VIENNA, Austria: 치과용을 포함한 많은 코팅물질들이 광중합으로 경화된다. 그러나 균일한 맞춤식 폴리머 네트워크는 제조가 어렵고, 부서지기 쉬운 소재로, 그동안 광경화 폴리머로 활용하는 데는 많은 제약이 있었다. 최근 오스트리아 TU Wien 연구진들이 3D 프린팅용으로도 활용할 수 있는 고해상도의 균일하고 단단한 가교결합 방식의 맞춤식 광경화 폴리머 제작법을 개발했다. 광중합은 주로 라디칼 사슬 중합으로, 경화 개시제는 빛 에너지를 라디칼로 분리한 후 모노머를 결합한다. 이때 새로운 라디칼이 형성되면서 추가적인 모노머가 서로 합쳐지면서 폴리머 네트워크로 만들어지는 것이다.
그러나 라디칼 광중합을 조절하는 새로운 방법은 제품의 소재특성상 중합과정을 늦추는 경향이 있어서 3D 프린팅용으로는 적합하지 않다는 평가를 받았다. 이를 개선하기 위해서는 광조사 단계가 짧고 높은 공간 해상도, 빠른 제작시간이 확보가 중요하다.
연구팀은 경화 공정을 지연시키지 않으면서 맞춤식 메타크릴레이트 기반 광중합체를 생산할 수 있는 새로운 접근법 개발에 성공했다. 이는 사슬 전달제(Chain Transfer Agent) 역할로 에스테르-활성화 비닐술포네이트 에스테르(EVS, Ester-Activated Vinyl Sulphonate ester)를 첨가한 것으로 일부 소재들이 쉽게 분리, 활성화되는 점을 이용했다.
폴리머 네트워크가 다른 폴리머 대신 EVS를 공격하면 네트워크의 말단 폴리머의 결합으로 종결된 폴리머 사슬과 새로운 사슬이 반응을 시작한다. 반응에 따라 큰 라디칼로 빠르게 분리되는 중간체가 형성되는 것이다. EVS가 많아질수록 폴리머 네트워크의 평균 사슬 길이는 짧아진다. 짧아진 폴리머 사슬은 더욱 오래 움직일 수 있어 경화 수축 균열 위험이 대폭 줄어든다. 통상적인 사슬 이동기제와는 달리, 중합은 안정적인 중간체나 가역적 반응 단계를 포함하지 않으므로 억제되지 않지만, 라디칼의 분리는 우선적으로 발생한다.
예를 들어 연구진은 두께 50μm의 층으로 이뤄진 메타크릴레이트 코폴리머로 스캐폴드같은 구조를 형성해 시험 프린팅했다. EVS를 추가하지 않으면 재료는 부서지기 쉽지만 이 소재는 매우 균질하고 견고하면서도 탄성 및 내충격성이 우수해 EVS의 양에 따라 조정해 사용할 수 있다. 연구진의 새로운 접근법은 치과용 충전재와 같은 생체 의학 응용 분야에도 적용할 수 있을 것이라는 평가를 받고 있다.
이번 연구는 ‘Vinyl sulfonate esters: Efficient chain transfer agents for the 3D printing of tough photopolymers without retardation’의 제목으로 게재됐다.
