서울대 공대, 펜으로 그리는 4D 프린팅 기술 개발

최종근 기자
입력 2021.03.26 19:01
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펜으로 그린 그림을 3차원 입체 구조물로 변환하는 4D 프린팅 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

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

2차원 펜 그림이 3차원 구조로 변환되는 원리. 인포그래픽=서울대학교 공과대학 제공

3D 프린터는 원하는 3차원 구조물을 직접 만들 수 있다는 장점 때문에 4차 산업혁명을 이끌 기술로 주목받고 있으나, 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 4D 프린팅 기술은 3D 프린팅을 넘어 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.

이에 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.

이번 연구에서는 제작된 3차원 구조물을 강화해 실용성을 높이기 위해 흔히 사용되는 보드마카 잉크에 철가루를 첨부하고 이 철가루에 의해 중합반응이 가능한 단량체(monomer, poly(ethylene glycol) diacrylate)와 촉진제(initiator, Potassium persulfate)를 섞어 사용했으나, 순수한 물과 보드마카 잉크만으로도 같은 3차원 구조를 만들 수 있다.

2차원-3차원 구조 변형 과정과 시뮬레이션을 통한 구조 예측 인포그래픽=서울대학교 공과대학 제공

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.

공동1저자인 이수민 석박사통합과정 연구원은 “보드마카로 그린 그림이 물에 떠오르는 현상을 그냥 넘기지 않고 흥미롭게 생각했기에 3차원 구조 제작 기술로 발전시킬 수 있었다”고 말했다.

이번 연구 내용은 최근 중요성이 부각되는 STEM(Science, Technology, Engineering, Mathematics) 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.

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.

이번 연구 논문은 세계적 권위의 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’에 3월 24일(현지 시간) ‘Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings’라는 제목으로 게재됐다. 연구수행은 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 이루어졌다.