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조지아텍과 싱가포르 디자인기술 대학(Singapore University of Technology and Design: SUTD)의 연구팀은 삼차원 인쇄 기술을 복잡하고 스스로 접을 수 있는 구조를 만드는데 사용할 수 있다는 것을 증명하였다. 연구원들은 열에 다양한 반응을 보이는 스마트 형상기억 재료로 만들어진 부품들을 사용하였다. 연구팀이 증명한 사차원 기술은 부품들이 순서대로 스스로를 접을 수 있는 삼차원 구조들에 적용될 수 있는데 이는 운반할 때 튜브 내에 말아서 넣거나 평평하게 접어 넣을 수 있게 해준다. 부품들은 습기, 온도 혹은 빛과 같은 자극에 반응할 수 있어 전개할 수 있는 의학 장비, 인형, 우주 구조물, 로봇 및 여러 가지 종류의 구조물을 만드는데 적용될 수 있다. 이 연구를 위해서 연구팀은 하나의 형상을 기억하고 동일한 열을 적용하는 동안에 다른 이전의 형상으로 변형될 수 있는 스마트한 형상기억 고분자를 사용하였다. 

삼차원 물체를 통해 프로그램 되어 있는 패턴 내에 다양한 동역학적 특성을 가진 많은 재료들을 인쇄하는 것에 의해서 일정 시간의 기간 동안에 조절된 순서로 형상이 변화하는 물체를 만드는 것이 가능하였다. 이들 부품들을 가열하면 각 스마트 형상기억 고분자들은 서로 다른 비율과 시간으로 형상을 변화하기 위해 반응한다. 이들 변화에 걸리는 시간을 기록하는 것에 의해서 삼차원 물체들이 자가 조립하도록 디자인하는 것이 가능하다. 자가 조립하는 구조물은 서로 다른 양의 스마트 형상기억 고분자들을 포함하는 삼차원 인쇄 패턴에 의해 만들어진다. 삼차원 인쇄기는 패터닝을 위해 사용된다. 패터닝에 의해 야기되는 평평한 부품들은 같은 자극에 대해 다양한 일시적인 반응을 가진다. 형상 변화를 자극하기 위해서 평평한 부품들 위에 미리 정해진 위치에 다양한 수준의 열을 적용하는 사전 기술들이 필요하다. 

“연속적인 형상 변화 부품들을 만들기 위한 이전의 노력들은 몇 대의 가열기를 부품의 특별한 위치들에 놓고 각각의 가열기를 켜고 끄는 시간을 조절하는 방법이었다. 이러한 방법은 원래 공간 및 시간적으로 전체 부품에 가해지는 열을 조절하는 것이 필요하였고 이는 복잡한 방법이었다. 우리는 이 접근법 대신에 적용하기가 보다 쉬운 공간적으로 동일한 온도를 사용하는 방법을 사용하였고 다른 분자 디자인을 통해서 상(phase) 변화의 비율을 내부적으로 조절하기 위해 다른 재료들의 특성을 조사하였다“라고 조지아텍 George W. Woodruff 기계공학과 교수인 Jerry Qi는 말한다. 연구원들은 다양한 시료들을 사용하여 이 방법을 설명하였다. 하나의 예는 특별한 구조로 평평한 스트립에서 한쪽 끝을 조절하여 구부려 열쇠구멍 속으로 자신을 밀어 넣어 자물쇠 패턴이 되게 하는 것이다. 또 다른 예는 평평한 시트로서 연결된 덮개를 가진 스스로를 접을 수 있는 삼차원 상자로 만드는 것이다. 다른 예뿐만 아니라 이들 두 가지의 예는 구조물의 다양한 부품들이 스스로 접는 단계를 정확하게 조절하여 접는 과정 동안에 부품들이 충돌이 일어나지 않게 해준다. 

“우리는 삼차원 인쇄 스마트 고분자들의 능력을 조사하고 10개의 다른 재료들을 정확하게 삼차원 구조로 통합하였다. 현재 우리는 삼차원 공간에 연속적으로 변화되는 동역학적 특성을 가지는 스마트 형상기억 고분자의 인쇄를 가능하게 하기 위해 이들 디지털 형상기억 고분자의 개념을 확장하였다”고 싱가포르 디자인기술대학의 교수인 Martin L. Dunn은 말한다. 동반 유한 요소 시뮬레이션(companion finite element simulations)을 사용하여 연구팀은 삼차원 인쇄 부품들의 반응들을 예측하였다. 부품들은 시장에서 구할 수 있는 스마트 형상기억 고분자를 다른 비율로 섞어 생산된다. 연구원들은 빠르고 정확한 자가 조입 공정에 포함된 물리학을 설명하기 위해서 간단한 감소 순서 모형(reduced-order model)을 만들었다. 자가 조립의 중요한 점은 접는 구조의 다른 부분들이 서로 접하고 더 이상 접는 것을 방해하는 자가 충돌을 조절하는 것이다. 계량기가 충돌을 예측하기 위해 개발되었고 안정한 원하는 형상으로 스스로를 만드는 자가 조립 구조들을 디자인하기 위해 감소 순서 모형과 함께 사용되었다. 

연구팀은 새로운 기술이 유람을 목적으로 하다가 잠수를 목적으로 변화될 수 있는 능력을 보유한, 무인 비행체와 같은 많은 응용분야에 적용되기를 희망하고 있다. 또 다른 가능한 응용분야는 쉽게 이송하기 위해서 튜브 내로 말아 넣거나 평평하게 접었다가 나중에 사용할 때 다시 삼차원 형상으로 되돌릴 수 있는 삼차원 부품이다. 연구원들은 이 연구결과를 네이처가 발행하는 과학레포트 잡지(the Scientific Reports journal) 9월 8일 호에 게재하였다. 이 연구는 미국공군과학연구원, 미국과학재단, 싱가폴국립연구재단에서 지원하였다. 

<사진> 나중에 우체통으로 확대될 수 있는 접힌 상자로 재료에 동일한 열을 가하기 위해 따뜻한 물이 담긴 탱크 내에서 접혀진 상태의 상자 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-09-30






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