화학연, 폐황 활용해 스스로 움직이는 4D 프린팅 개발

세계 최초 황 플라스틱 3D 프린팅 성공

온도·빛·자석에 반응하는 기술 구현

(왼쪽부터)한국화학연구원 김동균 박사, 1저자 황재혁 박사후연구원.ⓒ한국화학연구원

국내 연구진이 정유공장에서 버려지는 황을 활용해 스스로 움직이고 재활용까지 가능한 순환형 4D 프린팅 기술 개발에 성공했다.

한국화학연구원은 김동균 화학연 박사와 위정재 한양대 교수, 김용석 세종대 교수 공동연구팀이 황 고분자로 온도·빛·자기장에 반응하는 4D 프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다고 4일 밝혔다.

정유공정에서는 다량의 ‘황 부산물’이 발생한다. 미국지질조사국(USGS)에 따르면 전 세계 황 생산량은 지난 2024년 기준 약 8500만t으로 추정되는데 이처럼 막대한 양의 황을 단순한 폐기물이 아닌 새로운 자원으로 활용할 수 있는 신기술 개발이 절실한 상황이다.

이러한 문제의 해결책으로 주목받는 것이 바로 황 플라스틱이다. 이 소재는 버려지는 황 부산물을 고부가가치 자원으로 재활용할 수 있는 대표적인 자원순환 소재로 주목받고 있다.

황 플라스틱은 일반 플라스틱이 투과하지 못하는 적외선을 통과시켜 적외선 카메라 렌즈 소재로 사용할 수 있고, 중금속을 흡착하여 수질 정화에도 활용가능하다.

따라서 환경오염 저감과 첨단산업 발전에 동시에 기여하는 친환경·자원순환형 소재로 평가받는다.

이런 장점에도 불구하고 그동안 황 플라스틱은 복잡한 모양을 만드는 3D 프린팅 기술에 적용하기가 매우 어려웠다.

소재 내부가 너무 촘촘하게 그물처럼 얽혀 있는 구조 탓에 유동성이 낮아 노즐을 통해 정교하게 뽑아낼 수 없었기 때문이다.

연구팀은 이 문제를 해결을 위해 내부 그물 구조를 느슨하게 설계함으로써 복잡한 모양도 손쉽게 프린팅할 수 있는 새로운 황 플라스틱을 개발했다.

특히 황 플라스틱의 황 함량과 그물 구조를 정교하게 조절해 온도나 빛 같은 자극에 모양이 변하는 형상기억이 가능한 ‘4D 프린팅’ 기술을 개발했다.

별도의 장치 없이 소재 자체가 스스로 형태를 바꾸는 지능형 구조체를 구현한 것이다.

또 특수 레이저를 8초간 비추면 그 에너지가 소재 내부의 결합을 순간적으로 끊었다가 다시 이어주는 ‘용접’ 역할을 한다.

따라서 접착제 없이도 조각들을 단단하게 붙일 수 있으며 마치 레고 블록을 조립하듯 정교하고 복잡한 4D 구조물을 출력할 수 있다.

더 나아가 연구팀은 이 황 플라스틱에 철가루를 20% 혼합해 별도의 동력 없이도 움직이는 일 센티미터(cm) 이하 크기의 소프트 로봇을 개발했다.

소재가 가진 형상기억 능력에 철가루의 자기장 반응 기능이 더해지면서 로봇은 자석의 움직임을 따라 보다 정교한 동작을 수행할 수 있게 됐다.

이번 기술의 핵심은 순환형 제조의 실현이다. 제작된 4D 구조물은 사용 후 다시 녹여 프린팅 원료로 100% 재사용할 수 있어 완벽한 자원 순환이 가능하다.

김동균 박사는 “연구는 산업 부산물인 황을 첨단 로봇 재료로 업사이클링한 최초의 사례로, 스스로 움직이고 재활용까지 가능한 스마트 소재는 미래 소프트 로봇 및 자동화 산업의 핵심 동력이 될 것”이라고 밝혔다.

연구 결과는 세계적 과학저널 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 지난해 11월 실렸다.