"흠집나도 스스로 치료한다" 화학硏 '형상기억 신소재' 개발

- 맞춤형 의료기기·소프트 로봇 등 응용 기대

4D 프린팅용 신소재기술을 개발한 화학연 연구진. 왼쪽부터 김용석 센터장, 김동균 박사, 박성민 박사.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 흠집이 나도 스스로 자가치유하는 4D 프린팅용 고분자 신소재 개발에 성공했다.

한국화학연구원 김용석‧김동균‧박성민 박사 연구팀은 자가치유 및 재활용이 가능한 4D 프린팅용 형상기억 비트리머 신소재를 개발했다고 19일 밝혔다.

연구팀이 개발한 형상기억 비트리머 소재는 4D 프린팅 기술을 활용한 맞춤형 의료기기, 소프트 로봇, 형상가변 전자기기 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

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

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

그동안 많은 연구진이 4D 프린팅용 형상기억 고분자 신소재 개발에 나섰지만, 단량체·가교제의 과다 사용 및 프린팅 공정상 손실 등의 단점을 극복하지 못했다.

한국화학연구원 연구팀은 현재 3D 프린팅용 필라멘트 소재로 활용되고 있는 상용 고분자의 2차례 기능성 가교반응을 통해 형상기억 비트리머 신소재를 합성했다.

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

이번 연구결과가 게재된 국제학술지 '어드밴스드 사이언스' 12월호 표지.[한국화학연구원 제공]

테스트 결과, 필름 형태의 소재에 흠집을 낸 후, 고온 열처리한 지 30분이 지나자 자가 치유되는 것으로 확인됐다. 또한 가교 구조를 지니고 있음에도 잘 게 부서진 필름형태의 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래의 상태로 되돌려 재활용할 수 있게 됐다.

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

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

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 2021년 12월호 표지논문으로 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com