구조 재료의 경량화와 높은 기계적 성능 간의 효과적인 균형을 실현하기 위해, 본 연구는 누에고치의 계층적 구조와 기계적 성능 간의 구조-기능 관계를 체계적으로 연구하였으며, 이를 바탕으로 경량 고강도 구조 재료의 생체 모방 설계 및 제조를 수행하였다. 다중 규모 형상 분석과 기계적 시험을 통해 누에고치의 경량 고강도 특성의 구조적 근원을 밝혔으며, 두께 방향에서 구조 매개변수와 기계적 성능의 기울기 변화를 해석하여 공극률과 섬유 결합 강도가 고치 층의 기계적 반응을 공동으로 조절하는 메커니즘과 층간 결합 계면이 전체 기계적 성능에 크게 기여한다는 점을 명확히 하였다. 이후 용매 “용접” 기술을 도입하여 섬유 간의 효과적인 접합을 실현하였고, 위상 구조 최적화, 용접 횟수 증가 및 다층 복합 전략을 통해 공극률, 섬유 결합 강도 및 층간 결합 강도를 상대적으로 독립적으로 조절하여 누에고치 유사 층 구조 직물의 기계적 성능을 크게 향상시켰다. 제작된 다층 복합 직물은 경량성을 유지하면서 비강도와 비탄성률이 각각 117.4 MPa·g^-1·cm³와 1.55 GPa·g^-1·cm³에 달해 천연 누에고치의 기계적 성능을 능가하였다. 본 연구는 “기전 규명-생체 모방 설계-성능 최적화”의 통합 연구 프레임워크를 통해 경량 고강도 구조 재료의 생체 모방 설계 및 제조에 이론적 근거와 기술 경로를 제공한다.

누에고치; 계층 구조; 구조-기능 관계; 생체 모방 설계; 기계적 강화