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국산 세라믹 3D프린팅 기술, 세계시장 노리다!

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작성일15-11-16 09:18 조회2,958회

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국산 세라믹 3D프린팅 기술, 세계시장 노리다!

재료, 세라믹 특화된 3D프린터 및 공정기술 개발

세라믹 3D프린팅 기술, 한계는 극복하고 기능은 확대하다

 

 

 

세라믹 산업에 강력한 3D프린팅 바람이 불 전망이다. 국내 연구진이 시간과 비용은 줄이고 품질과 기능은 향상시킬 수 있는 세라믹에 특화된 3D프린팅 종합기술을 개발했다.

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재료연구소(김해두 소장) 분말/세라믹연구본부 윤희숙 박사팀이 다양한 세라믹 소재를 3D프린팅 할 수 있는 세라믹 3D프린터 및 프린팅 공정기술을 국내 최초로 개발 했다.

 

윤 박사팀은 기존의 절삭가공 방식으로는 세라믹의 경도(단단함)와 취성(깨짐)으로 인해 구현이 어려웠던 복잡한 3차원 세라믹 구조를 2차원 평면을 한 층씩 적층하여 만드는 적층가공방식 세라믹 3D프린팅 기술 구현했다.

 

뿐 만 아니라 고온에서 열처리가 필요한 종래 세라믹 공정으로는 불가능 했던 세포 혹은 유효 약물을 세라믹과 동시에 프린팅하는 세라믹 바이오프린팅 기술도 공개했다.

 

세라믹 3D프린팅 기술은 우주항공 및 국방 분야, 기계 산업 등에 쓰이는 고강도‧고정밀 세라믹 부품에서 정형외과 및 치과 등 의료용 맞춤형 생체디바이스, 전기전자부품, 자동차, 건축이나 예술품 분야까지 활용이 가능해 윤 박사팀의 연구가 세라믹 산업에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.

 

3D프린팅 원리는 목표로 하는 최종 산물의 물성에 따라 다르게 적용되어야하며 3D프린팅 원리에 따라 적용되는 원료소재 물성 및 공정도 제어되어야하므로 윤 박사팀에서는 압출형, 압출/광중합 복합형 및 광중합형 등 다양한 3D프린팅 원리의 맞춤형 세라믹 3D프린터 및 공정기술을 개발하고 있다.

 

특히, 윤 박사팀은 압출/광중합 복합 3D프린팅 기술을 개발해 필요한 양 만큼 원료를 노즐로 압출한 후 프린팅과 동시에 시차적으로 광중합을 유도하는 방법으로 기존 상용화된 수조형 세라믹 3D프린터에서 발생하는 원료 낭비와 동시에 프린팅 시간도 크게 줄였다.

 

또 연구팀은 생체세라믹 3D프린팅 실온공정 기술을 개발 기존 세라믹 3D프린팅의 까다로운 조건 제어와 소결공정이 필요했던 한계점을 극복했다.

 

이 기술은 화학 반응으로 경화를 유도해 3D프린팅 공정과 경화반응을 분리하는 방법으로, 3D프린팅에 필요한 시간을 충분히 확보하여 안정적인 구조체 제작이 가능하면서 별도의 소결공정 없이 기계적 물성을 만족시키는 실온공정 기술이다.

 

또한 의료용 디바이스로 적용하기 위해 승인된 원료소재만으로도 3D프린팅이 가능하도록 프린팅 소재에 필요한 첨가물을 최소화했다. 이를 통해 세포 혹은 각종 유효 약물 등을 세라믹과 동시 프린팅하여 환자 맞춤형 생체세라믹 골이식재의 기능성을 크게 향상시켰다.

 

윤 박사팀은 새로운 방식의 광중합형 세라믹 3D프린팅 원천기술 개발을 마치고 테스트 중에 있으며, 이 기술로 기존 광중합형 세라믹 3D프린팅 기술이 가지는 산란제어 및 빛의 조사에 따른 원료소재의 열화 문제와 단일 소재군만 적용 가능한 공정의 한계점을 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

 

자체 개발한 다양한 세라믹 3D프린팅 기술들을 논문 및 국내‧외 특허권을 기반으로 관련 기업 기술이전 검토가 진행 중에 있다.

 

2006년부터 효율적인 골재생을 유도하기 위한 골지지체 개발 연구에 3D프린팅 기술을 접목하였으나 골의 무기질 유사성분인 세라믹 소재를 적용하기에는 일반적 3D프린팅 시스템 및 공정은 그 활용에 한계가 있었다.

 

또한 상용화된 일부 세라믹 3D프린팅 장비도 4억 원을 호가하고 제조사 전용 소재만 사용 가능하기 때문에 연구개발용으로 활용이 어려웠다.

 

더불어 고분자 및 금속기반 3D프린팅은 프린팅 된 구조체가 최종산물이 되지만 세라믹은 프린팅 후 고온열처리 공정을 거쳐야하고 최종 산물의 물성이 출발 세라믹 원료소재의 물성에 크게 좌우되는 특징이 있다.

 

따라서 소재 및 공정과 3D프린팅 시스템 모두를 고려하여야만 원하는 최종 산물을 얻을 수 있다.

 

윤 박사팀은 이를 위한 연구개발을 지난 10여 년간 진행해 왔으며 이번 결과물은 생체 및 구조·기능세라믹 등 다양한 세라믹 분야에 용 가능할 것으로 전망했다.

 

윤희숙 박사는 ‘3D프린팅 기술은 고분자 및 금속소재 중심으로 최근 크게 도약하고 있으나 세라믹 3D프린팅 기술은 전세계적으로도 여전히 경쟁 초기단계에 있다’면서 ‘이번에 개발된 국산 세라믹 3D 프린팅 기술로 세계 시장 선점이 가능할 것으로 기대된다’고 말했다. 또한 ‘라믹 산업에 있어 많은 비용을 차지하는 공정 기술을 개선하여 향 후 제품 가격 경쟁력을 높이고 새로운 구조 기능성을 확보하여 국가 세라믹 소재부품산업의 세계 기술경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다’고 말했다.