재료연구소, 광중합형 세라믹 3D프린팅 신기술 개발…세계 최초 다종·이종 독자

기사승인 2017-04-24 11:25:56

[쿠키뉴스 창원=강종효 기자] 국내 연구진이 다종·이종 소재 3D프린팅을 통해 소재 활용성이 높은 신개념 세라믹 3D프린팅 기술을 개발했다.

이번 기술 개발로 고정밀․고강도 세라믹 구조체 제작은 물론 다종․이종 소재 3D프린팅이 가능해 경사 기능 구조체 실현 등 다양한 3D프린팅 신산업 분야 창출과 이를 통한 국가 기술 경쟁력 확보가 기대된다.

재료연구소(소장 김해두, KIMS) 분말/세라믹연구본부 윤희숙 박사 연구팀은 세라믹 공정에서 널리 적용되는 테이프 캐스팅 원리를 응용해 복수 재료 공급 라인을 제공함으로써 다종․이종 소재를 동시에 3D프린팅 가능한 기술을 세계 최초로 개발했다고 24일 밝혔다.

이 기술은 재료를 수조(Vat)에 공급해 사용하는 기존의 광중합형 세라믹 3D프린팅 기술의 한계점을 극복한 것으로 재료절감 효과가 우수하고 수조 내 빛의 산란에 의한 정밀도 저하와 재료열화를 방지하는 것이 특징이다.

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.

이 때 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 지속적으로 소재의 열화가 발생해 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.

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

연구팀은 테이프 캐스팅 원리를 광중합형 3D프린팅 기술에 적용했다.

이를 통해 필요한 양 만큼 필름 위에 공급해 한 번의 빛 조사 후 회수가 가능함으로써 재활용이 가능하고 필름 두께 제어로 보다 면밀한 층 두께 제어가 가능할 뿐만 아니라 항상 새로운 필름을 공급할 수 있어 다종․이종 및 경사 기능 소재의 프린팅까지 가능한 3D프린팅 장치와 소재 및 공정 기술을 개발했다.

또한 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.

이와 더불어 다양한 색상을 발현할 수 있는 컬러 세라믹 3D프린팅 기술도 확보할 수 있었다.

이 기술은 정보통신, 에너지, 우주항공, 전기전자, 원자로 핵심 부품 및 의료 디바이스 등의 다양한 분야에 적용이 가능하며, 세라믹 외에도 고분자, 복합재 및 금속 소재에도 적용이 기대되어 3D프린팅 분야의 신시장 개척 및 신기술 분야 창출이 가능할 것으로 전망된다.