부산대 안석균 교수팀, 프린팅 속도로 분자 배열 90도 전환하는 액정탄성체 3D 프린팅 기술 개발

하나의 소재에서 신장 최대 28%·수축 31% 선택 구현… 네이처 커뮤니케이션즈에 게재

부산대학교는 응용화학공학부 안석균 교수 연구팀이 프린팅 속도와 온도에 따라 액정탄성체의 분자 배열 방향을 전환해, 복잡한 프린팅 경로나 여러 소재를 사용하지 않고도 하나의 소재에서 신장과 수축을 자유롭게 설계할 수 있는 3D 프린팅 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

액정탄성체(LCE)는 고무처럼 유연한 고분자에 액정분자의 방향성이 결합된 스마트 소재다. 열이나 빛 같은 외부 자극을 받으면 정해진 방향으로 늘어나거나 줄어드는 특성이 있어 소프트 로봇, 인공근육, 스마트 표면 등에 활용될 수 있다. 다만 기존 액정탄성체 3D 프린팅에서는 액정분자가 주로 프린팅 방향을 따라 배열됐기 때문에, 하나의 프린팅 구조 안에서 신장과 수축처럼 서로 반대되는 움직임을 동시에 구현하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이 한계를 층상구조를 갖는 스멕틱 액정의 독특한 유동 특성에서 해결했다. 스멕틱 액정은 분자들이 층을 이루며 배열되는 특징이 있는데, 연구팀은 이 층상구조가 프린팅 속도와 온도에 따라 유지되거나 무너지면서 액정분자의 배열 방향이 바뀌는 현상에 주목했다.

그 결과 연구팀은 같은 소재와 같은 프린팅 경로에서도 위치별 공정조건을 달리해 분자 배열 방향을 약 90도 전환할 수 있음을 확인했다. 실제로 한 가닥의 액정탄성체 필라멘트가 가열될 때 최대 약 28% 늘어나거나 약 31% 수축하도록 변형 방향과 크기를 조절하는 데 성공했다. 기존 기술이 주로 얼마나 많이 수축할 것인가를 조절했다면, 이번 기술은 한 단계 더 나아가 늘어날 것인지 줄어들 것인지라는 움직임의 방향 자체를 프로그래밍할 수 있게 한 것이다.

연구팀은 이 원리를 활용해 단순한 프린팅 경로에서도 다양한 입체 형상변형을 구현했다. 프린팅 조건을 위치별로 조절하자 구조물이 가열될 때 안장 형태나 원뿔 형태로 변하거나, 격자 구조가 팽창·수축하는 등 복잡한 움직임을 나타냈다.

연구팀은 나아가 액정탄성체와 형상기억고분자(SMP)를 결합해 가변표면 액추에이터도 제작했다. 형상기억고분자는 온도에 따라 단단함이 크게 변하는 고분자로, 변형된 모양을 일시적으로 고정하거나 다시 원래 형태로 되돌리는 데 활용된다. 위치별 프린팅 속도를 미리 다르게 설정하자, 평평한 표면은 근적외선 빛을 받았을 때 광열 효과로 가열되며 물결무늬, 골프공 딤플, 사람 얼굴과 같은 3차원 형상으로 변했다. 만들어진 형상은 일시적으로 고정할 수 있었고, 이후 다시 원래의 평평한 상태로 되돌릴 수도 있었다.

안석균 교수는 이번 연구는 3D 프린팅 경로를 복잡하게 설계하지 않고도 공정조건만으로 액정분자의 배열 방향을 전환할 수 있다는 점이 핵심이라며, 소재의 조성이나 프린팅 경로가 아니라 프린팅 조건 자체를 새로운 설계변수로 활용했다는 데 의미가 있다고 설명했다. 이어 이를 통해 하나의 소재 안에서 서로 반대되는 움직임을 자유롭게 배치할 수 있어, 향후 필요할 때 버튼이나 돌기가 나타나는 촉각·햅틱 인터페이스, 자동차나 드론 표면의 요철을 바꿔 공기 흐름을 조절하는 스마트 표면, 소프트 로봇, 인공근육 액추에이터 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 부산대 응용화학공학부 이진형 박사가 제1저자로 참여했으며, 안석균 교수와 미국 오크리지국립연구소의 얀-마이클 Y. 카리요 박사가 공동 교신저자로 연구를 이끌었다. 연구 성과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 7월 10일 게재됐으며, 논문 제목은 ‘3D 프린팅된 스멕틱 액정 엘라스토머의 배향 전환(Alignment switching in 3D-printed smectic liquid crystal elastomers)’이다.

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