고온·압력에도 자가 치유되는 '4D프린트용' 고분자 신소재 나와

화학연, '4D 프린티용 형상기억 신소재' 개발
자극에 변형된 이후 본래 모습으로 회복
맞춤형 의료기기, 소프트로봇 등에 활용

한국화학연구원은 자가 치유와 재활용이 가능한 '4D 프린팅용 형상기억 비트리머'를 개발했다. 사진은 관련 연구성과 내용이 표지논문으로 실린 국제 학술지 화학연 제공

4D 프린팅용 형상기억 신소재를 김용석 센터장(왼쪽부터), 김동균 선임연구원, 박성민 선임연구원. 화학연 제공

자가 치유와 재성형 기능을 갖춘 4D 프린팅용 고분자 신소재가 개발됐다. 맞춤형 의료기기나 소프트 로봇, 형상가변 전자기기 등 다양한 분야의 스마트 소재로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

한국화학연구원은 김용석·김동균·박성민 박사 연구팀이 자가치유와 재활용이 가능한 '4D 프린팅용 형상기억 비트리머(화학적 안정성과 가공성을 모두 갖춘 신소재)'를 개발했다고 19일 밝혔다.

4D 프린팅은 3D 프린팅에 자가 변환과 자가 조립 등의 개념이 더해진 것으로, 외부 자극에 스스로 반응하는 스마트 소재를 활용해 프린팅된 3차원 구조체가 특정 조건에서 스스로 변형하도록 한다.

이 때문에 4D 프린팅에는 초기의 고분자 형태를 기억해 적절한 자극에 의해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아 오는 형상기억 고분자가 핵심 소재로 쓰인다.

하지만, 단량체와 가교제의 과다 사용과 프린팅 공정상 손실 등의 단점을 극복하지 못하는 기술적 한계를 안고 있었다.

연구팀은 3D 프린팅용 필라멘트(열가소성 고분자 재료) 소재로 활용되는 상용 고분자의 가교 반응을 통해 형상기억 비트리머 신소재를 합성하는 데 성공했다. 이 신소재는 가교 구조 제어를 통해 형상기억 비트리머 소재의 형상기억과 회복 특성을 조절할 수 있고, 열에 의한 자가치유와 재성형 등 다양한 기능을 갖고 있다.

실제로, 소재에 흠집을 낸 후, 고온 열처리한 지 30분이 지나자 원래 모습으로 자가 치유됐고, 잘게 부순 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래 상태로 되돌려 재활용할 수 있음을 확인했다고 연구팀은 설명했다.

아울러, 신소재를 필라멘트 압출기에 넣어주면 깨끗한 필라멘트를 얻을 수 있으며, 3D펜을 사용해 형상기억과 회복이 가능한 3D 구조체를 간단하게 제조할 수 있었다.

김용석 화학연 박사는 "값싼 상용 고분자로부터 고부가가치 형상기억 비트리머 소재를 합성하는 플랫폼 기술을 확보했다는 데 의미가 있다"며 "소재의 자가치유와 재활용이 가능해 앞으로 다량의 가교 고분자 폐기물 저감에 기여할 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(지난해 12월호)' 표지 논문으로 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr