상온에서 습도 변화만으로 가역적·반복적 구동 가능
국제 학술지 『스몰(Small)』 게재…“연성 액추에이터·로봇, 스마트 섬유 등 활용 기대”
안석균 부산대 응용화학공학부 교수 연구팀이 액성탄성체를 합성해 4D프린팅 기술에 적용하는데 성공했다. 왼쪽부터 안 교수, 부산대 응용화학공학부 석사과정 대학원생 김금비, 석사졸업생 궈위엔항, 석사과정 대학원생 배재희 씨. 부산대 제공.
부산대학교는 안석균 응용화학공학부 교수 연구팀이 새로운 스마트 소재인 액정 탄성체를 합성하고, 이를 4D 프린팅 기술에 적용시키는 데 성공했다고 4일 발표했다.
3D 공간에 ‘시간’의 개념을 더한 ‘4D 프린팅’이란 기술이 있다. 3D 프린터로 물건을 출력한 다음, 특정 환경에 따라 형태뿐 아니라 기능까지 변화시킬 수 있는 획기적인 기술이다. 최근 이 4D 프린팅 기술을 위한 후보 소재들이 제안되고 있지만, 가역적 형태 변화가 어렵거나 물이 필요하거나 또는 100도 이상의 고온이 요구되는 등 구동조건에 제한이 컸다.
연구진은 이같은 문제점을 해결하고, 상온에서 습도 조절만으로도 원하는 모양으로 변형 가능한 액정 탄성체를 합성하고, 이를 4D 프린팅에 적용한 기술을 처음 개발했다. 향후 연성 액추에이터(작동기)나 로봇, 스마트 섬유 등 다양한 분야에의 활용이 기대된다. 이 재료로 만든 4D 프린팅 그리퍼(집는 도구)는 습도를 높이면 물체를 잡고, 습도를 낮추면 물체를 내려놓는다.
상온에서 습도 조절만으로 구동될 수 있는 액정 탄성체 합성기술과 3D 프린팅 기술을 접목시킨 최초의 연구성과다. 최근 떠오르고 있는 4D 프린팅 기술을 위한 신규 스마트 원천소재를 개발했다는 점에서 의미가 있다.
이번 연구 성과는 지난 2일자 소재분야의 세계적인 학술지 『스몰(Small)』 온라인판에 게재됐다. 논문 제목은 습도감응형 액정 탄성체 액추에이터의 4D 프린팅이다.
4D 프린팅 기술은 3D 공간에 시간 개념을 추가한 것이다. 3D 프린터에 의해 출력된 구조체가 외부환경에 반응하면서 시간에 따라 형태나 기능성이 변할 수 있다. 4D 프린팅 기술을 위해서는 3D 프린팅 기술과 외부자극에 반응할 수 있는 스마트 소재기술이 핵심이다.
기존 4D 프린팅용 소재 후보군으로는 형상기억고분자와 하이드로겔이 주로 연구되고 있으나, 형상기억고분자는 일반적으로 형상변화가 비가역적이며 하이드로겔은 물을 함유한 상태에서만 구동이 가능하다는 제한이 있다.
이에 비해, 액정 고분자 사슬이 약한 가교결합을 이루고 있는 액정 탄성체(또는 액정 고무)는 액정분자의 배향제어를 통해 고체상에서도 원하는 모양으로 최대 400%의 가역적 형상변화가 가능해 형상기억고분자와 하이드로겔 소재와 차별화된 장점이 있다.
액정 탄성체를 4D 프린팅 기술에 접목시킨 연구가 2017년 이후 미국과 유럽의 소수 연구그룹에서 보고됐지만, 주로 100도 이상의 높은 온도를 가해야 구동되는 경우가 대부분이었다.
이러한 온도감응형 소재의 한계를 극복하고 저비용으로 무해하다. 상온에서 구동할 수 있는 소재를 위해 연구팀은 기존에 보고되지 않았던 새로운 화학구조의 액정 탄성체를 합성했다. 이후 추가적인 화학처리를 통해 샘플의 두께 방향으로 비대칭적 친수성을 부여했다.
이렇게 얻어진 배향처리된 액정 탄성체는 상온에서 습도 조절만으로도 원하는 모양으로 가역적·반복적 구동이 가능했다. 더 나아가 연구팀은 직접잉크쓰기 방식의 3D 프린팅 공정에 액정 탄성체의 전구체(선행물질)인 액정 올리고머(소중합체)를 잉크로 활용해 다공성 구조체, 꽃, 그리퍼(집는 도구) 등의 복잡한 구조체들을 출력하고, 이들을 습도 조절로 구동하는 4D 프린팅 기술을 구현하는 데 성공했다.
연구책임을 맡은 안석균 교수는 “이번 결과는 습도 조절만으로 구동될 수 있는 액정 탄성체를 합성하고 이를 3D 프린팅 기술과 접목시킨 세계 최초의 연구성과로 현재 급부상 중인 4D 프린팅 기술을 위한 새로운 원천소재를 제시했다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 말했다. 그는 “새롭게 개발된 4D 프린팅용 스마트 소재기술이 차세대 연성 액추에이터 및 로봇, 스마트 의류·신발, 스마트 건축물 개발 등에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 신진연구자지원사업과 소재융합혁신기술개발사업의 지원을 받아 부산대 응용화학공학부 석사과정 대학원생 김금비, 배재희 및 석사졸업생 궈위엔항(이상 공동 제1저자), 석박통합과정 대학원생 최수비(공동저자), 연구책임자인 안석균 교수(교신저자) 주도로 진행됐다. 같은 응용화학공학부의 현규 교수와 송형용 박사, 한국화학연구원의 박성민 박사가 공동저자로 참여했다.
부산=김태현 기자 hyun@hankyung.com