공과대학 기계공학부 최승태 교수와 에너지시스템공학부 발전기계전공 양승화 교수 공동 연구팀이 극초음속 미사일과 위성체 기술의 핵심인 고내열 복합소재의 열분해·삭마 특성을 규명하기 위한 ‘CG-MD(Coarse-Grained Molecular Dynamics) 전산모사기법’을 개발했다. 

열 차폐 시스템 설계·응용 시에는 고분자 재료의 열분해에 대한 완전한 이해가 필요하다. 하지만, 기존 분자동역학 모사방법을 통해서는 공간과 시간적 다중규모에서 발생하는 복잡한 열분해 현상을 모사하기 어려웠다. 현존하는 슈퍼컴퓨터를 활용하더라도 해석이 쉽지 않은 결과물이 나오는 데 그쳤다. 극한환경 하에서 얻어지는 고비용 거시규모 삭마·열분해 실험을 대체할 전산모사 방법이 없었다는 것이다. 

공동 연구팀이 이번에 개발한 CG-MD 체계는 기존 방법의 한계를 극복하고, 고분자의 혐기성 열분해(anaerobic pyrolysis), 호기성 고온 분해(aerobic hyperthermal disintegration) 모사를 가능케 만들었다는 점에서 의미가 크다. 

최근 극초음속 무기 기술 경쟁은 비행궤적의 예측이 불가능한 마하 5 이상의 속도를 지닌 하이퍼소닉 미사일을 중심으로 이뤄지고 있다. 미국은 이러한 비행환경을 견딜 수 있는 내열 소재 개발에만 연간 400억원 이상의 예산을 투입하는 중이다. 

마하 15의 속도로 비행하는 저궤도 위성체 소재의 경우 산소원자처럼 매우 반응적인 대기환경 노출에 따른 열분해와 삭마를 견딜 수 있어야 한다. 우리나라는 최근 누리호 3차 발사 성공으로 우주강국 G7에 진입했지만, 실제 실험이 가능한 우주 정거장을 갖고 있지 않다는 제약이 있다. 이러한 상황에서 효율적인 전산모사기법의 개발과 적용이야말로 극한환경소재 기술격차를 해소하는 큰 실마리가 될 것이란 평가다. 

연구팀은 이번 연구를 통해 열분해를 위한 모델재료로 폴리에틸렌(polyethylene, PE)을 선택했다. 결합 연신, 결합 각도 굽힘, 이면체 각도 비틀림, 반데르발스 상호작용을 포함한 DREIDING force field를 사용해 CG 입자(CH2)의 상호작용을 모델링했다. 결합 분리기준은 CG입자 간 임계거리로 정해 혐기성 열분해 조건에서 해석기법을 검증했다. 산소폭격(oxygen bombardment)에 의한 호기성 고온 열분해 해석도 수행한 결과 기체산소와 고체표면 사이 에너지 교환을 CG-MD 방법을 통해 효율적으로 전산모사 할 수 있음을 입증하는 데 성공했다. 

이번 연구에는 Vinh Phu NGUYEN 박사, 전인석 박사과정생, 양승화 교수, 최승태 교수가 참여했다. 연구 성과는 피인용도(IF, Impact Factor) 10.4를 기록한 국제 저명 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ Vol. 15, No. 25에 출판됐다. 홈페이지(https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.3c04192)를 통해 보다 상세한 내용을 확인할 수 있다. 

최승태 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 CG-MD 전산모사 기법은 열 차폐 소재 표면의 열분해·삭마 특성을 이해하는 데 더해 극한환경 하에서 어려운 삭마 실험 없이도 새로운 열 차폐 소재를 개발하는 데 활용할 수 있는 방법”이라며, “극초음속 무기나 로켓에 사용되는 내열소재의 개발을 크게 앞당길 것으로 기대하고 있다”고 전했다.