단국대학교

엄원식 교수(고분자시스템공학부)가 먹장어(일명 곰장어) 점액의 섬유질 구조를 모사해 머리카락보다 100배 얇고 질긴 초미세 섬유를 고속 3D프린팅 기술로 개발했다.


▲ 엄원식 교수(고분자시스템공학부)

기존 3D프린팅 기술로는 동물의 털보다 얇은 16마이크론(µm) 이하의 섬유를 만드는데 어려움이 있었다. 섬유가 16마이크론(µm) 이하로 얇아지면 표면 장력으로 쉽게 끊어지고, 제작 속도가 느려지는 한계가 존재했다. 연구팀은 먹장어 점액의 섬유질 구조에 영감을 받아 미국 일리노이·영국 케임브리지대학과 공동으로 1.5µm(머리카락 굵기의 약 1/100배) 직경의 초미세 섬유를 제작하는 데 성공했다.

먹장어는 외부의 위협을 받으면 엄청난 양의 끈끈한 점액을 뿜어낸다. 점액은 단순한 젤이 아니라 섬유질 실타래로 가득차 강하고 질긴 섬유질로 변해 먹장어를 보호한다. 연구팀은 먹장어 점액의 초미세 섬유질 실타래 구조를 모사하기 위해 기존 3D프린팅 기술로는 불가능했던 초미세 섬유의 프린팅 기술 개발에 착수했다.



▲ 하이드로젤 내부에 3D 프린팅된 먹장어 모사 섬유 구조체

연구팀은 기존 3D프린팅의 적층제조 기술이 아니라 섬유공학에서 활용되는 습식방사 원리인 ‘용매교환(solvent exchange)’을 도입해 하이드로젤 내부에서 프린팅된 잉크가 즉시 굳도록 설계했다. 이 기술은 1.5마이크론(µm) 직경의 초미세 섬유를 빠르게 프린팅하고, 여러 개의 노즐을 병렬로 인쇄해 50만 배 이상 빨라졌다. 5MPa(메가파스칼)의 부드러운 고무부터 3,500MPa(메가파스칼)의 플라스틱까지 다양한 탄성 계수를 가진 열가소성 고분자 재료에도 적용할 수 있게 됐다.

이번 연구 결과는 세계적인 학술지 Nature Communications(상위 6% 저널, IF 14.7)에 지난 1월 게재됐다. 논문명은 "Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange(용매 교환을 통한 미세하고 연속적인 연질 섬유의 빠른 3D 프린팅)"이다.

엄원식 교수는 “기존 3D 프린팅 기술의 한계를 넘어 자연에서 영감을 얻은 새로운 방식으로 초미세 섬유를 빠르고 안정적으로 제작할 수 있게 됐다”라며 “향후 의료용 최소 침습 약물 전달 장치, 로봇 촉각 센서 등 다양한 산업 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이번 연구는 단국대학교, 미국 일리노이 대학교, 영국 케임브리지 대학교, 홍익대학교가 공동으로 참여했으며 미국 국방부 산하 연구기관인 방위고등연구계획국(DARPA)의 지원을 받아 진행됐다.


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