4D 프린팅 기술에 대한 관심이 고조되는 가운데, 국내 연구진이 이를 위한 고분자 신소재 개발에 성공했다. 4D 프린팅 기술을 활용한 맞춤형 의료기기, 소프트 로봇, 형상가변 전자기기 등에 응용할 수 있을 전망이다.
한국화학연구원은 스마트화학소재 4D 프린팅 연구단 김용석·김동균·박성민 박사팀이 '자가치유 및 재활용이 가능한 4D 프린팅용 형상기억 비트리머(화학적 안정성, 가공성을 모두 갖춘 신소재)'를 개발했다고 19일 밝혔다.
4D 프린팅은 3D 프린팅에 자가 변환, 자기 조립 등 개념을 더한 것이다. 외부 자극에 반응하는 스마트 소재를 이용, 프린팅된 3차원 구조체가 특정 조건에서 변형을 일으키게 한다. 초기 형태를 기억하는 형상기억 고분자가 핵심소재다.
연구팀 3D 프린팅용 필라멘트(선형 소재)로 활용되는 상용 고분자의 2차례 기능성 가교반응(선형 고분자 사슬 사이를 연결하는 반응)을 통해 형상기억 비트리머 신소재를 합성했다.
가교구조를 제어해 형상기억과 회복 특성을 조절했고, 열에 의한 자가치유 및 재성형 등 다양한 기능을 부여했다.
테스트 결과, 필름 형태 소재에 흠집을 내고 고온 열처리를 한 지 30분 후 자가 치유되는 것으로 확인했다. 이를 잘게 부수고 고온에서 프레스 공정을 가하면 원래 상태로 되돌려 재활용도 할 수 있었다. 필라멘트 압출 성형 및 4D 프린팅도 가능하다. 3D 펜을 사용해 형상기억 및 회복이 가능한 3D 구조체를 간단하게 제조할 수 있다.
화학연은 4D 프린팅 실용화를 위한 핵심기술을 선점할 수 있을 것으로 전망했다. 소재 자가치유 및 재활용 공정 또한 가능해, 향후 발생가능한 다량의 가교 고분자 폐기물 저감에도 기여할 것으로 기대했다.
이미혜 화학연 원장은 “이번에 개발한 기술은 값싼 상용 고분자로부터 고부가가치 형상기억 비트리머 소재를 합성하는 플랫폼 기술로, 맞춤형 의료기기 등 다양한 응용분야에 폭넓게 활용될 수 있기를 기대한다”고 말했다.
연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스' 2021년 12월호 표지논문으로 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 소재융합혁신기술개발사업, 미래기술연구실 사업, 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
