▲ 2차원 펜 그림이 3차원 구조로 변환되는 원리

잉크펜으로 그린 그림을 물만으로도 3차원 입체 구조물로 변환하는 4D 프린팅 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

서울대 공과대학(학장 차국헌)은 전기·정보공학부 권성훈 교수가 울산과학기술원(UNIST) 김지윤 교수와의 공동연구를 통해 빠르고 간편하게 3차원 구조물을 제작할 수 있는 새로운 방식의 4D 프린팅 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

3D프린팅은 3차원 구조물을 직접 만들 수 있다는 장점 때문에 4차 산업혁명을 이끌 기술로 주목받고 있으나, 소재를 층층이 쌓아 나가는 방식이어서 일반 2차원 프린터에 비해 느리고 비싸다는 한계가 있다.

4D프린팅은 초기 출력된 물체에 외부 자극을 가해 다른 모양으로 변형시킬 수 있는 기술로, 이를 적용하면 빠르고 간편하게 3차원 구조물을 제작할 수 있다. 그러나 현재까지 개발된 4D 프린팅 기술은 형상기억합금과 같은 특수한 지능성 소재를 활용해야 하기 때문에 접근성이 낮다.

이에 공동연구팀은 2차원 인쇄 도구인 펜으로 누구나 쉽게 3차원 구조물로 변환시킬 수 있는 빠르고 간편한 4D 프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다. 흔히 사용되는 보드마카 잉크에 철가루를 첨부하고 이 철가루에 의해 중합반응이 가능한 단량체(monomer, poly diacrylate)와 촉진제(initiator, Potassium persulfate)를 섞어 사용해 순수한 물과 보드마카 잉크만으로도 같은 3차원 구조를 만들 수 있다.

이를 통해 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 있을 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 연속적인 대량 인쇄를 위해 사용되는 2차원 인쇄기술인 롤투롤 공정에 이번에 개발한 4D 프린팅 방식을 접목한 ‘롤투롤 3차원 공정기술’도 개발했다. 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.

논문의 제1저자인 송서우 박사는 “이번 연구에서 개발된 4D 프린팅 방식은 입체 제작 기술의 획기적인 발전으로, 이미 널리 사용되는 2차원 프린터를 이용해 3차원 구조물을 만들 수 있는 방법을 제시한 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 논문은 세계적 권위의 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’에 3월24일 ‘Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings’라는 제목으로 게재됐다. 연구수행은 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 이루어졌다.