한국화학연구원(이하 화학연)이 정유공장에서 버려지는 황을 활용해 스스로 움직이고 재활용까지 가능한 순환형 4차원(4D) 프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다.
화학연 김동균 책임연구원은 한양대 위정재 교수, 세종대 김용석 교수와 공동연구로 황 고분자로 온도와 빛, 자기장에 반응하는 4D 프린팅 기술을 구현했다고 4일 밝혔다.
정유공정에서 발생하는 황 부산물은 2024년 기준 세계적으로 8500만 톤에 달한다.
연구팀은 이처럼 막대한 양의 폐기물을 새로운 자원으로 활용하기 위해 ‘황 플라스틱’에 주목했다.
황 플라스틱은 일반 플라스틱이 차단하는 적외선을 통과시키고 중금속을 흡착하는 성질이 있어 광학 렌즈나 수질정화 소재로 활용 가치가 높다.
그러나 황 플라스틱은 내부 그물구조가 너무 촘촘해 유동성이 낮았고, 때문에 3D 프린팅 노즐을 통해 정교한 모양을 뽑아내기 어려웠다.
연구팀은 내부 그물구조를 느슨하게 설계해 복잡한 모양도 손쉽게 출력할 수 있는 새로운 소재를 개발해 이 문제를 해결했다.
연구팀은 황 함량과 그물 구조를 정교하게 조절해 온도나 빛 같은 외부 자극에 따라 형태가 변하는 형상기억 기능을 부여, 별도 장치 없이 소재 자체가 스스로 형태를 바꾸는 지능형 구조체를 구현했다.
특히 특수 레이저를 8초간 비추면 소재 내부 결합이 끊어졌다가 다시 이어지는 용접 현상을 활용해 접착제 없이도 레고 블록처럼 복잡한 구조물을 조립할 수 있다.
연구팀은 황 플라스틱에 철가루를 20% 혼합해 별도 동력 없이 움직이는 1cm 이하 크기의 소프트 로봇을 개발했다.
이 로봇은 형상기억 능력에 철가루의 자기장 반응이 더해지면서 자석의 움직임을 따라 보다 정교한 동작을 수행한다.
아울러 화학실험 자동화 캡슐 로봇은 설정한 50℃에 도달하면 스스로 뚜껑을 열어 촉매를 방출하고, 자석 힘으로 회전하며 용액을 섞어 60분 만에 반응을 끝내는 기능을 갖췄다.
이번 기술로 제작한 4D 구조물은 사용 후 다시 녹여 프린팅 원료로 100% 재사용할 수 있다.
김동균 한국화학연구원 책임연구원은 "산업 부산물 황을 첨단 로봇 재료로 업사이클링한 최초 사례"라며 "스스로 움직이고 재활용까지 가능한 스마트 소재는 미래 소프트 로봇과 자동화 산업 핵심 동력이 될 것"이라고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 지난해 11월 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 표지논문으로 선정됐다.
(논문명: 자율 작업 실행을 위한 다중 자극 반응형 고황 함유 고분자 복합소재의 닫힌 고리 재활용 및 지속 가능한 4D 프린팅(Closed-Loop and Sustainable 4D Printing of Multi-Stimuli-Responsive Sulfur-Rich Polymer Composites for Autonomous Task Execution) / 저자 김동균 책임연구원(화학연, 교신저자), 김용석 교수(교신저자, 세종대), 위정재 교수(교신저자, 한양대), 황재혁 박사후연구원(화학연, 공동1저자), 원수경 박사후연구원(한양대, 공동1저자))
