[쿠키과학]"100배 정밀하고 5배 빠르다" 기능성 3D 프린팅 소재 개발

가시광선 활용 자가치유 등 다기능성 확보
소프트로봇, 맞춤형 전자기기 등 미래 소재 적용 기대

3D 프린팅 기술은 복잡한 부품을 한 번의 출력으로 만들 수 있는 장점이 있어 여러 분야에서 각광받고 있다. 특히 광경화 방식 3D프린팅 소재는 다른 방식보다 출력정밀도가 매우 높고, 출력 속도도 빠른 장점을 갖는다.

이런 장점은 의료용이나 각종 산업 시제품 제작에 폭넓게 활용되지만, 물질의 형상만을 본뜨는 분야에 주로 적용되고 있다.

이를 산업분야에 보다 널리 적용하려면 보다 다양한 기능을 갖는 신소재 개발이 필수다.

이에 세계적으로 자가치유나 분해성능 등 여러 특성을 갖는 3D 프린팅 소재 개발 연구를 진행 중이다. 이 가운데 빛에 반응하는 스마트소재는 소프트로봇이나 맞춤형 의료기기, 가변형 전자기기 등 미래 소재의 핵심부품으로 사용될 수 있어 더욱 관심받고 있다.

3D 프린팅 제품의 선택적 색 변화. 한국화학연구

그러나 3D 프린팅에 자가치유 등 다양한 기능을 부여하는 기술은 출력속도와 정밀도가 떨어져 생산에 한계가 있었다.

이처럼 특수기능이 부여된 3D 프린팅 원료는 프린터의 잉크처럼 출력물을 만드는 소재와 출력물에 자가치유 기능을 부여하는 소재가 필요하다.

일반적으로 3D 프린팅 결과물 출력에는 상대적으로 에너지가 높은 자외선을 광원으로 사용한다. 그러나 문제는 자가치유 등 새로운 기능을 부여한 소재도 자외선을 광원으로 활용한다는 것.

특히 파장 300~400나노미터 자외선을 광원으로 활용하면 결과물출력 공정과 기능부여 공정에서 동일한 파장이 경쟁적으로 흡수되면서 효율적인 빛반응을 방해하고, 이는 출력물의 정밀성이나 출력속도 저하를 가져와 해결이 필요하다.

100배 정밀하고 5배 빠른 3D 프린팅 소재

한국화학연구원(이하 화학연)은 이원주·유영창·안도원 박사팀이 서울대 및 부산대와 공동연구로 기존 기술보다 100배 정밀하고, 5배 빠르게 출력하면서, 2배 빠른 자가치유 성능을 가진 '가시광선 활용 다기능성 3D 프린팅 소재'를 개발했다고 10일 밝혔다.

다기능성 3D 프린팅 소재의 자가 치유. 한국화학연구원

기존 대부분의 3D 프린팅 소재는 405나노미터 파장의 으로 결과물을 출력한다.

연구팀은 기존 3D 프린팅 소재의 한계를 극복하고 제품의 기능성을 확보하기 위해 가시광선을 이용, 자외선이나 단파장에 반응하는 기능성 제품을 출력하는 방법을 구상했다.

기존 다기능성 3D 프린팅 소재 문제점(위)와 가시광선을 활용한 문제점 해결(아래). 한국화학연구원

이와 동시에 기능성 발현을 위해 기존에 알려진 빛반응 물질 구조를 변경, 새로운 기능성소재를 개발해 파장 중복문제를 해결했다.

특히 연구팀은 기능성소재 구현을 위한 빛 영역대가 중복돼 출력성능이 저하되는 문제를 해결하기 위해 파장 620나노미터 빛으로 출력할 수 있는 방법을 찾아냈다.

이를 통해 제작한 3D 프린팅 소재는 기존 소재와 비교해 100배 높은 정밀도와 5배 빠른 출력속도로 월등한 성능을 보였다.

또 연구팀은 3D 프린팅 결과물에 자가치유 등 기능을 구현하기 위해 기존 기술 영역대인 405나노미터 보다 긴 405~450나노미터의 새로운 광반응성 유기화합물 소재를 개발했다.

이를 적용하면 손상된 표면을 기존 다기능성 3D 프린팅 소재보다 2배 빠른 10분 내에 복구하는 것을 확인했다.

아울러 연구팀은 일정조건에서 빛을 받은 부위만 분해되는 기능도 갖고 있는 것도 관찰하고, 다기능성 기능을 발전시킬 후속 연구를 진행 중이다.

3D 프린팅 출력과 다양한 기능성을 갖는 유기 화합물. 한국화학연구원

이번에 개발한 소재는 향후 친환경 3D 프린팅 소재나 맞춤형 의료기기, 소프트로봇 등 미래 전자소재 개발에 활용될 전망이다.

이번 연구결과는 소재분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈)’ 지난 5월호 표지 논문으로 선정됐다.

Advanced Materials 5월호 표지논문. 한국화학연구원

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com