고정밀 고출력 가시광선 반응 3D 프린팅 소재 개발

다기능성 3D 프린팅 소재를 개발한 화학연 연구팀(왼쪽부터 유영창 선임연구원, 안도원 선임연구원, 신상빈 학생연구원). (자료제공: 화학연)

한국화학연구원(원장 이영국)은 이원주·유영창·안도원 박사 연구팀이 서울대학교 권민상·부산대학교 백현종 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 기존 기술보다 100배 정밀하고 5배 빠르게 출력하면서도 2배 빠르게 자가치유 되는 가시광선 활용 다기능성 3D 프린팅 소재를 개발했다고 7월 10일 밝혔다.

연구팀이 개발한 신소재는 향후 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 본따는 분야에 주로 적용된다. 하지만 새로운 산업 분야에 널리 적용하기 위해서는 다양한 기능을 갖는 새로운 소재를 개발해야 한다. 이에 많은 연구자들이 자가치유, 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 있지만 아직 개발 초기 단계이다.

기능까지 부여된 3D 프린팅 기술의 원료는 두 가지 소재, 즉 프린터의 잉크처럼 출력물을 만드는 소재와 출력물에 자가치유와 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 300~400nm(나노미터) 범위의 자외선을 광원으로 활용하면, 결과물 출력 공정과 기능 부여 공정에서 일부 동일한 파장이 경쟁적으로 흡수되어 효율적인 빛 반응을 방해하고, 결과적으로 출력물의 정밀성이나 출력 속도가 떨어지는 문제점이 발생한다.

연구팀은 출력 성능 극대화하기 위해 자외선보다 긴 파장인 가시광선을 활용하는 ‘출력 소재’를 개발하였고, 이와 동시에 기능성 발현을 위해 기존에 알려진 빛 반응 물질의 구조를 변경하여 새로운 ‘기능성 소재’를 개발하여 파장 중복 문제를 해결하였다.

대부분의 3D 프린팅 소재는 405nm 영역대의 빛으로 결과물을 출력한다. 기능성 소재 구현을 위한 빛의 영역대와 중복되어 출력 성능이 저하되는 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 더욱 긴 파장의 가시광선 빛 620nm 영역대의 빛으로 출력할 수 있는 방법을 찾았다. 

이렇게 제작된 3D 프린팅 소재는 기존의 소재와 비교하여 100배의 정밀도와 5배의 출력속도 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. 또한 3D 프린팅 결과물에 자가치유 등의 기능을 구현하기 위해 기존 기술의 영역대인 405nm보다 넓은 빛 파장인 405~450nm 영역대 즉, 가시광선에도 반응하는 새로운 광반응성 유기화합물 소재를 개발했다. 결과적으로 10분 이내에 손상된 표면이 복구되는 자가치유 성능을 보였다. 이는 기존 다기능성 3D 프린팅 소재 대비 2배 빠른 수준이다.

한편 일정한 조건 하에서는 빛을 받은 부위만 분해되는 기능이 있다. 연구팀은 실제로 다기능성 3D 프린팅 제품 상용화를 목표로 이러한 다양한 기능을 발전시키는 후속 연구를 수행 중이다.

이영국 원장은 “이번 기술 개발을 계기로 후속 연구와 소재 분야 기업과의 적극적인 협업을 통해, 우리나라가 글로벌 기능성 3D 프린팅 시장에서 핵심기술을 선점할 수 있기를 기대한다”라고 말했다.

이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 신진연구자 지원사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구자 지원사업, 선도연구센터 지원사업(SRC, 전자전달 연구센터)의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 소재 분야 세계적인 학술지 ‘Advanced Materials’에 5월호 표지 논문으로 선정됐다.

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]