3D 프린팅 기술은 복잡하고 정밀한 제품을 쉽게 생산할 수 있어 주목 받아왔는데 자가 치유 등 다양한 기능을 부여하는 기술은 결과물의 출력 속도와 정밀도가 떨어져 실생활에 중요한 제품을 생산하기 어려웠다.
국내 연구팀이 자가 치유 성능도 높이면서 빠른 출력 속도, 높은 정밀도까지 확보한 3D 프린팅 소재 개발에 성공했다.
한국화학연구원(원장 이영국) 이원주·유영창·안도원 박사 연구팀은 서울대 권민상·부산대 백현종 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 기존 기술보다 100배 정밀하고 5배 빠르게 출력하면서도 2배 빠르게 자가 치유되는 가시광선 활용 다기능성 3D 프린팅 소재를 내놓았다.
연구팀이 개발한 신소재는 앞으로 친환경 3D 프린팅 소재나 맞춤형 의료기기, 소프트 로봇 등 미래 전자 소재 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
3D 프린팅 기술은 그동안 보석, 치과용 보철 재료 등 정밀하고 복잡한 물질의 형상만을 만드는 분야에 주로 적용된다. 새로운 산업 분야에 널리 적용하기 위해서는 다양한 기능을 갖는 새로운 소재를 개발해야 한다.
많은 연구자가 자가 치유, 분해 성능 등 여러 기능을 가진 3D 프린팅 소재 개발을 추진 중이다. 특히 빛에 반응하는 스마트 소재는 소프트 로봇이나 맞춤형 의료기기, 가변형 전자기기 등 많은 미래 소재의 핵심 부품으로 사용될 수 있는데 아직 개발 초기 단계이다.
기능까지 부여된 3D 프린팅 기술의 원료는 두 가지 소재, 즉 △프린터의 잉크처럼 출력물을 만드는 소재 △출력물에 자가 치유와 같은 기능을 부여하는 소재가 필요하다.
일반적으로 결과물 출력을 위해 상대적으로 에너지가 높은 자외선이 광원으로 사용되는데, 문제는 새로운 기능을 부여하는 소재에도 자외선을 광원으로 활용한다는 것이다.
대략 300~400나노미터(nm) 범위의 자외선을 광원으로 활용하면 결과물 출력 공정과 기능 부여 공정에서 일부 동일한 파장이 경쟁적으로 흡수돼 효율적 빛 반응을 방해한다. 결과적으로 출력물의 정밀성이나 출력 속도가 떨어지는 문제점이 발생한다.
연구팀은 출력 성능 극대화하기 위해 자외선보다 긴 파장인 가시광선을 활용하는 ‘출력 소재’를 개발했다. 동시에 기능성 발현을 위해 기존에 알려진 빛 반응 물질의 구조를 변경해 새로운 ‘기능성 소재’를 개발해 파장 중복 문제를 해결했다.
대부분의 3D 프린팅 소재는 405nm(나노미터) 영역대의 빛으로 결과물을 출력한다. 기능성 소재 구현을 위한 빛의 영역대와 중복돼 출력 성능이 떨어지는 문제를 해결하기 위해 연구팀은 더욱 긴 파장의 가시광선 빛 620nm 영역대의 빛으로 출력할 수 있는 방법을 찾았다.
이렇게 제작된 3D 프린팅 소재는 기존의 소재와 비교했을 때 100배의 정밀도와 5배의 출력 속도 등 월등한 성능 차이를 보였다. 이는 종이 프린터의 잉크처럼 기능 없이 결과물 출력만을 위해 이미 널리 사용되고 있는 상용화 제품과 비교해도 동등한 출력 수준일 정도로 우수하다.
3D 프린팅 결과물에 자가 치유 등의 기능을 구현하기 위해 기존 기술의 영역대인 405nm(나노미터) 보다 넓은 빛 파장인 405~450nm(나노미터) 영역대인 가시광선에도 반응하는 새로운 광반응성 유기화합물 소재를 개발했다.
결과적으로 10분 이내에 손상된 표면이 복구되는 자가 치유 성능을 보였는데 이는 기존 다기능성 3D 프린팅 소재 대비 2배 빠른 수준이다.
이영국 화학연 원장은 “이번 기술 개발을 계기로 후속 연구와 소재 분야 기업과 적극적 협업을 통해 우리나라가 글로벌 기능성 3D 프린팅 시장에서 핵심기술을 선점할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
연구 결과(논문명: Visible-light-driven rapid 3D printing of photoresponsive resins for optically clear multifunctional 3D objects)는 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 5월호 표지논문으로 선정됐다.
