화학연, 4D 프린팅용 형상기억 신소재 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 맞춤형 의료기기와 소프트 로봇 등에 활용할 수 있는 형상기억 신소재 기술이 개발됐다.

전 세계적으로 4D 프린팅 기술에 대한 관심이 높다. 국내 연구팀이 4D 프린팅용 고분자 신소재를 개발하는데 성공했다.

한국화학연구원(원장 이미혜) 김용석‧김동균‧박성민 박사 연구팀은 최근 발표된 연구에서 자가 치유와 재활용이 가능한 4D 프린팅용 형상기억 비트리머 신소재를 개발했다. 비트리머는 열경화성 고분자의 화학적 안정성과 열가소성 고분자의 가공성을 모두 갖춘 신소재이다.

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 변환과 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 기억해 적절한 자극에 의해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아오는 스마트 고분자 핵심소재이다.

앞으로 3D·4D 프린팅 시장이 확대되면 전 세계적으로 다량의 가교 고분자 폐기물이 축적될 것으로 전망된다. 기존에 구축된 3D 프린팅 공정에 바로 적용 가능한 ‘재활용 가능 다기능성 고분자 소재’ 개발이 시급한 상황이다.

연구팀은 가교구조 제어를 통해 형상기억 비트리머 소재의 형상기억-회복 특성을 조절하는 것은 물론이고 열에 의한 자가 치유와 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 확인됐다. 가교 구조를 지니고 있음에도 잘 게 부서진 필름형태의 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래의 상태로 되돌려 재활용할 수 있게 됐다.

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

연구결과(논문명: A 4D Printable Shape Memory Vitrimer with Repairability and Recyclability through Network Architecture Tailoring from Commercial Poly)는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 2021년 12월호 표지논문으로 실렸다.