우주항공에서 헬스테크까지 – LCE는 다재다능하면서도 매력적이다

먼저 핵심부터 살펴보겠습니다! LCE란 무엇일까요? 글쎄요, LCE는 Liquid Crystalline Elastomers의 약자 – 고무의 탄성 특성과 액정의 이방성 특성을 결합한 가교된 폴리머 네트워크입니다. 그들의 독특함을 이끄는 주요 요인은 다기능성과 반응성을 LCE의 국부적 방향성을 패턴화함으로써 프로그래밍할 수 있다는 점입니다.

이는 다른 단일 재료 시스템에서는 달성하기 어려운 드문 특성입니다. 그리고 2021년 Nature 잡지 리뷰 기사에서 지적했듯이, LCE의 합성 및 정렬 기술의 발전으로 로봇공학, 광학, 소비재, 에너지, 헬스케어 등 다양한 분야에 기능적으로 통합할 수 있게 되었습니다.

오늘은 LCE의 다재다능함을 더 깊이 탐구하여, 이들이 우주항공부터 헬스테크에 이르기까지 다양한 분야에서 어떻게 가치를 입증하고 있는지 살펴보겠습니다.

LCE 구조를 이용한 형태 변환 재료를 위한 3D 프린팅 접근법

오리건 주립대학의 연구팀이 형태 변환 재료를 위한새로운 3D 프린팅 접근법을 개발하는 데 기여했습니다. 실제로 이러한 형태 변환 재료는 로봇이로봇과 같은 특성을 획득하도록 도와 로봇 응용 분야를 개선하는 데 활용될 수 있습니다.

Devin Roach가 OSU 공대에서 말했습니다:

“LCE는 부드러운 모터입니다. 부드럽기 때문에 일반 모터와 달리 우리 몸의 고유한 부드러운 구조와 잘 맞습니다. 따라서 예를 들어 목표 부위에 약물을 전달하는 이식형 의료 기기, 목표 부위 시술용 스텐트, 혹은 요실금 치료에 도움이 되는 요도 임플란트 등으로 활용될 수 있습니다.”

연구는 학술지 Advanced Materials에 발표되었으며, 주로 직접 잉크 쓰기 프린팅을 이용한 적층 제조(AM) 기술을 통해 LCE를 제조하는 방법을 상세히 다룹니다. 연구진은 100 mT 자기장을 이용한 DLP 3D 프린팅을 통해 정렬된 메인 체인 LCE를 제조한 과정을 기록했습니다.

체계적인 검증을 통해 자기장 세기, 정렬 시간, 적층 두께가 3D 프린팅된 LCE의 방향성 정도에 미치는 영향을 분리했습니다. 연구진은 정렬된 LCE의 DLP 프린팅이 소프트 로봇공학 및 에너지 흡수를 위한 기능적 형태로 자극에 반응하는 재료를 제작할 새로운 기회를 열어줄 수 있다고 결론지었습니다.

이 모든 내용이 전문 용어와 첨단 기술적 함의를 담고 있어도, 실제 적용 사례를 보면 LCE를 이해하는 것이 훨씬 쉬워집니다. 기본적으로 LCE는 열과 같은 특정 자극에 노출되면 형태를 변형시킬 수 있습니다. 이 특성을 활용하면 LCE는 열 에너지를 기계적 에너지로 전환하여 필요할 때 저장하고 사용할 수 있습니다.

LCE가 제공하는 근육과 같은 유연성은 소프트 로봇공학 분야에서 크게 진전할 수 있게 합니다. 이러한 유연한 로봇은 인간에게 위험하거나 부적합한 영역에도 진입할 수 있습니다. Devin Roach에 따르면:

“그들은 또한 심우주 그랩핑, 레이더 배치, 혹은 외계 탐사와 같은 자동화 시스템의 액추에이터로서 우주항공 분야에서도 가능성을 보여주었습니다.”

DLP는 이 연구의 핵심 성과로, Roach와 하버드 대학교, 콜로라도 대학교, 그리고 샌디아와 로렌스 리버모어 국립 연구소의 협력자들이 수행했습니다. 이들은 디지털 라이트 프로세싱(Digital Light Processing)이라는 3D 프린팅 방식에서 자기장을 이용해 분자를 정렬하는 방법을 제시했습니다. 액정 엘라스토머의 형태 변환 특성이 재료 내부의 분자 정렬에 의존하기 때문에 LCE를 최대한 활용하는 것이 중요했습니다. 디지털 라이트 프로세싱은 빛을 이용해 액체 수지를 정밀하게 경화시켜 고체 형태로 만듭니다.

연구 성과를 강조하면서 Roach는 분자 정렬이 LCE의 잠재력을 완전히 발휘하고 ‘고급 기능성 응용’에 활용할 수 있는 열쇠가 될 수 있다고 말했습니다. 그는 또한 이 작업이 ‘자극에 유용하게 반응하는 고급 재료를 만들 새로운 가능성을 열어 다수의 분야에서 혁신을 이끌 수 있다’고 주장했습니다.

Roach와 협력 연구진은 다양한 매개변수를 조사했습니다. 자기장 강도를 변화시키고, 이것이 분자 정렬에 미치는 영향과 함께 적층 두께와 같은 다른 요인들을 검토했습니다. 연구진은 가열 시 특정 방식으로 변형되는 복잡한 액정 엘라스토머 형태를 프린팅할 수 있었습니다.

Roach는 또한 LCE의 기계적 감쇠 잠재력을 추가로 조사하기 위해 다른 연구팀을 이끌었습니다. 이 연구와 그 결과는 최고 수준의 자동 충격 흡수기, 지진 감쇠기, 다리의 진동 감쇠기를 개발하는 데 유용할 수 있습니다.

연구와 그 결과가 LCE를 다양한 분야에서 핵심적으로 만들 수 있겠지만, 액정 엘라스토머 구조에 대한 연구는 이미 오랫동안 지속되어 왔습니다. 다음 섹션에서는 이러한 연구 몇 가지와 그것이 우리 주변 기술 혁신에 미칠 영향을 논의하겠습니다.

LCE와 4D 프린팅

2022년 6월, Materials Horizons 학술지에 발표된 연구 기사에서 과학자들은 구조에 질서를 패턴화함으로써 LCE가 외부 자극에 대한 가역적인 고속 및 대규모 작동을 보여주며, 이는 균일한 소프트 폴리머 네트워크에서는 거의 관찰되지 않는 현상으로, 4D 프린팅 및 디지털 장치 아키텍처와의 긴밀한 통합을 가능하게 한다고 밝혔습니다.

연구진은 LCE의 4D 프린팅에 대한 최신 진전을 조사했으며, 특히 분자 정렬의 미세 변화를 가능하게 하여 최종 제품의 물성에 거시적 변화를 가져오는 합성 및 가공 방법에 중점을 두었습니다. 이 연구는 LCE와 4D 프린팅의 결합이 소프트 로봇공학, 광학, 바이오메디컬 디바이스 분야에 유용할 수 있다고 추론했습니다.

LCE가 생물학적 세포 반응에 미치는 성능

또 다른 연구, 2023년 1월 ACS Applied Polymer Materials 학술지에 발표된 이 연구는 LCE의 구조와 합성 방법, 그리고 물질 생물학을 조사했으며, 분자적 관점에서 세포의 생화학적·생체역학적 특성에 중점을 두었습니다. 이 연구는 특히 세포의 준액정 행동, 다양한 세포에서의 방향성 질서 정도, 그리고 액정 유도 지형 신호가 세포 성장 촉진제 역할을 하는지 등을 조사했습니다.

이 분야 학자들의 연구 외에도 전 세계의 유명 연구소들이 LCE와 그 진화에 관심을 보이고 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 연구소 몇 곳을 논의하고, 왜 그들이 LCE를 중요한 것으로 여기는지 이해해 보겠습니다.

Nguyen 연구실의 LCE 평가: Johns Hopkins Whiting School of Engineering

연구실은 LCE의 점탄성 특성을 활용하여 극한 소산 거동을 가진 변형 재료와 구조를 설계할 수 있다고 믿습니다. 이들은 메인 체인 LCE의 이완 메커니즘에 대한 근본적인 이해를 발전시켜 다양한 길이 스케일에서 LCE 재료와 구조의 비범한 소산 거동을 설계할 수 있도록 연구를 수행했습니다.

연구진은 LCE의 향상된 소산 거동이 메소젠과 폴리머 네트워크의 이완 역학 결합에서 비롯되며, 메소젠의 질서와 사슬 정렬에 의존한다고 가설을 세웠습니다. 연구실에 따르면, 내재된 소산 거동을 설계에 활용하면 극한 감쇠와 에너지 흡수를 갖는 구조를 만들 수 있습니다.

하버드 대학교 Aizenberg 연구실의 LCE 연구

연구실의 비전은 LCE를 분자 수준의 프로그래밍이 가능한 적응형 재료로 바라보는 것이었으며, 이를 통해 차세대 반응형 재료의 합리적 설계 기회를 창출하고 인공 근육부터 자가 청소 표면, 항상성 시스템에 이르기까지 다양한 분야를 혁신할 수 있다고 보았습니다.

연구실은 LCE가 메소젠이라 불리는 이방성 분자와 폴리머 배경 재료(엘라스토머)와의 공유 결합으로 구성되어 있어 원하는 프로그래밍 가능성과 변형 능력을 달성하는 데 유망한 재료임을 확인했습니다.

메소젠 정렬을 지정하는 다양한 접근법이 존재했지만, Aizenberg 그룹은 일반적으로 자기장을 이용해 액정 디렉터를 부여했습니다. 이 방법은 어떤 3D 형태에도 적용 및 프로그래밍이 가능하여 연구자들이 분자 수준에서 거시적 변형 모드를 인코딩할 수 있게 했습니다.

하버드 John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences의 바이오미네랄리제이션 및 바이오모방 연구실인 Aizenberg 그룹은 자기 정렬된 LCE를 활용해 마이크로 포스트, 마이크로 플레이트, 상호 연결된 셀 구조, 그리고 밀집 배열 등 다양한 다중 반응 마이크로구조를 제작했습니다.

그룹은 자가 조절 시스템에 대한 근본적인 이해를 확대하고, 이러한 설계를 전환 가능한 접착제, 정보 암호화, 자율 안테나, 에너지 수집 시스템, 소프트 로봇, 스마트 빌딩 등 자율 다중 모드 액추에이터와 같은 응용 분야로 확장하기 위해 연구를 지속할 계획입니다.

개별 연구와 연구실 기반 LCE 작업이 활발히 진행되는 가운데, 일부 기업은 이를 활용할 수 있습니다. 이제 그런 기업 몇 곳을 살펴보겠습니다.

상위 적층 제조 및 3D 프린팅 주식 목록은 여기에서 확인하세요.

1. 3D Systems Corp 

LCE 연구를 상업 규모로 활용한다는 관점에서 가장 먼저 떠오르는 기업은 3D Systems Corp (DDD ) 입니다. 이 회사는 3D 프린터, 재료, 소프트웨어에 이르는 3D 프린팅 산업 전반을 포괄합니다. 업계에서 가장 포괄적인 상업용 3D 프린터 라인업을 보유하고 있어, 기업들이 전통적인 제조 공정에 비해 짧은 시간 안에 필요 현장에서 플라스틱이나 금속 부품을 출력할 수 있게 합니다.

이 회사의 방대한 3D 프린팅 재료 포트폴리오는 플라스틱, 엘라스토머, 복합재, 왁스, 금속, 바이오 호환성 재료 등 다양합니다. 또한, 정밀 적층 제조에 최적화된 AI 기반 소프트웨어를 통해 전체 시스템에 가치를 더하며, 산업 및 헬스케어 응용에 이상적입니다.

이 기업은 우주항공 및 방위, 자동차, 바이오프린팅, 탄소 포집, 소비자 기술 등 다양한 산업 분야의 폭넓은 고객층에 서비스를 제공합니다.

이 회사는 엘라스토머 카테고리에서 bouquet of products를 보유하고 있으며, 여기에는 고무와 같은 유연성과 기능성을 가진 열가소성 엘라스토머인 DulaForm TPU Elastomer가 포함됩니다. 이는 소비재의 소량~중량 생산, 산업용 유연 부품 제조, 호스와 씰의 기능성 프로토타입 제작, 그리고 신발 부품의 프로토타입 및 생산에 활용될 수 있습니다.

3D System Corp의 VisiJet® CE-NT 재료는 기능성 프로토타이핑을 위한 최고 수준의 엘라스토머 성능을 제공하여 다양한 엔지니어링 및 디자인 응용에 부합합니다. 뛰어난 인장 특성을 가지고 있으며, 반투명한 자연색은 의료 모델링을 위한 인간 해부학 모델을 실물처럼 구현하는 데 도움을 줍니다.

3D Systems Corporation은 2024년 11월 26일에 2024년 9월 30일 종료된 3분기 financial results를 발표했습니다. 매출 1억 1,290만 달러가 전년 대비 9% 감소했음에도 불구하고, 3D 프린팅 응용에 대한 고객 관심은 지속적으로 상승했으며, Application Innovation Group (AIG) 매출은 산업 시장 전반에서 전년 대비 연간 26% 이상 성장했습니다.

2. Teradyne, Inc.

Teradyne, Inc. (TER ) 는 반도체, 무선 기기 및 기타 복잡한 전자제품을 테스트하는 장비를 제조합니다. 이들의 도구는 자동차, 우주항공, 방위, 소비자 전자 등 산업 분야에서 사용됩니다. 자동 테스트 및 산업 자동화 분야의 주요 기업입니다.

2024년 3분기 회사는 7억 3,700만 달러의 매출을 보고했습니다. 그 중 대부분인 5억 4,300만 달러는 반도체 테스트 부문에서 발생했으며, 로보틱스 부문이 8,900만 달러를 추가했습니다. 시스템 테스트와 무선 테스트는 각각 7,300만 달러와 3,300만 달러의 소규모 기여를 했습니다.

액정 엘라스토머(LCE)는 특히 로봇 분야에서 Teradyne의 미래를 형성하는 데 큰 역할을 할 수 있습니다. LCE는 열이나 빛에 노출되면 형태가 변하는 특수한 재료로, 유연성과 정밀성이 요구되는 소프트 로봇에 이상적입니다. Teradyne이 로봇에 LCE를 통합한다면, 고급 자동화를 요구하는 산업에 보다 적응력 있는 로봇을 제공할 수 있을 것입니다.

3. Zebra Technologies Corporation

Zebra Technologies Corporation (ZBRA ) 은 모바일 컴퓨터, 바코드 스캐너, RFID 리더기, 특수 프린터 등을 통해 기업 자산 인텔리전스 분야에서 두각을 나타내며, 소매, 헬스케어, 제조, 물류 등 산업에서 활용됩니다.

2024년 3분기 Zebra는 12억 6,000만 달러의 매출을 기록했으며, 전년 대비 31% 증가했습니다. 조정 주당순이익은 3.49달러로 예상치를 초과하며 강력한 성장을 보였습니다.

액정 엘라스토머는 열이나 빛에 노출되면 형태가 변하는 특성으로, 소프트 로봇이나 기타 적응형 시스템에 이상적인 재료이므로 Zebra의 포트폴리오에 흥미로운 추가가 될 수 있습니다. Zebra가 이 기술을 탐구한다면, 유연한 자동화를 필요로 하는 산업에 가치 있는 솔루션의 적응성을 강화할 수 있습니다. LCE는 Zebra의 시스템이 보다 복잡한 환경에서 작동하거나 전통적인 재료로는 수행할 수 없는 작업을 수행하도록 할 수 있습니다.

LCE의 미래

LCE는 액정의 이방성 거동과 가볍게 가교된 폴리머의 고무 탄성을 결합한 독특한 재료입니다. 전통적인 형상 기억 재료는 소프트 액추에이터를 만드는 데 LCE만큼 효과적이지 못합니다. LCE는 뛰어난 기계적 특성, 우수한 유연성, 이방성 거동, 그리고 가역적인 형태 반응을 가지고 있습니다.

하지만 LCE에 대한 연구는 그 잠재력을 완전히 실현하기 위해 여러 허점을 해결해야 합니다. 연구자들은 LCE와 같은 소프트 재료에서 ‘높은 구동 응력’과 ‘큰 구동 변형률’이라는 특성 사이에 종종 상충 관계가 존재하며, 이 두 요소가 구동 성능을 결정하는 핵심 요인임을 발견했습니다.

연구는 대부분의 LCE가 열감응성(thermotropic)이라 빛 구동 액추에이터와 같은 다중 자극 반응 및 원격 제어를 구현하기 어렵다는 점을 확인했습니다. 현재 진행 중인 연구 대부분은 이러한 문제를 해결하기 위해 LCE 매트릭스에 다양한 기능성 나노 필러(광열, 전열 나노 소재 등)를 물리적으로 삽입하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

하지만 연구자들 사이에서는 기능성 필러의 LCE 매트릭스 내 분산성이 낮고 필러와 매트릭스 간 상호작용이 약해 복합재에서 상분리가 발생할 수 있으며, 이는 결과적인 액추에이터 성능을 저하시킬 수 있다는 의구심이 있습니다.

우리의 현재 연구가 그 방향으로 의미 있는 단계이지만, 분자 배열과 LCE의 작동 특성 사이의 관계에 대한 기본 이해에 대한 의문이 남아 있습니다. 연구자들은 LCE의 변형이나 움직임을 정확히 제어하는 것이 도전 과제라고 보고 있습니다.

LCE를 정교한 구조로 가공하기 위해 개발된 최신 3D 및 4D 프린팅 기술은 아직까지 대량 생산에 적합한 좋은 해결책 없이 맞춤형 장비 제작을 목표로 하고 있습니다.

하지만 긍정적인 측면으로, 과학·기술 분야에서 LCE에 대한 관심이 눈에 띄게 증가하고 있습니다. LCE를 활용한 스마트 디바이스 구축이 점점 늘어나고 있습니다.

새로운 유형의 LCE 재료, 첨단 3D 마이크로/나노 제조 기술, 혁신적인 작동 방식 및 정교한 조작 전략에 대한 관심이 커짐에 따라, LCE 기반 액추에이터는 빠른 발전을 이루고 곧 더 많은 최첨단 응용 분야를 찾을 수 있을 것입니다.

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