화학硏 '다기능성 3D프린팅' 소재 개발…정밀도 100배·속도 5배↑

2배 빠른 자가치유 기능까지 확보
소프트로봇, 맞춤형 전자기기 등 미래 소재 응용 가능
세계적 학술지 Advanced Materials 표지논문 선정

[대전=뉴시스] 기존 다기능성 3D 프린팅 소재 제작의 문제점과 화학연 공동연구팀의 가시광선 활용 기술을 통한 문제점 해결도.(사진=화학연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 높은 자가치유 성능을 보이면서 빠른 출력 및 고정밀도를 갖는 3D 프린팅 소재를 개발했다.

한국화학연구원은 이원주·유영창·안도원 박사팀이 서울대학교 권민상·부산대학교 백현종 교수팀과 공동연구를 통해 기존 기술보다 100배 정밀하고 5배 빠르게 출력하면서도 2배 빠르게 자가치유되는 가시광선 활용 다기능성 3D 프린팅 소재를 개발했다고 10일 밝혔다.

최근 연구자들이 자가치유, 분해 성능 등 여러 기능을 가진 3D 프린팅 소재 개발을 추진 중이다. 특히 빛에 반응하는 스마트 소재는 소프트 로봇이나 맞춤형 의료기기, 가변형 전자기기 등 많은 미래 소재의 핵심 부품으로 사용될 수 있지만 아직 개발 초기 단계다.

기능까지 부여된 3D 프린팅 기술의 원료는 프린터의 잉크처럼 출력물을 만드는 소재와 출력물에 자가치유와 같은 기능을 부여하는 소재가 필요하다.

일반적으로 결과물 출력을 위해 상대적으로 에너지가 높은 자외선이 광원으로 사용되며 새로운 기능을 부여하는 소재에도 자외선이 광원으로 활용된다.

이에 따라 대략 300~400나노미터(㎚) 범위의 자외선을 광원으로 활용하면 결과물 출력 공정과 기능 부여 공정에서 일부 동일한 파장이 경쟁적으로 흡수돼 효율적인 빛 반응을 방해, 결과적으로 출력물의 정밀성과 출력 속도를 떨어트린다.

이번에 공동 연구팀은 출력 성능 극대화를 위해 자외선보다 긴 파장의 가시광선을 활용하는 출력 소재를 개발하고 동시에 기존에 알려진 빛 반응물질의 구조를 변경해 새로운 기능성 소재를 개발, 파장 중복 문제를 해결했다.

대부분의 3D 프린팅 소재는 405㎚ 영역대의 빛으로 결과물을 출력하지만 연구팀은 더 긴 파장의 가시광선 빛 620㎚ 영역대의 빛으로 출력할 수 있는 방법을 찾았다.

이렇게 제작된 3D 프린팅 소재는 기존 소재와 비교해 100배의 정밀도와 5배의 출력속도 등 월등한 성능 차이를 보였다. 이는 종이 프린터의 잉크처럼 기능없이 결과물 출력만을 위해 이미 널리 사용되고 있는 상용화제품과 비교해도 동등한 출력 수준이다.

또한 3D 프린팅 결과물에 자가치유 등의 기능을 구현키 위해 기존 영역대인 405㎚ 보다 넓은 빛 파장인 405~450㎚(나노미터) 영역대를 통해 가시광선에도 반응하는 새로운 광반응성 유기화합물 소재를 개발했다.

검증에서 10분 이내에 손상된 표면이 복구되는 자가치유 성능이 확인됐다. 이는 기존 다기능성 3D 프린팅 소재 대비 2배 빠른 수준이다.

이번 연구결과는 소재 분야 세계적인 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials, IF : 29.4)’에 5월호 표지 논문으로 선정됐다.(논문명:Visible-light-driven rapid 3D printing of photoresponsive resins for optically clear multifunctional 3D objects)

화학연 이영국 원장은 "이번 기술개발을 계기로 후속연구와 소재 분야 기업과의 적극적인 협업을 통해 우리나라가 글로벌 기능성 3D 프린팅 시장에서 핵심기술을 선점할 수 있길 기대한다"고 말했다.

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