부산대 안석균 교수팀, 습도 조절만으로 움직이는 액정 탄성체 합성해 4D 프린팅 적용 첫 성공
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부산대 안석균 교수팀, 습도 조절만으로 움직이는 액정 탄성체 합성해 4D 프린팅 적용 첫 성공
  • 대학지성 In & Out 기자
  • 승인 2021.05.04 23:08
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- 상온에서 습도 변화만으로 가역적·반복적 구동 가능
- 국제 학술지 『스몰(Small)』 게재…“연성 액추에이터·로봇, 스마트 섬유 등 활용 기대”
 안석균 교수(교신저자), 김금비, 궈위엔항, 배재희(공동제1저자)

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.

이에 최근 부산대학교 연구진이 상온에서 습도 조절만으로도 원하는 모양으로 변형 가능한 액정 탄성체(액정 분자들이 유연한 고분자 사슬에 결합한 뒤 약한 가교결합을 하고 있는 고분자)를 합성하고, 이를 4D 프린팅에 적용한 기술을 처음 개발했다. 4D 프린팅 기술은 3D 프린터에 의해 형성된 구조체를 외부자극을 이용해 시간에 따라 변형시키는 기술로 4D란, 기존의 3차원(3D) 기술에 ‘시간’이라는 1차원(1D)이 추가됨을 뜻한다. 어떤 환경에서 변형을 줄지는 사용자가 미리 프로그래밍할 수 있다. 

향후 연성 액추에이터(작동기)나 로봇, 스마트 섬유 등 다양한 분야에의 활용이 기대된다. 가령, 이 재료로 만든 4D 프린팅 그리퍼(집는 도구)는 습도를 높이면 물체를 잡고, 습도를 낮추면 물체를 내려놓는다. 

부산대학교(총장 차정인)는 응용화학공학부 안석균 교수 연구팀이 새로운 스마트 소재인 액정 탄성체를 합성하고, 이를 4D 프린팅 기술에 적용시키는 데 성공했다고 4일 밝혔다. 

상온에서 습도 조절만으로 구동될 수 있는 액정 탄성체 합성기술과 3D 프린팅 기술을 접목시킨 최초의 연구성과로, 최근 떠오르고 있는 4D 프린팅 기술을 위한 신규 스마트 원천소재를 개발했다는 점에서 의미가 있다. 

부산대 안석균 교수 연구팀의 이번 연구 성과는 소재분야의 세계적인 학술지 『스몰(Small)』 온라인판 5월 2일자에 게재됐다.

* 논문 제목: 습도감응형 액정 탄성체 액추에이터의 4D 프린팅(4D Printing of Hygroscopic Liquid Crystal Elastomer Actuators)
* 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202100910 
* DOI: 10.1002/smll.202100910

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 배향(막대기 모양의 분자나 나노파티클이 일정한 방향으로 배열돼 있는 것) 제어를 통해 고체상에서도 원하는 모양으로 최대 400%의 가역적 형상변화가 가능하다는 점에서 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 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(direct-ink-writing: 2차원 프린팅 공정에서 흔히 사용되는 고점도 잉크를 토출해 구조물을 제작하는 3D 프린팅 공정) 방식의 3D 프린팅 공정에 액정 탄성체의 전구체(precursor, 선행물질)인 액정 올리고머(소중합체)를 잉크로 활용해 다공성 구조체, 꽃, 그리퍼(gripper, 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. 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.

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. 또한 같은 응용화학공학부의 현규 교수와 송형용 박사 그리고 한국화학연구원의 박성민 박사가 공동저자로 참여했다.

액정 탄성체(LCE)의 3D 프린팅 공정 개념도와 프린팅 된 구조체의 습도 구동
예시: (a) 직접잉크쓰기(DIW)와 광경화에 의한 액정 탄성체 3D 프린팅 공정 개념도 및 액정 탄성체의 화학구조, (b) 꽃모양으로 프린팅 된 액정 탄성체를 직교된 편광판 사이에서 관찰한 이미지(좌) 및 습도구동(우), (c) 동심원 사각형 배열로 프린팅 된 액정 탄성체를 직교된 편광판 사이에서 관찰한 이미지(좌) 및 습도구동(우), (d) 집게(gripper)모양으로 프린팅 된 액정 탄성체를 직교된 편광판 사이에서 관찰한 이미지(좌) 및 습도조절에 의한 물체운반 예시(우). 

 


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