펜으로 그린 그림이 3D로 변한다..'4D 프린팅기술' 세계 최초 개발

- 서울대·UNIST 공동연구팀, 잉크가 물에 뜨는 현상에서 착안
- 대량 인쇄 가능한 '롤투롤 3차원 공정기술'도 개발

2차원-3차원 구조변형의 상상도.[서울대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 펜으로 그린 그림을 3차원 입체 구조물로 변환하는 4D 프린팅 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

서울대 공과대학은 전기정보공학부 권성훈 교수가 울산과학기술원(UNIST) 김지윤 교수와의 공동연구를 통해, 잉크 펜과 물만으로 빠르고 간편하게 3차원 구조물을 제작할 수 있는 새로운 방식의 4D 프린팅 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

3D 프린터는 원하는 3차원 구조물을 직접 만들 수 있다는 장점 때문에 4차 산업혁명을 이끌 기술로 주목받고 있다. 하지만 현재 상용화된 대부분의 3D 프린터는 층층이 쌓아 나가는 적층 방식을 사용함으로 여전히 일반적인 2차원 프린터에 비해 느리고 비싸다는 한계가 있다.

4D 프린팅은 초기 출력된 물체에 외부 자극을 가해 다른 모양으로 변형시킬 수 있는 기술로, 출력이 쉬운 단순한 형태의 구조를 더 복잡한 형태로 변형시킬 수 있다. 이를 적용하면 빠르고 간편하게 3차원 구조물을 제작할 수 있어 차세대 입체 제작 기술로 주목받고 있다. 그러나 현재까지 개발된 4D 프린팅 기술은 형상기억합금과 같은 특수한 지능성 소재를 활용해야 하며 여전히 3D 프린터를 이용하기 때문에 접근성이 낮다.

좁은 공간속에서 3차원 구조변형.[서울대학교 제공]

공동연구팀은 2차원 인쇄 도구인 펜으로 자유롭게 그린 그림을 3차원 구조물로 변환시킬 수 있는 빠르고 간편한 4D 프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 기술을 이용하면 누구나 쉽게 펜과 용액만으로 3차원 입체 구조물을 만들 수 있다.

연구팀은 제작된 3차원 구조물을 강화해 실용성을 높이기 위해, 흔히 사용되는 보드마카 잉크에 철가루를 첨부하고 이 철가루에 의해 중합반응이 가능한 단량체와 촉진제를 섞어 사용했다. 순수한 물과 보드마카 잉크만으로도 같은 3차원 구조를 만들 수 있다.

이번 연구는 최근 중요성이 부각되는 STEM 교육 분야 활용에 유용할 것으로 보인다. 특별한 장비 없이 하이드로젤 기반의 3차원 구조를 손쉽게 만들 수 있어 ▷3차원 세포배양을 위한 스캐폴드 제작 ▷생체와 같이 유연한 성질을 가지는 소프트 로봇의 제작 등에도 활용할 수 있다. 전문 영역이 아니라도 누구나 3차원 프로토타이핑을 할 수 있어 3차원 구조 제작에 대한 일반인들의 접근성을 높일 수 있다.

연구팀은 연속적인 대량 인쇄를 위해 사용되는 2차원 인쇄기술인 롤투롤 공정에 이번에 개발한 4D 프린팅 방식을 접목한 ‘롤투롤 3차원 공정기술’도 개발했다. 공동연구를 진행한 김지윤 교수는 ”대량생산이 어렵던 3차원 프린팅에 2차원 인쇄 기술을 결합함으로써 3차원 대량생산의 새로운 가능성을 제시했다”고 설명했다.

왼쪽부터 서울대학교 생명공학공동연구원 송서우 박사, 서울대학교 전기정보공학부 이수민 연구원, 권성훈 교수, UNIST 신소재공학부 김지윤 교수.[서울대학교 제공]

상용화된 3D 프린터는 3차원 구조물 1개를 제작하는 데 약 1시간이 소요된 반면 비슷한 구조물을 이번 연구에서 제작 실험한 결과 30분간 60개의 구조물을 생산할 수 있었다. 시스템을 발전시키면 생산 규모는 더욱 확장 가능할 전망이다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴스’ 3월 24일(현지 시간) 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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