▲그래핀코팅 구리로 3D 프린팅한 실린더들. (사진=웁살라대)

중국 하얼빈공대 연구진은 습기에 노출되면 앞뒤로 움직일 수 있는 그래핀 산화물로 만든 소프트 로봇을 3D 프린터로 인쇄하는데 성공했다고 3D프린트인더스트리가 최근 보도했다.

하얼빈공대 과학자들은 ACS나노 저널에 게재된 논문에서 직접 잉크쓰기(DIW·Direct Ink Writing) 3D 프린팅과 제한된 건조 기술을 결합해 소프트 로봇을 제작했으며, 이전까지 3D 프린팅 그래핀 산화물을 만들 때 관찰됐던 다공성, 수축성 및 구조 균일성 문제를 극복할 수 있었다고 밝혔다.

연구원들에 따르면 이 연구는 수분노출시 작동 능력을 가진 그래핀 산화 소프트 로봇을 더 발전시킬 수 있는 다용도 플랫폼을 제공할 수 있다.

◆그래핀을 이용한 3D 프린팅의 도전 과제

그래핀은 에너지 생성, 마이크로 전자공학, 바이오의약품, 센서 등 수많은 응용 분야에 적합한 수많은 바람직한 특성들을 가지고 있다.

이 재료의 경량 특성, 전기 및 열 전도율, 기계적 강도는 이러한 영역 내에서 큰 가능성을 제공한다. 그래핀의 잠재력은 재료를 단일층 형태로 배치해 3D 인쇄에 활용하는 것에서 비롯되지만 여전히 엄청난 도전과제를 수반한다.

지금까지 미국 버지니아공대와 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 연구원들이 고해상도 3D 프린팅 방법 같은 것을 개발했다. 이는 3D 프린팅할 수 있는 레진을 형성하기 위해 겔 안에서 그래핀을 분산시키는 방법 등을 포함한다.

LLNL은 또한 에너지 저장 장치에 사용되는 그래핀 기반의 에어로겔 전극을 생산하기 위해 UC산타크루즈와 협력했다.

또한 스페인의 ‘도자기 및 유리연구소’(ICV)와 프랑스 엑스-마르세유대 연구원들은 전기 전도도와 물 흡착 능력을 포함한 많은 그래핀의 바람직한 특성을 유지하는 경량 하이브리드 구조물의 기초가 되는 그래핀 산화물 비계를 3D프린팅 방식으로 인쇄했다.

최근 미국 버팔로대 연구진은 폐수 처리 공장에서 사용할 수 있는 새로운 3D 프린팅된 물 정화용 그래핀 에어로 겔을 개발했으며, 스웨덴 웁살라대 연구진과 그래핀 전문업체 그래파마테크는 그래핀을 3D 프린팅된 구리 부품에 추가해 강도와 밀도를 높이는 데 성공했다.

◆3D 프린팅된 그래핀 산화물 소프트 로봇

▲하얼빈 공대 연구팀이 직접 잉크 쓰기(DIW)와 제한된 건조방식을 결합해 고도로 정렬되고 촘촘하게 압축된 소프트 로봇용 복합 구조를 3D 프린팅할 수 있었다고 밝혔다. (사진=ACS나노)

하얼빈공대 팀은 지금까지 보고된 3D 프린팅 그래핀 산화물 구조가 물질의 엄청난 초 친수성 특성 때문에 매우 다공성 경향을 보인다는 것을 발견했다.

그래핀 산화물 잉크의 수분 함량은 일반적으로 재료 무게의 90% 이상이며, 이는 3D 프린팅 공정에 이어 제거돼야 한다.

제한된 건조(constrained drying) 기술은 일반적으로 3D 프린팅된 그래핀 산화물 구조의 균일성을 유지하는 데 사용되지만, 이것은 구조를 매우 다공성이 되게 한다.

연구진은 이러한 효과를 극복하기 위해 DIW 3D 프린팅과 강제 건조기술의 조합을 통한 3D 프린팅된 그래핀 산화 겔의 수축 과정 제어를 제안했다.

과학자들은 DIW 과정 동안 부드러운 돌출, 그리고 인쇄된 물체의 형태 안정성을 위해 그래핀 산화 잉크의 유동학적 특성이 최적화되도록 하는 것에서부터 시작했다.

연구진은 이를 위해 잉크에 고도로 정렬되고 촘촘하게 압축된 그래핀 산화물 시트를 포함하도록 했다.

이들은 이 과정에 건조 단계에서 변형을 방지하기 위해 전체 구조물에서 손쉽게 제어돼 균일한 수축을 보장하는 3D 프린팅 제약 조건을 적용했다. (제약 조건은 일반적으로 3D 어셈블리 및 멀티바디 시스템을 만드는 데 사용된다. 둘 이상의 도면요소에 대해 제약 조건을 동시에 지정할 수 있다.)

이는 건조 과정 내내 그래핀 산화 시트들이 정렬되고 압축돼 인쇄된 구조가 형태를 유지할 수 있게 한다는 것을 의미한다.

하얼빈공대 과학자는 또한 3D 제약 조건의 모서리 각도와 함께 현지 환경의 습도를 제어해 자신들의 3D 프린팅된 그래핀 산화물 소프트 로봇의 작동 능력을 입증할 수 있었다.

이들은 소프트로봇의 다리에 물방울을 번갈아 가며 떨어뜨려 외부 전원 공급 없이 앞뒤로 움직일 수 있게 했다.

연구진에 따르면 DIW 3D 프린팅과 강제 건조의 성공적 조합은 수분과 습도 변화에 민감한 미래의 그래핀 산화물 소프트 로봇을 개발할 수 있는 다재다능한 플랫폼의 토대가 됐다.

이 연구는 ‘ACS 나노’ 저널에 게재된 ‘3D 프린팅된 그래핀 산화물 소프트 로봇 공학(3D printing graphene oxide soft robotics)’이라는 제목의 논문에서 찾을 수 있다.

◆3D 프린팅으로 제작된 로봇의 발전

▲두께 20마이크로미터(μm)인 3D 프린팅 그래핀-산화물 구조. (사진=ACS 나노)

3D 프린팅은 기술에 의해 부여된 디자인상의 자유로움으로 인해 새로운 소프트 로봇 응용 분야에 점점 더 많이 활용되고 있다.

지난달 중순 오스트리아 린츠 요하네스 케플러대 3D 연구원들은 원래 길이의 6배까지 확장할 수 있는 통합된 센서 네트워크를 가진 소프트 로봇을 인쇄했다. 이 연구를 통해 연구팀은 생체 분해가 불가능한 재료의 사용과 현장에서 증가하는 환경 영향과 같은 소프트 로봇 응용분야 개발에 따라 야기되는 지속 가능성 우려를 해결하고자 했다.

이에 앞서 스웨덴 린셰핑(Linköping)대 연구원들은 4D 기능을 갖춘 소프트 마이크로 로봇용 마이크로 액추에이터 세트를 3D 프린터로 제작했다. 또 미국 하버드대 과학자들은 이 기술을 활용해 복잡한 패턴으로 수영할 수 있는 소프트 로봇 물고기 떼를 만들었다.

이밖에 중국 톈진대의 한 연구팀은 4D 프린팅된 자체 추진방식의 소프트 로봇을 만들었다. 또 미국 캘리포니아 주립 샌대에이고대(UC샌디에이고)연구원들은 소프트 로봇 작동 물질의 기초를 형성할 수 있는 액정 탄성중합체를 3D 프린팅하는 새로운 방법을 제안했다.