차·이동 가능한’ 두 격자(sub‑lattice) 구조를 매크로 스케일에서 재현하고, 그 기계적 응답을 다중 스케일(실험‑분자동역학) 접근법으로 정량화하였다. 실험적으로는 PLA 필라멘트를 이용한 FDM(Fused Deposition Modeling) 공정을 통해 3F, 2F‑SY, 4F, 2F‑USY 네 가지 단위셀을 각각 15 mm, 20 mm, 25 mm 크기로 3회 복제하여 총 36개의 시편을 제작하였다. 압축 시험은 0.5 mm·s⁻¹의 일정 속도로 진행했으며, 응력‑변형률 곡선으로부터 비강도, 비탄성계수, 비에너지 흡수량을 밀도 정규화하였다. 결과는 2F‑SY 구조가 가장 높은 비강도(5.91 MPa·g⁻¹·cm³)와 비에너지 흡수량(279 J·g⁻¹)을 보이며, 대칭적인 두 격자 배열이 하중을 균등하게 전달하고 파단 전까지 플라토 영역을 연장함을 시사한다. 반면 2F‑USY는 비대칭 배치로 인해 초기 전단 전단(대각 전단) 변형이 급격히 발생, 조기 밀도화와 낮은 비강도(0.77 MPa·g⁻¹·cm³)·비에너지 흡수량(16 J·g⁻¹)를 초래한다. 3F와 4F는 각각 3·4개의 겹친 격자를 가지고 있어 구조적 중복성이 높아 파단 후에도 일부 스트럿이 하중을 지지, 플라토 구간에서 진동 및 ‘세레이트’ 형태의 응답을 나타낸다.

분자동역학 측면에서는 LAMMPS와 ReaxFF를 이용해 동일한 원자구조를 주기적 경계조건 하에 모델링하였다. 각 구조를 300 K, 1 atm에서 200 ps(NPT) 평형화한 뒤, NVT 조건에서 10⁻⁵ fs⁻¹의 엔지니어링 스트레인 레이트로 압축을 가하였다. x, y, z 3축 전부에 대해 응답을 측정함으로써 구조의 고유 이방성을 정량화하였다. 시뮬레이션 결과는 실험과 일치하게 2F‑SY가 가장 높은 탄성계수와 플라토 지속성을 보였으며, 4F 구조는 z축 방향으로 24.1 GPa의 강성을 나타내어 축방향 하중에 대한 높은 저항성을 확인했다. 또한, 원자 수준에서 관찰된 파손 메커니즘은 ‘대각 전단’(2F‑USY)과 ‘스트럿 버클링·점진적 압축’(2F‑SY, 3F)으로 구분되며, 이는 매크로 스케일에서 관찰된 변형 모드와 직접적인 연관성을 가진다.

이러한 결과는 다이아몬드인 기반 메타물질이 전통적인 셀룰러 구조와 달리, 격자 간 상호 교차와 이동 가능성이라는 새로운 설계 자유도를 제공함을 보여준다. 특히, 대칭성 및 격자 수가 증가할수록 하중 전달 효율이 향상되고, 비밀도 대비 기계적 성능이 크게 개선된다. 따라서 경량화와 고에너지 흡수가 동시에 요구되는 항공·우주·자동차 분야에서 활용 가능성이 높다. 향후 연구에서는 실제 탄소 기반 다이아몬드인 재료(예: CVD 성장)로의 전이, 동적 충격 시험, 그리고 최적화된 토폴로지를 위한 머신러닝 기반 설계가 기대된다.