버려지는 황이 로봇이 됐다…재활용까지 되는 4D 프린팅 기술

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 국내 연구진이 정유공장에서 버려지는 황을 활용해 스스로 움직이고 재활용까지 가능한 순환형 4D 프린팅 기술 개발에 성공했다.

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

정유공정에서는 다량의 황 부산물이 발생한다. 미국지질조사국(USGS)에 따르면 전 세계 황 생산량은 2024년 기준 약 8500만톤으로 추정되는데, 이처럼 막대한 양의 황을 단순한 폐기물이 아닌 새로운 자원으로 활용할 수 있는 신기술 개발이 필요한 상황이다.

이 문제의 해결책으로 주목받는 게 '황 플라스틱'이다. 버려지는 황 부산물을 고부가가치 자원으로 재활용할 수 있는 대표적인 자원순환 소재로 꼽힌다.

황 플라스틱은 일반 플라스틱이 투과하지 못하는 적외선을 통과시켜 적외선 카메라 렌즈 소재로 사용할 수 있다. 중금속을 흡착하여 수질 정화에도 활용가능하다. 환경오염 저감과 첨단산업 발전에 동시에 기여하는 친환경·자원순환형 소재로 평가받는다.

이런 장점에도 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 설계해 복잡한 모양도 손쉽게 프린팅할 수 있는 새로운 황 플라스틱을 개발했다.

이어 황 플라스틱의 황 함량과 그물 구조를 정교하게 조절해 온도나 빛 같은 자극에 모양이 변하는 형상기억이 가능한 '4D 프린팅' 기술을 개발했다. 이를 통해 접착제 없이도 조각들을 단단하게 붙일 수 있고, 마치 레고 블록을 조립하듯 정교하고 복잡한 4D 구조물을 출력할 수 있다.

나아가 연구팀은 형상기억 황 플라스틱에 철가루를 섞어 별도의 동력 없이도 움직이는 1㎝ 이하 크기의 '소프트 로봇'을 개발했다. 뚜껑이 달린 캡슐 형태의 로봇으로, 안에 담긴 용액을 형상기억 소재 특성으로 주어진 조건에 따라 배출할 수 있어 화학실험 자동화에 쓰였다.

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

김동균 박사는 "이번 연구는 산업 부산물인 황을 첨단 로봇 재료로 업사이클링한 최초의 사례"라며 "스스로 움직이고 재활용까지 가능한 스마트 소재는 미래 소프트 로봇 및 자동화 산업의 핵심 동력이 될 것"이라고 말했다.

한국화학연구원 기본사업과 과학기술정보통신부, 미국 육군 국제기술센터의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 실렸다.

jongseo12@news1.kr