[첨단과학] 빛 쬐면 스스로 접히는 물질

[제1호]

빛 쬐면 스스로 접히는 물질 등장

장난감 재료와 일반프린터로도 가능

showNavigatorMap();  

미국의 유치원이나 초등학교에서는 ‘슈링키 딩크(Shrinky-Dink)’라는 장난감 재료로 미술수업을 진행한다. 투명한 플라스틱 판에 아이들이 직접 글씨를 쓰거나 그림을 그리고 색을 칠한 뒤 오븐에 구우면 딱딱하게 굳어진다. 목걸이, 열쇠고리, 핸드폰줄 등 다양한 장식품을 만들어낼 수 있어서 1980년대부터 큰 인기를 끌었다.

▲ '스스로 접히는 물체'에 사용된 재료는 '슈링키 딩크'라는 장난감 플라스틱이다. 

재료는 폴리스티렌(polystyrene)으로, 비결정 고분자 물질을 뜻하는 폴리머(polymer)의 일종이다. 상온에서는 형태나 색깔을 쉽게 가공하고 변형시킬 수 있지만 145도 이상의 열을 가하면 물질 내부에서 수축이 일어나 단단하게 변한다. 저온식품 보관용기나 전기절연 제품을 만들 때 흔히 사용된다.

이렇듯 장난감에나 쓰이는 폴리머 재료를 이용해 미국 노스캐롤라이나주립대 연구진이 최근 ‘스스로 접히는 물체’를 만들어내 화제를 모으고 있다. 영국 왕립학회가 발행하는 학술지 소프트매터(Soft Matter)에 지난 10일 게재된 논문 ‘부분 광흡수를 통한 폴리머 판의 자동접힘 현상(Self-folding of polymer sheets using local light absorption)’에 소개된 내용이다.

빛 흡수한 폴리스티렌이 수축되며 경첩 역할

내용과 원리는 아주 단순하다. 잉크젯 프린터에 종이 대신 장난감 재료로 사용되는 폴리스티렌 투명판을 넣어 검은 줄을 인쇄하고 적외선을 비춘다. 검은색은 빛을 잘 흡수하므로 적외선의 에너지가 쌓여 온도가 올라간다. 일반 빛도 상관 없지만 접히는 속도를 높이기 위해 강렬한 적외선을 사용했다.

검은 줄의 표면온도가 높아져 유리전이온도(Tg)에 도달하면 플라스틱 판이 접히기 시작한다. 유리전이온도(Glass Transition Temperature)란 유리의 온도가 높아지면서 고체에서 액체로 물성이 변하는 지점을 가리킨다. 여기서는 폴리스티렌이 부드러워지며 안쪽으로 굳어지는 현상이 발생한다.

검은 줄은 투명판의 한쪽에만 인쇄되어 있으므로 그 부분만 수축이 일어나면 전체 판이 접히게 된다. 일종의 ‘경첩’ 역할을 하는 셈이다. 검은 줄의 폭에 따라 폴리스티렌 판이 접히는 정도도 45도, 90도, 120도 등으로 달라진다. 폭을 넓힐수록 표면온도가 급상승하며 판이 급격하게 꺾인다.

어떠한 도면을 그려서 어디에 검은 줄을 인쇄하느냐에 따라 정육면체 상자나 피라미드 모양을 만들 수 있다. 2차원 평면도면의 접히는 부분에만 검은 줄을 인쇄하고 빛을 쪼이기만 하면 손을 대지 않아도 스스로 접히며 3차원 입체가 만들어진다.

검은 줄을 플라스틱판의 양쪽에 인쇄해서 각각 적외선을 비추면 꺾이는 방향도 서로 다르다. 검은 줄의 간격을 조절하면 더 많은 부분이 꺾어 복잡한 모양도 만들어낼 수 있다. 연구진은 논문에서 ㄱ자형, 지그재그형, 상자형, 피라미드형 등 다양한 형태의 물체를 소개했다.

▲ 검은 줄의 폭과 간격을 조절하면 플라스틱판이 접히는 방향과 정도도 다양해진다. 

일반적인 물질로도 충분히 효과 발휘

폴리머를 이용해 스스로 접히는 물체를 만들어내는 아이디어는 형상기억 고분자물질(SMP)를 연구하는 과정에서 발견했다. 형상기억물질이란 원래의 형태를 기억하고 있어서 충격으로 변형이 와도 열을 가하면 말끔히 복구되는 물질을 가리킨다.

이들은 폴리머의 열변형 조건을 찾는 과정에서 호기심이 발동했고, 실험을 거듭한 결과 검은 줄의 폭과 간격을 조절해 접히는 정도를 마음대로 제어할 수 있는 컴퓨터 모델을 완성했다. 이번 발견을 대량생산에 적용한다면 적은 인원으로도 더 많은 제품을 더 빨리 생산할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 자동으로 포장되는 기술을 개발하는 데도 응용 가능하다.

게다가 특수물질이 아닌 일반적인 재료를 이용한다는 점에서 적용 범위가 넓다. 플라스틱판은 장난감 재료로 널리 쓰이는 폴리스티렌이고, 검은 줄은 가정용 일반 잉크젯 프린터로 인쇄해도 효과가 충분하다.

공저자로 논문을 작성한 미국 노스캐롤라이나주립대 화학및생체분자공학과의 마이클 디키(Michael Dickey)와 잰 겐저(Jan Genzer) 교수는 “호기심에서 시작한 일인데 예상을 뛰어넘는 놀라운 결과가 나왔다”면서도 “현존하는 물질을 이용한다는 점에서 적용범위가 넓다”고 의의를 밝혔다.