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화학연구원, 자가치유·재성형 가능 4D프린팅용 형상기억 신소재 기술 개발 2022-01-22
권혁재 기자 hjk@mtnews.net


▲ 전 세계적으로 4D프린팅 기술에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데, 한국화학연구원 연구진이 4D프린팅용 고분자 신소재를 개발하는데 성공했다. 왼쪽부터 한국화학연구원 화학소재연구본부 김용석 고기능고분자연구센터장, 김동균 선임연구원, 박성민 선임연구원



[기계신문] 한국화학연구원 김용석‧김동균‧박성민 박사 연구팀이 자가치유 및 재활용이 가능한 4D프린팅용 형상기억 비트리머 신소재를 개발했다. 연구팀이 개발한 형상기억 비트리머 소재는 4D프린팅 기술을 활용한 맞춤형 의료기기, 소프트 로봇, 형상가변 전자기기 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.


4D프린팅은 3D프린팅에 자가 변환 및 자기 조립 등의 개념이 더해진 것으로, 간단하게는 외부 자극에 스스로 반응하는 스마트 소재를 활용하여 프린팅된 3차원 구조체가 특정 조건 하에 스스로 변형을 일으키는 기술이다.


이러한 4D프린팅 분야에서 형상기억 고분자는 초기의 고분자 형태를 기억하여, 적절한 자극에 의해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아오는 스마트 고분자 핵심소재다.



▲ 다기능성 형상기억 비트리머 소재의 필라멘트 압출 및 4D프린팅 응용



한편, 향후 3D/4D 프린팅 시장이 확대되면 전 세계적으로 다량의 가교 고분자 폐기물이 축적될 것으로 전망되어, 기존에 구축된 3D프린팅 공정에 바로 적용 가능한 ‘재활용 가능 다기능성 고분자 소재’ 개발이 시급한 상황이다.


그동안 전 세계 연구진이 4D프린팅용 형상기억 고분자 신소재 개발에 나섰지만, 단량체·가교제의 과다 사용 및 프린팅 공정상 손실 등의 단점을 극복하지 못하였고, 3D프린팅 과정에서 가교된 소재를 손쉽게 재활용할 수 있는 기술 개발의 문턱 또한 넘지 못했다.


이에 한국화학연구원 연구팀(과학기술정보통신부 지정 ‘스마트화학소재 4D프린팅 연구단’)은 현재 3D프린팅용 필라멘트 소재로 활용되고 있는 상용 고분자의 2차례 기능성 가교반응을 통해 형상기억 비트리머 신소재를 합성했다.



▲ 한국화학연구원 연구팀은 폴리카프로락톤 말단의 OH 작용기와 PHMDI 가교제의 NCO 작용기와의 반응을 통해 1차 가교된 U-PCL 네트워크 고분자를 얻었다. 추가적으로, 다량의 OH 작용기를 갖는 PSA 올리고머를 도입하고 120℃에서 동적 에스터 교환반응을 유도함으로써 형상기억 비트리머 소재를 합성했다.



연구팀은 가교구조 제어를 통해 형상기억 비트리머 소재의 형상기억-회복 특성을 조절하는 것은 물론이고, 열에 의한 자가치유 및 재성형 등 다양한 기능을 가진 신소재를 개발하였다.


이번에 개발한 신소재를 테스트한 결과, 필름 형태의 소재에 흠집을 낸 후 고온 열처리한 지 30분이 지나자 자가 치유되는 것으로 확인되었다. 또한 가교구조를 지니고 있음에도 잘게 부서진 필름형태의 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래의 상태로 되돌려 재활용할 수 있게 되었다.


또한 필라멘트 압출 성형 및 4D프린팅도 가능하다. 신소재를 필라멘트 압출기에 넣어주면 깨끗한 필라멘트를 얻을 수 있으며, 3D 펜을 사용하여 형상기억 및 회복이 가능한 3D 구조체를 간단하게 제조할 수 있다.



▲ 이번에 개발한 형상기억 비트리머 신소재 표면에 흠집을 낸 후 고온 열처리를 한 지 30분이 지나자 흠집이 사라졌다.(자가치유 실험, 스케일바=0.5mm)


▲ 잘게 잘린 비트리머 소재를 고온 프레스 공정을 통해 원래 상태로 재가공했다.(재가공성 관련 실험)



이번 기술 개발로, 소재 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 4D프린팅 실용화를 위한 핵심기술을 선점할 수 있을 것으로 전망된다. 소재의 자가치유 및 재활용 공정 또한 가능하여, 향후 발생가능한 다량의 가교 고분자 폐기물 저감에도 기여할 것으로 기대된다.


화학연구원 이미혜 원장은 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 값싼 상용 고분자로부터 고부가가치 형상기억 비트리머 소재를 합성하는 플랫폼 기술로, 맞춤형 의료기기 등 다양한 응용분야에 폭넓게 활용될 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.


과학기술정보통신부 한국연구재단의 소재융합혁신기술개발사업, 미래기술연구실 사업, 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 2021년 12월호 표지논문으로 게재됐다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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