[위즈뉴스] 전세계적으로 4D 프린팅 기술에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데, 국내 연구진이 4D 프린팅용 고분자 신소재를 개발하는 데 성공했다.

한국화학연구원(원장 이미혜)은 19일, 고기능고분자연구센터 김용석 센터장과 김동균 선임연구원, 박성민 선임연구원으로 구성된 연구팀이 자가치유 및 재활용이 가능한 4D 프린팅용 형상기억 비트리머 신소재를 개발했다고 밝혔다. 

비트리머 신소재란 열경화성 고분자의 화학적 안정성과 열가소성 고분자의 가공성을 모두 갖춘 신소재로, 연구팀이 이번에 개발한 형상기억 비트리머 소재는 4D 프린팅 기술을 활용한 맞춤형 의료기기, 소프트 로봇, 형상가변 전자기기 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 성과를 담은 논문은 과학기술 분야의 SCI급 저명 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF=16.808)’ 지난해 12월호에 게재됐으며 표지논문으로도 선정됐다.

논문명은 'A 4D Printable Shape Memory Vitrimer with Repairability and Recyclability through Network Architecture Tailoring from Commercial Poly(ε-caprolactone)(상용 폴리카프로락톤의 네트워크 구조제어를 통해 제조한 수리 및 재활용 가능 4D 프린팅용 형상기억 비트리머 소재)'이다.

연구팀은 "4D 프린팅 시장은 아직 초기단계로 미국을 제외한 국가에서는 시장이 형성되지 않았으나, 향후 3D 프린팅 시장을 능가하는 경제적 파급효과를 창출할 것으로 예상한다"면서 "이번 연구성과를 기반으로 소재 분야 국내 기업과의 협업을 통해 실용화를 위한 핵심기술 개발을 가속화 할 수 있을 것"이라고 말했다.

4D 프린팅은 3D 프린팅에 자가 변환 및 자기 조립 등의 개념이 더해진 것으로, 간단하게는 외부 자극에 스스로 반응하는 스마트 소재를 활용하여 프린팅된 3차원 구조체가 특정 조건 하에 스스로 변형을 일으키는 기술이다.

이러한 4D 프린팅 분야에서 형상기억 고분자는 초기의 고분자 형태를 기억하여, 적절한 자극에 의해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아오는 스마트 고분자 핵심소재이다.

한편 향후 3D/4D 프린팅 시장이 확대되면 전세계적으로 다량의 가교 고분자 폐기물이 축적될 것으로 전망되어, 기존에 구축된 3D 프린팅 공정에 바로 적용가능한 ‘재활용 가능 다기능성 고분자 소재’ 개발이 시급한 상황이다.

그동안 전 세계 연구진이 4D 프린팅용 형상기억 고분자 신소재 개발에 나섰지만, 단량체·가교제의 과다 사용 및 프린팅 공정상 손실 등의 단점을 극복하지 못하였고, 3D 프린팅 과정에서 가교된 소재를 손쉽게 재활용할 수 있는 기술 개발의 문턱 또한 넘지 못했다.

가교란 서로 다른 선형 고분자 사슬들 사이를 다른 사슬로 연결하는 화학결합 반응으로, 그물과 같은 망상 구조를 형성하는 과정을 말한다. 

이에 한국화학연구원 연구팀(과학기술정보통신부 지정 ‘스마트화학소재 4D 프린팅 연구단’)은 현재 3D 프린팅용 필라멘트 소재로 활용되고 있는 상용 고분자의 2차례 기능성 가교반응을 통해 형상기억 비트리머 신소재를 합성했다.

필라멘트란 3D 프린터에 사용되는 열가소성 고분자 재료로, 직경 1.75 mm 내외의 가느다란 선형 형태로 가공된 소재이다.

연구팀은 가교구조 제어를 통해 형상기억 비트리머 소재의 형상기억-회복 특성을 조절하는 것은 물론이고, 열에 의한 자가치유 및 재성형 등 다양한 기능을 가진 신소재를 개발했다.

이번에 개발한 신소재를 테스트한 결과, 필름 형태의 소재에 흠집을 낸 후, 고온 열처리한 지 30분이 지나자 자가 치유되는 것으로 확인되었다.

또한 가교 구조를 지니고 있음에도 잘 게 부서진 필름형태의 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래의 상태로 되돌려 재활용할 수 있게 되었다.

또한 필라멘트 압출 성형 및 4D 프린팅도 가능하다. 신소재를 필라멘트 압출기에 넣어주면 깨끗한 필라멘트를 얻을 수 있으며, 3D 펜을 사용하여 형상기억 및 회복이 가능한 3D 구조체를 간단하게 제조할 수 있다.

이번 기술 개발로, 소재 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 4D 프린팅 실용화를 위한 핵심기술을 선점할 수 있을 것으로 전망된다. 소재의 자가치유 및 재활용 공정 또한 가능하여, 향후 발생가능한 다량의 가교 고분자 폐기물 저감에도 기여할 것으로 기대된다.

한국화학연구원 이미혜 원장은 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 값싼 상용 고분자로부터 고부가가치 형상기억 비트리머 소재를 합성하는 플랫폼 기술로, 맞춤형 의료기기 등 다양한 응용분야에 폭넓게 활용될 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 소재융합혁신기술개발사업, 미래기술연구실 사업, 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.