▲ 박근 연구팀이 일반 열가소성 수지(ABS)로 4D프린팅한 형상. 열을 가하면 별 모양이 꽃받침 형태로 바뀐다.

국내 연구진이 형상기억 기능이 없는 일반 열가소성 필라멘트를 종횡 방향으로 3D프린팅해 열을 가하는 시간에 따라 모양이 변하는 4D프린팅 기술을 개발했다. 일반 소재와 장비로도 형상기억 기능이 발휘될 수 있어 재활기구 등 개인 맞춤형 도구 제작에 활용 확대가 기대된다.

서울과학기술대 기계시스템디자인공학과의 박근 교수와 구본아, 홍채희 연구원 연구팀은 최근 형상기억 기능이 없는 열가소성 수지를 이용한 4D프린팅 기술을 개발했다.

형상기억수지는 물질이 만들어진 처음 상태와 같은 조건(온도, 빛, 습도 등)을 만들어 주면 본래의 모양으로 되돌아가는 고분자 소재로 의료용 기기, 차체 부품 등에 활용이 기대되고 있다. 3D프린팅 분야에서는 형상기억수지나 합금을 활용해 일정 조건과 시간에 따라 형상이 변화하는 4D프린팅 기술개발이 한창이다. 그러나 형상기억수지를 사용하려면 소재와 3D프린터가 제한적이어서 확산이 힘들었다.

이에 박근 연구팀은 일반 열가소성 필라멘트(ABS)와 재료압출(ME, FDM) 방식 3D프린터로 가로와 세로로 순차적으로 연속 적층해 형상기억 효과를 나타내는 기술개발에 나섰다. 연구진은 가로와 세로로 인쇄 된 층의 열 변형의 차이를 응용했다.

이방성 열변형을 활용해 0.2mm 두께로 총 8개의 층을 가로·세로 방향으로 적층했는데 열을 받게 되면 잔류응력 차이로 인해 세로 방향으로 인쇄 된 시편은 길이가 감소하고 폭이 증가하는 변형이 발생하는 반면, 가로로 인쇄 된 시편은 길이가 증가하고 폭이 감소하는 반대 변형이 이뤄지게 된다.

연구진이 실제로 별모양의 형상을 3D프린팅한 후 150℃에서 15분간 열처리한 결과 예상대로 꽃 받침 형태로 변화한 것으로 나타났다.

이번에 개발된 4D프린팅 기술은 형상기억수지와 달리 변형한 뒤에는 원래 상태로 돌아가지 않기 때문에 재활 기구 등 개인 맞춤형 도구 제작에 유용할 것으로 기대되고 있다.

박근 교수는 “향후에는 헤어드라이어처럼 일상 도구로도 쉽게 변형을 유도할 수 있도록 반응온도를 낮추는 연구도 병행할 예정”이라며 “3D프린팅은 비싸고 복잡하다는 고정관념을 깨고 더 많은 어플리케이션을 발굴할 수 있도록 다양한 연구를 추진하겠다”고 밝혔다.

한편 이번 연구결과는 재료공학 학술지 ‘머티리얼스 앤 디자인(Materials & Design)’ 3월호에 게재됐다.