미래 모빌리티, 새로운 금속을 입는다

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 미래 모빌리티에 적용할 수 있는 새로운 금속을 개발했다. 강도는 높은데 무게는 기존과 비슷한 알루미늄이다. 인공지능(AI)을 이용해 개인용 비행체(PAV)나 초고속 기차에 쓰이는 합금(여러 금속 원소를 섞은 소재)의 원소 조합과 제작 공정을 설계하는 기술로 만들었다.

AI가 찾아낸 원소 조합과 공정으로 만든 합금 소재는 기존 상용 소재(7068-T6 합금)보다 강도가 20% 이상 세다. 연성(늘어나는 성질)은 2.5배 이상 뛰어났다. 이 기술에는 ‘설명 가능한 인공지능’(XAI) 기술이 적용됐다는 점도 주목된다.

AI가 특정 조합과 공정을 추천한 이유가 무엇인지 알 수 있어 이를 바탕으로 다양한 미래 모빌리티용 합금 소재 개발에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

유니스트(UNIST, 총장 이용훈)는 기계공학과 정임두 교수 연구팀이 AI 기술을 이용한 새로운 고강도 경량 알루미늄 합금 설계 기술을 개발했다고 21일 발표했다. 이번 연구는 경상국립대, 한국재료연구원, 포스텍과 공동으로 진행했다.

소재 강도와 연성은 서로 반비례하는 특성을 가진다. 강도가 세면 연성이 낮고, 반대로 연성이 좋으면 강도는 낮다. 미래 모빌리티에 적용하기 위해서는 강도는 높으면서 연성이 좋아야 한다. 무게도 가벼워야 장점이 있다.

합금을 설계할 때 강도가 높으면서도 충분한 연성을 가지는 최적의 첨가 원소 혼합 비율과 공정 조건을 찾아내야만 하는데 이를 실험적으로 찾는 것은 엄청난 시간과 비용이 들어간다.

공동 연구팀은 최적의 강도와 연성을 갖는 첨가 원소 조합과 공정 조건을 빠르게 찾는 딥러닝 AI 모델을 개발했다. 추천 알고리즘을 이용해 우수한 기계적 특성을 지닐 것으로 예측되는 합금의 공정 조건도 얻었다. 추천 과정 또한 5분이 채 걸리지 않아 복잡하고 오래 걸리는 실험 없이 설계자가 원하는 공정 조건을 빠르게 얻을 수가 있다.

AI가 추천한 새로운 화학 조성과 공정 조건을 따라 실제 7000시리즈 알루미늄 합금을 제작해 본 결과 710MPa(메가파스칼) 이상의 항복강도를 유지하면서도 20%의 연성을 갖는 고강도 합금을 제작할 수 있었다. 널리 사용되는 상용 소재는 590MPa(메가파스칼) 정도의 항복 강도와 8% 수준의 연성을 지녔다.

제1 저자인 박서빈 유니스트 기계공학과 연구원(석·박사 통합)은 “이번 기술은 알루미늄 합금뿐 아니라 다른 경량 합금 소재 생산에도 폭넓게 적용할 수 있어 소재 개발 기간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

공동 교신저자인 성효경 경상국립대 교수는 “설명 가능한 인공지능을 통해 강도를 강화하는 주요 인자들을 직접적으로 이해할 수 있다는 점에서 기술의 신뢰도와 응용성을 높였다”며 “앞으로 고강도 초경량 소재 개발에 도움이 될 것”이라고 전했다.

교신저자로 연구를 총괄한 정임두 유니스트 교수는 “실험적 방법만으로는 찾기가 어려웠던 높은 기계적 특성을 가지는 경량 금속을 설명가능 인공지능과 융합연구를 통해 찾아냈다”며 “이는 탄소중립 시대의 모빌리티 생산에 있어 갈수록 높아지는 차체 경량화에 대한 수요를 맞추면서도 안정성을 극대화 할 수 있는 핵심적 기술이 될 것”이라고 설명했다.

정 교수는 “이번에 설계한 알루미늄은 기존 공정으로 대량 생산이 가능하다”며 “관련 특허 출원이 거의 마무리됐는데 앞으로 이 기술을 어떻게 접목할 것인지 방향성을 결정할 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과(논문명: High Strength Aluminum Alloys Design via Explainable Artificial Intelligence)는 금속 분야 국제 학술지인 ‘저널 오브 알로이 앤 컴파운드(Journal of Alloys and Compounds)’에 지난 1월 실렸다.

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