한국화학연구원은 이원주·유영창·안도원 박사 연구팀이 권민상 서울대 교수, 백현종 부산대 교수 연구팀과 함께 기존 기술보다 100배 정밀하고 5배 빠르게 출력하면서도 2배 빠르게 자가치유되는 가시광선 활용 다기능성 3D 프린팅 소재를 개발했다고 10일 밝혔다.
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많은 연구자들이 자가치유, 분해 성능 등 여러 기능을 가진 3D 프린팅 소재 개발을 추진했지만 개발 초기 단계에 머물렀다. 기능까지 부여된 3D 프린팅 기술 원료는 프린터 잉크처럼 출력물을 만드는 소재와 출력물에 자가치유 같은 기능을 부여하는 소재가 필요하다.
일반적으로 결과물을 출력하려면 상대적으로 에너지가 높은 자외선이 광원으로 사용한다. 문제는 새 기능을 부여하는 소재에도 자외선을 광원으로 활용한다는 것이다. 대략 300~400나노미터(nm) 범위의 자외선을 광원으로 활용하면 결과물 출력 공정과 기능 부여 공정에서 동일한 파장이 경쟁적으로 흡수돼 효율적인 빛 반응을 방해하고, 출력물의 정밀성이나 출력 속도도 떨어졌다.
연구팀은 출력 성능 극대화하기 위해 자외선보다 긴 파장인 가시광선을 활용하는 ‘출력 소재’를 개발하고, 기능성 발현을 위해 기존에 알려진 빛 반응 물질의 구조를 변경해 파장 중복 문제를 해결했다.
대부분의 3D 프린팅 소재는 405nm(나노미터) 영역대의 빛으로 결과물을 출력한다. 기능성 소재 구현을 위한 빛의 영역대와 중복돼 출력 성능이 떨어지는 문제를 해결하기 위해 연구팀은 더 긴 파장의 가시광선 빛 620nm 영역대의 빛으로 출력할 수 있는 방법을 찾았다.
이렇게 제작된 3D 프린팅 소재는 기존 소재 대비 100배의 정밀도와 5배의 출력속도를 나타냈다. 종이 프린터 잉크처럼 기능 없이 결과물 출력만을 위해 널리 쓰는 상용화 제품과 같은 출력 수준이다.
연구팀은 3D 프린팅 결과물에 자가치유 등의 기능을 구현하기 위해 기존 기술의 영역대인 405nm(나노미터) 보다 넓은 빛 파장인 405~450nm(나노미터) 영역대에도 반응하는 광반응성 유기화합물 소재도 개발했다. 결과적으로 10분 이내에 손상된 표면이 복구됐다.
이영국 화학연 원장은 “이번 기술 개발을 계기로 후속 연구와 소재 분야 기업과의 협업을 통해 우리나라가 글로벌 기능성 3D 프린팅 시장에서 핵심기술을 선점하기를 기대한다”고 말했다.
연구결과는 소재 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 5월호 표지 논문으로 선정됐다.
