▲ (左부터) 한국화학연구원 김동균 박사, 1저자 황재혁 박사후연구원이 정유공장에서 버려지는 황을 활용해 스스로 움직이고 재활용까지 가능한 순환형 4D 프린팅 기술 개발을 개발했다.

국내 연구진이 정유공장에서 발생하는 폐황을 활용해 스스로 움직이고 재활용까지 가능한 순환형 4D 프린팅 기술을 개발했다. 자원순환과 스마트 소재 기술을 동시에 구현한 이번 기술은 소프트 로봇과 자동화 산업 등 차세대 첨단 응용 분야에서 활용 가능성이 기대된다.

한국화학연구원은 김동균 박사와 한양대학교 위정재 교수, 세종대학교 김용석 교수 공동연구팀이 황 고분자를 기반으로 온도와 빛, 자기장 등 외부 자극에 반응하는 4D프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다고 4일 밝혔다.

정유공정에서는 대량의 황 부산물이 발생한다. 미국지질조사국(USGS)에 따르면 2024년 기준 전 세계 황 생산량은 약 8,500만 톤에 달하는 것으로 추정된다. 그러나 이 가운데 상당량은 활용처가 제한적이어서 산업 부산물로 남는 경우가 많다.

이 같은 문제의 대안으로 주목받는 소재가 ‘황 플라스틱’이다. 황 플라스틱은 폐황을 고부가가치 소재로 전환할 수 있는 대표적인 자원순환 소재다. 적외선을 투과하는 특성을 지녀 적외선 카메라 렌즈 소재로 활용될 수 있으며, 중금속을 흡착하는 특성 덕분에 수질 정화 분야에서도 활용 가능하다.

다만 기존 황 플라스틱은 내부 구조가 촘촘한 그물망 형태로 얽혀 있어 유동성이 낮다는 한계가 있었다. 이 때문에 노즐을 통해 정교한 구조를 구현하는 3D프린팅 공정에 적용하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 황 고분자의 내부 네트워크 구조를 느슨하게 설계했다. 이를 통해 복잡한 형상의 구조물을 안정적으로 출력할 수 있는 새로운 황 플라스틱 소재를 개발했다.

특히 황 함량과 내부 구조를 정밀하게 조절해 온도와 빛 등 외부 자극에 따라 형태가 변하는 ‘형상기억 특성’을 구현했다. 이를 기반으로 소재 자체가 스스로 형태를 바꾸는 4D프린팅 구조체를 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 특수 레이저를 활용한 접합 기술도 함께 개발했다. 약 8초 동안 레이저를 조사하면 소재 내부 결합이 순간적으로 끊어졌다가 다시 형성되며 ‘용접’ 효과가 나타난다. 이 방식은 별도의 접착제 없이도 프린팅된 구조물을 단단하게 결합할 수 있어 레고 블록처럼 복잡한 4D 구조물을 조립할 수 있다는 장점이 있다.

또한 연구팀은 황 플라스틱에 철가루를 약 20% 혼합해 자기장에 반응하는 기능을 추가했다. 이를 통해 외부 동력 없이 자석의 움직임을 따라 이동하는 1cm 이하 크기의 소프트 로봇도 구현했다. 형상기억 기능과 자기장 반응성이 결합되면서 정밀한 동작 제어가 가능해졌다는 설명이다.

이번 기술의 또 다른 특징은 ‘순환형 제조’ 개념을 구현했다는 점이다. 제작된 4D 구조물은 사용 후 다시 녹여 프린팅 원료로 재사용할 수 있어 100% 재활용이 가능하다.

김동균 한국화학연구원 박사는 “이번 연구는 산업 부산물인 황을 첨단 로봇 소재로 업사이클링한 첫 사례”라며 “스스로 움직이고 재활용까지 가능한 스마트 소재는 향후 소프트 로봇과 자동화 산업의 핵심 기술로 활용될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 Advanced Materials 2025년 11월호에 게재됐으며, 한국화학연구원 기본사업과 과학기술정보통신부, 미국 육군 국제기술센터의 지원을 받아 수행됐다.