[한국기술뉴스] 부산대학교 응용화학공학부 안석균 교수 연구팀이 새로운 스마트 소재인 액정 탄성체를 합성하고, 이를 4D 프린팅 기술에 적용시키는 데 성공했다.

4D 프린팅 기술은 3D 공간에 시간 개념을 추가한 것으로, 3D 프린터에 의해 출력된 구조체가 외부환경에 반응하면서 시간에 따라 형태나 기능성이 변할 수 있다. 즉, 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 가능하다는 점에서 형상기억고분자와 하이드로겔 소재와 차별화된 장점이 있다. 

이러한 온도감응형 소재의 한계를 극복하고 저비용으로 무해하며, 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 전구체인 액정 올리고머를 잉크로 활용해 다공성 구조체, 꽃, 그리퍼 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. 특히 “새롭게 개발된 4D 프린팅용 스마트 소재기술이 차세대 연성 액추에이터 및 로봇, 스마트 의류·신발, 스마트 건축물 개발 등에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.

연구결과는 소재분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 5월 2일 게재됐다.