3D 프린팅이라고 하면 대부분의 사람들은 흔히 사용되는 기술인 FDM(Fused Deposition Modeling)을 떠올립니다. 이 방법은 노즐을 통해 용융된 폴리머를 압출하고 폴리머가 고체 상태로 냉각됨에 따라 연속적으로 증착된 층으로 물체를 만드는 과정을 포함합니다. 직접 잉크 쓰기(DIW)라고 하는 또 다른 기술도 노즐에서 물건을 짜냅니다. 하지만 이 경우 물질은 화학 반응을 통해 고체로 변하는 젤 같은 폴리머 "잉크"입니다. FDM에 비해 DIW는 더 비용 효율적이고 에너지 효율적이며 더 많은 폴리머로 물체를 만들 수 있습니다.
그러나 이 기술의 단점은 액체에서 고체로의 전이를 시작하고 촉진하기 위해 독성 화학 촉매와 가교제가 종종 필요하다는 것입니다. 이러한 화학 물질은 인간과 환경에 해로울 뿐만 아니라 인쇄 후 단계에서 추가되어 생산 공정의 기간과 복잡성을 가중시킵니다.
이것이 새로운 잉크가 등장하는 곳입니다. 샌디에이고 캘리포니아 대학의 배진혜 교수와 동료들이 개발한 이 잉크는 폴리(N-이소프로필아크릴아미드), 줄여서 PNIPAM이라는 액체 고분자 용액을 사용합니다. 탄소 나노튜브나 그래핀 조각과 같은 기능성 물질을 액체에 혼합할 수 있습니다.
PNIPAM은 초기에 점성이 있기 때문에 최소한의 힘으로도 바늘에서 쉽게 짜낼 수 있습니다. 잉크를 염화칼슘 염수 용액에 압착하면 염 이온이 즉시 잉크에서 물 분자를 끌어내는데, 이 현상을 "염석화(salting out)"라고 합니다. 잉크에 남아있는 소수성(발수성) 폴리머 사슬이 서로 뭉치면서 잉크가 즉시 고체가 됩니다. 추가된 기능성 재료도 잠깁니다.
기존 DIW 인쇄와 달리 PNIPAM 인쇄 방법은 인쇄 후 화학 물질을 사용할 필요가 없으며 실온에서 수행할 수 있습니다. 또한 원하는 경우 인쇄된 고체 개체를 이후에 사용 가능한 액체 PNIPAM으로 변환할 수 있습니다.
이 기술은 전구에 전력을 공급하는 인쇄 회로 기판에 사용되었습니다.
최근 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 발표된 연구 논문에는 한국 한양대학교 과학자들도 참여했습니다. 아래 비디오에서 잉크가 즉시 단단한 코일을 형성하는 것을 볼 수 있습니다.