□ 전세계적으로 4D 프린팅 기술에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데, 국내 연구진이 4D 프린팅용 고분자 신소재를 개발하는데 성공했다.

  ○ 한국화학연구원(원장 이미혜) 김용석·김동균·박성민 박사 연구팀은 최근 발표된 연구에서 자가치유 및 재활용이 가능한 4D 프린팅용

      형상기억 비트리머* 신소재를 개발했다. 
      * 열경화성 고분자의 화학적 안정성과 열가소성 고분자의 가공성을 모두 갖춘 신소재

  ○ 연구팀이 개발한 형상기억 비트리머 소재는 4D 프린팅 기술을 활용한 맞춤형 의료기기, 소프트 로봇, 형상가변 전자기기 등에 응용할 수

      있을 것으로 기대된다.

□ 4D 프린팅은 3D 프린팅에 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 4D 프린팅 분야에서 형상기억 고분자는 초기의 고분자 형태를 기억하여, 적절한 자극에 의해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아오는

      스마트 고분자 핵심소재이다.

  ○ 한편 향후 3D/4D 프린팅 시장이 확대되면 전세계적으로 다량의 가교 고분자 폐기물이 축적될 것으로 전망되어, 기존에 구축된 3D 프린팅 공정에

      바로 적용가능한 ‘재활용 가능 다기능성 고분자 소재’ 개발이 시급한 상황이다.

  ○ 그동안 전 세계 연구진이 4D 프린팅용 형상기억 고분자 신소재 개발에 나섰지만, 단량체·가교제의 과다 사용 및 프린팅 공정상 손실 등의 단점을

      극복하지 못하였고, 3D 프린팅 과정에서 가교*된 소재를 손쉽게 재활용할 수 있는 기술 개발의 문턱 또한 넘지 못했다.
      * 서로 다른 선형 고분자 사슬들 사이를 다른 사슬로 연결하는 화학결합 반응으로, 그물과 같은 망상 구조를 형성하는 과정

□ 이에 한국화학연구원 연구팀(과학기술정보통신부 지정 ‘스마트화학소재 4D 프린팅 연구단’)은 현재 3D 프린팅용 필라멘트* 소재로 활용되고 있는

    상용 고분자의 2차례 기능성 가교반응을 통해 형상기억 비트리머 신소재를 합성했다.
     * 3D 프린터에 사용되는 열가소성 고분자 재료로, 직경 1.75 mm 내외의 가느다란 선형 형태로 가공된 소재

  ○ 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 가교 구조를 지니고 있음에도 잘 게 부서진 필름형태의 소재를 고온에서 강한 압력으로 찍어내는 프레스 공정을 통해 원래의 상태로 되돌려

      재활용할 수 있게 되었다.

  ○ 또한 필라멘트 압출 성형 및 4D 프린팅도 가능하다. 신소재를 필라멘트 압출기에 넣어주면 깨끗한 필라멘트를 얻을 수 있으며, 3D 펜을 사용하여

      형상기억 및 회복이 가능한 3D 구조체를 간단하게 제조할 수 있다.

  ○ 이번 기술 개발로, 소재 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 4D 프린팅 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.

  ○ 화학연 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.”라고 말했다.

□ 이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 2021년 12월호 표지논문으로 게재됐다.

  ○ 또한 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 소재융합혁신기술개발사업, 미래기술연구실 사업, 한국화학연구원 주요사업의 지원을

      받아 수행됐다.