- 신장·수축 30% 내외 제어 성공…물결·얼굴 형상 등 나타났다 사라지는 가변표면으로 확장

- 햅틱 인터페이스·공기저항 제어용 스마트 표면·인공근육 등 활용 기대

3D 프린팅 속도만 바꿔 같은 소재 속 분자의 배열 방향을 90도로 전환하고, ‘신장’과 ‘수축’이라는 서로 반대되는 움직임을 선택적으로 구현하는 기술이 개발됐다. 이를 통해 하나의 소재만으로도 다양한 움직임과 형상변화를 프로그래밍할 수 있게 됐다.

부산대학교(총장 최재원)는 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 설계하는 3D 프린팅 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 연구팀은 이를 이용해 물결무늬, 골프공 패턴, 사람 얼굴 등이 나타났다 다시 사라지는 가변표면도 구현했다

액정탄성체(Liquid Crystal Elastomer, 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.

스멕틱 액정탄성체의 3D 프린팅 및 가변표면 액추에이터 예시(A) 3D 프린팅 공정조건(온도/속도)에 따른 액정배향 전환 개념도 (B) 근적외선 조사전후 가변표면 이미지(물결무늬 패턴)(C) 근적외선 조사전후 가변표면 이미지(골프공 딤플 패턴)(D) 근적외선 조사전후 가변표면 이미지(사람얼굴 형상)

기존 액정탄성체 3D 프린팅에서는 액정분자가 주로 프린팅 방향을 따라 배열됐다. 이 때문에 하나의 프린팅 구조 안에서 신장과 수축처럼 서로 반대되는 움직임을 동시에 구현하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이 한계를 층상구조를 갖는 ‘스멕틱(smectic) 액정’의 독특한 유동 특성에서 해결했다.

스멕틱 액정은 분자들이 층을 이루며 배열되는 특징을 갖는데, 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 것인가’를 조절했다면, 이번 기술은 한 단계 더 나아가 ‘늘어날 것인지, 줄어들 것인지’라는 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(saddle) 형태나 원뿔(cone) 형태로 변하거나, 격자 구조가 팽창·수축하는 등 복잡한 움직임을 나타냈다.

나아가 연구팀은 액정탄성체와 형상기억고분자(Shape Memory Polymer, SMP)를 결합해 ‘가변표면 액추에이터’도 제작했다. 형상기억고분자는 온도에 따라 단단함이 크게 변하는 고분자로, 변형된 모양을 일시적으로 고정하거나 다시 원래 형태로 되돌리는 데 활용된다.

부산대 연구진 사진

연구팀이 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 부산대 교수는 “이번 연구는 3D 프린팅 경로를 복잡하게 설계하지 않고도 공정조건만으로 액정분자의 배열 방향을 전환할 수 있다는 점이 핵심”이라며 “소재의 조성이나 프린팅 경로가 아니라 프린팅 조건 자체를 새로운 설계변수로 활용했다는 데 의미가 있다”고 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 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 부산대 응용화학공학부 이진형 박사가 제1저자로 참여했으며, 안석균 교수와 미국 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 얀-마이클 Y. 카리요(Jan-Michael Y. Carrillo) 박사가 공동 교신저자로 연구를 이끌었다.

해당 성과는 세계적 권위의 학술지 『네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)』에 7월 10일 게재됐다.

- 논문 제목: Alignment switching in 3D-printed smectic liquid crystal elastomers(3D 프린팅된 스멕틱 액정 엘라스토머의 배향 전환)

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-026-75368-z