KAIST, 코팅 없이 빛만으로 형태 바꾸는 금속 구조 개발… UV 레이저 단일 공정 활용

오일권 교수 연구팀, 니켈-티타늄 형상기억합금에 변형과 광흡수 동시 설계… 국제학술지 어드밴스드 사이언스 이면 표지 논문 선정

KAIST(총장 배충식)는 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 별도의 광흡수 코팅 없이 빛만으로 형태를 바꾸는 금속 구조를 개발했다고 20일 밝혔다. 연구팀은 하나의 UV(자외선) 레이저 공정만으로 평평한 니켈-티타늄 형상기억합금(SMA) 시트를 빛을 받으면 스스로 입체 구조로 변하는 메타모핑 구조로 만드는 기술을 구현했다. 형상기억합금은 일정 온도 이상에서 원래 기억한 형태로 되돌아가는 특수 금속이며, 메타모핑은 외부 자극에 따라 미리 설계한 형태로 변형되는 것을 뜻한다.

실제 버튼처럼 솟아오르는 이 금속 구조는 촉각 인터페이스와 형상 디스플레이, 차세대 웨어러블 기기, 소프트 로봇 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 얇고 가벼우면서도 필요할 때 원하는 형태로 자유롭게 변형될 수 있는 기술은 형상 디스플레이와 적응형 표면, 웨어러블 인터페이스, 소프트 로봇 등 다양한 미래 기술의 기반이 되기 때문이다.

형상기억합금은 가볍지만 큰 힘을 낼 수 있어 웨어러블 기기와 소프트 로봇의 핵심 구동 소재로 활용돼 왔다. 그러나 니켈-티타늄 표면은 근적외선 영역에서 반사율이 높아 빛을 충분히 흡수하지 못했고, 이를 보완하기 위해 그래핀 산화물이나 질화티타늄 같은 별도의 광흡수 코팅이 필요했다. 이런 코팅은 반복 사용하면 벗겨질 수 있고 제작 공정이 복잡해지며 반응 속도를 떨어뜨리는 한계가 있었다.

연구팀은 UV 레이저 미세가공 기술로 이 문제를 해결했다. 레이저를 한 번 조사하는 것만으로 금속을 원하는 형태로 가공하는 동시에, 레이저 유도 산화를 통해 표면에 마이크로-나노 다공성 산화티타늄(TiOₓ) 층을 만들어 빛을 잘 흡수하도록 했다. 별도의 광흡수 코팅 없이도 근적외선 흡수율을 크게 높인 것이다. 또한 평평한 금속판에 정교한 절개와 접힘 패턴을 설계해 미리 정한 입체 모양으로 변형되도록 했는데, 이는 종이를 오려 입체 구조를 만드는 키리가미(Kirigami) 원리를 금속에 적용한 것이다. 힌지 폭과 슬릿 폭 같은 구조 변수를 조절하면 변형 높이와 힘 출력 사이의 관계를 정밀하게 설계할 수 있으며, 연구팀은 유한요소 해석과 실험을 통해 이를 정량적으로 검증했다.

이번 연구의 핵심은 금속이 얼마나 변형될지뿐 아니라 어떤 순서로 형태를 바꿀지까지 하나의 금속 안에 미리 설계했다는 점이다. 연구팀은 레이저 산화 정도를 위치별로 다르게 패터닝해, 같은 빛을 균일하게 비춰도 어떤 부분은 먼저, 다른 부분은 나중에 변형되도록 구현했다. 별도의 전기 신호나 복잡한 제어장치 없이도 금속 스스로 정해진 순서에 따라 형태를 바꾸도록 만든 것으로, 재료 자체에 구동 순서와 타이밍을 새겨 넣은 결과다.

연구팀은 이 기술을 다채널 근적외선(NIR) LED 배열과 결합해 화면 일부가 실제로 솟아오르는 형상 디스플레이와 햅틱 인터페이스로 확장했다. 하부 LED에서 특정 위치를 켜면 그 위의 SMA 유닛만 선택적으로 가열돼 솟아오르는 방식으로, 문자 ‘K→A→I→S→T’를 순차적으로 표시하고 손끝으로 방향을 안내하는 촉각 신호를 구현하는 데 성공했다.

오일권 교수는 “이번 기술은 별도의 코팅 공정 없이 단일 금속 소재 안에 기계적 변형과 광학적 특성을 동시에 새겨 넣은 새로운 제조 플랫폼”이라며 “빛만으로 형상을 자유롭게 제어할 수 있어 적응형 표면, 인터랙티브 햅틱 인터페이스, 차세대 웨어러블 기기, 광열 기반 소프트 로봇 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 기계공학과 김현수 석사과정이 제1저자로, 오일권 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 성과는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 게재됐으며, 우수성을 인정받아 2026년 6월 4일 발행된 Advanced Science Vol. 13, No. 31의 이면 표지 논문(Inside Back Cover)으로 선정됐다. 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구지원사업, 미래융합파이오니어사업, 나노·소재기술개발사업, 그리고 과학기술정보통신부 InnoCORE 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.

연구팀이 제시한 레이저 프로그래밍 기술은 기존 방식이 구조 설계와 광흡수 코팅을 분리된 공정으로 수행했던 것과 달리 두 기능을 하나의 레이저 공정으로 통합해 제조 단순성과 확장성을 확보했다. 이 플랫폼은 스마트워치, AR·VR 장갑, 로봇 원격조작 인터페이스, 점자 디스플레이 등에서 표면이 실제로 솟아오르며 정보를 전달하는 촉각 디스플레이로의 확장 가능성을 보여준다.

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