부산대, 방향 따라 색상 바뀌는 3D 프린팅 소재 개발

[이뉴스투데이 부산경남동부취재본부 박흥식 기자] 부산대학교(총장 차정인)는 응용화학공학부 안석균 교수 연구팀이 3D 프린팅으로 자연을 모방한 구조색을 인쇄하고, 이방적(異方的)인 기계변색*을 구현하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

* 기계변색: 물리적인 힘(인장력, 압축력 등)을 가해 색상을 변경하는 기술.

 ‘구조색’은 물체의 색상이 안료나 염료에 의해 나타나는 것이 아닌, 물체가 이루는 나노 구조에 의해서 나타나는 색상이다. 즉, 물체의 나노 구조가 특정 파장의 빛을 반사하거나 산란해 색상이 나타나게 만든다. 구조색은 영롱하고 반짝이는 색감으로, 자연에서는 수컷 공작새의 깃털이나 나비의 날개, 카멜레온의 피부 등에서 관찰된다.

구조색을 인공적으로 만드는 방법으로는 광결정, 광자 유리, 그리고 콜레스테릭 액정으로 수백 나노 크기의 반복된 구조를 만드는 방법이 있다. 그중 ‘콜레스테릭 액정’은 막대 모양의 액정 분자들이 일정하게 배향된 나선 구조를 형성해 특정한 파장의 빛을 반사하는 원리다.

기존 콜레스테릭 액정 탄성체*의 배향** 방법으로는 표면 배향법이나 이방성 건조 방식이 있으나, 원하는 구조와 패턴으로 디자인하기는 한계가 있었다. 이에 비해, 3D 프린팅 방식으로 콜레스테릭 액정 탄성체를 제작할 경우 출력되는 형태와 배향 방향을 자유롭게 디자인할 수 있다는 장점이 있다.

* 콜레스테릭 액정 탄성체: 고분자 사슬에 결합한 액정 분자들이 3차원 나선 구조로 정렬한 뒤 약한 가교결합을 한 형태. 고무와 같은 성질을 나타내며, 구조색을 발현시킬 수 있음.

** 배향: 여러 개의 분자나 나노입자들이 특정한 방향으로 배열돼 있는 것.

콜레스테릭 액정 탄성체를 3D 프린팅 기술과 접목하려는 연구는 최근 학계의 많은 주목을 받고 있으나, 이를 이용해 이방적 기계변색(anisotropic mechanochromism)을 구현한 연구는 보고된 바 없었다.

이에 연구팀은 우선 직접잉크쓰기* 3D 프린팅법과 광경화법을 결합해 콜레스테릭 액정 탄성체를 제작했다. 특이하게도 3D 프린팅으로 출력한 콜레스테릭 액정 탄성체는 기존에 알려진 콜레스테릭 액정 탄성체와는 달리 보는 방향에 따라 다른 반사색을 나타냈다.

- 이는 나선축이 기판에 수직으로 형성되는 기존의 콜레스테릭 액정 탄성체와는 달리 프린팅 공정에 의해 기울어진 나선축이 형성됐기 때문이라고 연구진은 설명했다.

* 직접잉크쓰기(direct-ink-writing): 고점도 잉크를 압출해 손글씨를 써내듯 2차원 또는 3차원 구조체를 제작하는 3D 프린팅 공정방법.

더욱 흥미로운 점은 3D 프린팅 된 콜레스테릭 액정 탄성체는 늘리는 방향에 따라서도 서로 다른 색상을 반사한다는 것이다. 만일 프린팅 된 방향에 수직으로 늘릴 경우 나선축이 기운 각도에는 큰 변화가 없이 격자 간격만 좁아져 늘리기 전에는 빨간색을 반사했던 필름이 파란색을 반사하게 된다. 반면에 프린팅된 방향으로 늘리면 나선 축이 기운 각도가 줄어듦과 동시에 격자 간격이 좁아지는 상반효과(trade-off)에 의해 늘리기 전후의 색상 변화가 훨씬 적게 된다.

이렇게 프린팅 방향과 늘리는 방향의 조합에 따라 반사되는 색상에 차이를 줄 수 있다는 점을 이용하면 한 가지 잉크만으로도 다양한 기계변색 패턴을 만들 수 있다. 연구팀은 이 점을 이용해 서로 다른 색상을 반사하는 모래시계와 부산대학교(Pusan National University)의 영문 이니셜인 ‘PNU’ 패턴을 제작했다.

연구책임을 맡은 안석균 부산대 교수는 “이번 결과는 콜레스테릭 액정 탄성체를 3D 프린팅 기술과 접목하여 원하는 형태와 패턴을 자유롭게 디자인하고, 보는 방향과 늘리는 방향에 따라 서로 다른 구조색을 발현한 최초의 연구 성과라는 점에서 중요한 의미가 있다”고 말했다. 특히 “보안기술이나 건물구조 안정성 진단기술뿐 아니라, 가상현실(VR)·증강현실(AR) 기술 등 디스플레이 및 홀로그램용 광학 소자 개발 등에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구 성과는 소재분야의 세계적인 학술지 『어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)』 온라인판 10월 31일자에 게재됐다.

▶ 논문 제목: 직접잉크쓰기 방식으로 제작된 프로그래머블 기계변색 콜레스테릭 액정 탄성체(Direct-Ink-Written Cholesteric Liquid Crystal Elastomer with Programmable Mechanochromic Response)

▶ 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310658

- DOI: 10.1002/adfm.202310658

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 나노및소재기술개발사업, 기초연구실지원사업 등의 지원으로 수행됐으며, 부산대 응용화학공학부 석사졸업생 최지혜(제1저자), 전자공학과 박사졸업생 최연규(공동저자), 전자공학과 윤태훈 교수(공동저자), 연구책임자인 안석균 교수(교신저자) 주도로 진행됐다.