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다양한 경도를 지니면서 자유롭게 늘어나고 재활용 가능 3D 프린팅 기술






 (Unlike similar materials that require complex processing, the plastic can be created with a 3D printer. Credit: Sameer A. Khan/Fotobuddy)

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(By controlling the material's internal structure, engineers can create objects with a range of properties. Credit: Sameer A. Khan/Fotobuddy)

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프린스턴 대학의 과학자들이 한 번의 3D 프린터 출력으로 다양한 성질을 지닌 플라스틱 제품을 만드는데 성공했습니다. 프린스턴 대학의 에밀리 데이비슨 (Emily Davidson) 교수 연구팀은 열가소성 탄성중합체 (thermoplastic elastomer)를 이용해 3D 프린팅 기술을 연구했습니다. 연구팀의 목표는 단순히 탄성을 지녀 늘어나는 출력물이 아니라 다양한 경도 (단단함)을 지닌 구조를 끼워 넣어 여러 가지 목적에 사용할 수 있는 복잡한 출력물을 만드는 것입니다. 예를 들어 신발 밑창이라면 단단한 부분과 말랑하고 탄성이 있는 부위를 한 번에 연결해 출력하는 것입니다.

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이를 위해 3D 프린터로 다양한 잉크를 출력하는 시도가 이어지고 있지만, 사실 실용적이지 않은 경우가 많습니다. 연구팀은 열가소성 탄성중합체를 포함한 코폴리머 (copolymer)를 통해 이 문제를 극복했습니다. 열가소성 탄성중합체 코폴리머에 열을 가해 5-7nm의 단단한 나노 실린더 구조와 자유롭게 늘어나는 탄성 부위를 번갈아가면서 출력할 수 있게 된 것입니다. 특히 이 과정에는 열을 가하는 순간만이 아니라 냉각시키는 과정도 중요합니다. 이렇게 해서 다양한 탄성과 경도를 지닌 출력물을 만들 수 있는 것입니다.

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연구팀이 만든 3D 프린터 출력물의 또 다른 특징은 손상 부위에 주위 물질이 밀려 들어가서 붙는 자가 치유적인 특징이 있다는 것과 여러 번 재사용이 가능한 3D 프린팅 소재라는 점입니다. 마지막으로 중요한 특징은 소재가 상대적으로 저렴하다는 것입니다 과거에도 액체 크리스탈을 이용해서 비슷한 시도가 있었으나 가격이 1g에 2.5달러 이상으로 상용화하기에는 너무 비싼 문제가 있었습니다.

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연구팀은 이 기술이 의료 기기나 웨어러블 기기에 적합하다고 보고 연구를 계속하고 있습니다. 상용화 여부는 둘째치고 한 번의 출력으로 다양한 탄성도와 경도를 지닌 제품이 가능하다는 사실이 흥미롭습니다. 그리고 이론처럼 그럴 듯한 결과물이 나와줄지도 궁금합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2024-12-stretchable-flexible-recyclable-3d-method.html

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Alice S. Fergerson et al, Reprocessable and Mechanically Tailored Soft Architectures Through 3D Printing of Elastomeric Block Copolymers, Advanced Functional Materials (2024). DOI: 10.1002/adfm.202411812

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