▲ 4D 프린팅용 형상기억 신소재 기술을 개발한 화학연구원 연구팀(왼쪽부터 김용석 센터장, 김동균·박성민 선임연구원).

한국화학연구원은 김용석·김동균·박성민 박사 연구팀이 자가치유와 재활용이 가능한 '4D 프린팅용 형상기억 비트리머' 신소재를 개발했다.

비트리머는 열경화성 고분자의 화학적 안정성과 열가소성 고분자의 가공성을 모두 갖춘 소재로 이번에 개발된 형상기억 비트리머 소재는 4D 프린팅 기술을 활용한 맞춤형 의료기기, 소프트 로봇, 형상가변 전자기기 등에 응용 가능하다.

4D 프린팅은 외부 자극에 스스로 반응하는 스마트 소재로, 프린팅된 3차원 구조체가 특정 조건 아래서 스스로 변형을 일으키는 기술로 3D 프린팅에 자가변환 및 자기조립 등이 추가된 개념이다.

4D 프린팅 분야에서 형상기억 고분자는 초기 고분자형태를 기억해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아오게 하는 핵심소재다.

그동안 각 국에서 4D 프린팅용 형상기억 고분자 신소재 개발에 나섰지만 단량체·가교제의 과다 사용 및 프린팅 공정상 손실 등의 문제를 해결하지 못했고 3D 프린팅 과정에서 가교(화학결합 반응)된 소재를 재활용할 수 있는 기술개발에도 어려움을 겪어 왔다.

이번에 화학연구원 스마트화학소재 4D 프린팅 연구단은 3D 프린팅용 필라멘트 소재로 활용되고 있는 상용 고분자에서 2차례 기능성 가교반응을 통해 형상기억 비트리머 신소재를 합성했다.

필라멘트는 3D 프린터에 사용되는 열가소성 고분자 재료로 직경 1.75㎜ 안팎의 가느다란 선형형태로 가공된 소재다.

연구팀은 가교구조 제어를 통해 형상기억 비트리머 소재의 형상기억-회복 특성을 조절하고 열에 의한 자가치유 및 재성형 등 다양한 기능을 가진 신소재를 개발하는데 성공했다.

또 개발 신소재 검증에 나서 필름 형태의 소재에 흠집을 낸 후 고온 열처리해 30분만에 자가치유되는 것을 확인했다.

특히 잘게 부서진 필름형태의 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래의 상태로 환원시켜 재활용이 가능한 것도 검증했다.

개발된 신소재를 필라멘트 압출기에 넣으면 깨끗한 필라멘트를 얻을 수 있고 3D 펜을 사용해 형상기억 및 회복이 가능한 3D 구조체를 간단하게 제조할 수도 있다.

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 2021년 12월호 표지논문으로 게재됐다.(논문명:상용 폴리카프로락톤의 네트워크 구조제어를 통해 제조한 수리 및 재활용 가능 4D 프린팅용 형상기억 비트리머 소재)

화학연 이미혜 원장은 "이번에 개발된 기술은 값싼 상용 고분자로부터 고부가가치 형상기억 비트리머 소재를 합성하는 플랫폼 기술"이라며 "맞춤형 의료기기 등 다양한 응용분야에 폭넓게 활용될 수 있길 기대한다"고 말했다.

충청비즈  cbiz0419@naver.com

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