재료硏, '광중합형 세라믹 3D프린팅' 세계 첫 개발

윤희숙 박사팀 주도..재료 재활용성 높이고 경가 기능 구조체도 만들 수 있어

[머니투데이 류준영 기자] [윤희숙 박사팀 주도…재료 재활용성 높이고 경가 기능 구조체도 만들 수 있어 ]

종래 광중합형 세라믹 3D프린팅 기술의 문제점/자료=재료硏

국내 연구진이 소재 재활용성을 높인 ‘세라믹 3D프린팅 기술’을 개발했다. 이는 고정밀·고강도 세라믹 구조체 제작은 물론 다종·이종 소재 3D프린팅을 가능케 해, 경사 기능 구조체 실현 등 다양한 3D프린팅 신산업 분야 창출이 기대된다.

재료연구소 분말·세라믹연구본부 윤희숙 박사(책임연구원)팀은 세라믹 공정에서 널리 적용되는 테이프 캐스팅 원리를 응용해 복수 재료 공급 라인을 제공, 다종·이종 소재를 동시에 3D프린팅할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다고 24일 밝혔다.

종래 수조공급형 세라믹 3D프린터와 개발된 필름공급형 비교/자료=재료硏

이 기술은 재료를 수조에 넣어 쓰는 기존의 광중합형 세라믹 3D프린팅 기술의 한계점을 극복했다.

가장 오래된 3D프린팅 기술인 광중합형 3D프린팅은 일반적으로 빛에 의해 경화가 유도되는 레진을 수조형 용기에 담아 사용하며, 광중합형 세라믹 3D프린팅의 경우 레진 내에 세라믹 분말을 균일하게 분산시켜 사용한다.

이때 빛이 조사된 곳만 경화가 유도되는 일반 레진 프린팅과는 달리, 세라믹의 경우 레진 내의 세라믹 입자에 의해 빛의 굴절과 산란 등이 일어나 빛이 조사된 곳 외에도 경화가 유도될 수 있다.

이 경우 장시간의 3D프린팅 동안 반복되는 빛의 조사로 인해 지속적으로 소재의 열화가 발생하게 된다. 이로 인해 한번 사용된 소재의 재활용이 어렵다.

이에 따라 구조체의 크기와 상관없이 일정량 이상의 프린팅 소재를 수조에 채운 후 사용하는 수조형 3D프린터의 경우 프린팅에 사용된 소재보다 버리는 소재가 더 많아지게 된다.

다종 소재 세라믹 3D프린터 원리 및 특징/자료=재료硏

또 프린팅 스테이지 전체가 수조 속의 재료에 담기는 원리이기 때문에 다종 혹은 이종 소재 프린팅 구현이 어렵고 복잡·정밀한 3차원 구조체 구현에도 어려움이 많았다.

이에 연구팀은 테이프 캐스팅 원리를 광중합형 3D프린팅 기술에 적용했다.

필요한 양 만큼 필름 위에 공급해 한 번의 빛 조사 후 회수가 가능토록 3D프린터를 설계·제작한 것이다.

이러면 소재의 재활용이 가능하고 필름 두께 제어로 보다 면밀한 층 두께 제어가 가능하다. 아울러 항상 새로운 필름을 공급할 수 있어 다종·이종 및 경사 기능 소재의 프린팅까지 가능하다.

연구팀은 “필름 공급 라인의 개수를 늘려 스테이지 전체를 회전시키는 구조를 만들어 층간 다종·이종 소재 프린팅뿐만 아니라 같은 층 내에서 다종·이종 소재의 3D프린팅이 가능하도록 했다”고 설명했다. 이와 함께 다양한 색상을 발현할 수 있는 컬러 세라믹 3D프린팅 기술도 확보했다.

개발된 세라믹 3D프린터 및 프린팅 된 세라믹 구조체/자료=재료硏

이 기술은 IT(정보통신), 에너지, 우주항공, 전기전자, 원자로 핵심 부품, 의료 디바이스 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다.

세라믹 외에도 고분자, 복합재 및 금속 소재에도 적용이 기대돼 3D프린팅 분야의 신시장 개척 및 신기술 분야 창출이 가능할 전망이다.

윤 박사는 “이번 기술은 기존 세라믹 공정으로는 불가능했던 복잡형상 구현뿐만 아니라 경사 기능성 혹은 다종소재 접합 등의 새로운 물성 구현을 가능하게 할 것으로 기대된다”고 말했다.

류준영 기자 joon@

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