Special 소재산업 제조혁신을 위한 3D 프린팅 기술개발 동향(1)

투명 유리 3D 프린팅 현황과 전망

김형준_한국세라믹기술원 수석연구원
한윤수_한국세라믹기술원 책임연구원
이혜지_한양대학교 신소재공학과 석사과정

1. 서론

적층제조(AM, Additive manufacturing)는 3차원 형상의 디지털 모델로부터 레이어별로 증착을 사용하여 3차원 형상의 부품을 제조하는 기술이며, 몰드 기반의 제조 공정에 비해 설계 자유도가 높아 복잡한 구조의 부품을 제조하는데 이상적인 공정이다. 이러한 특징으로 인해 3D 프린팅과 같은 의미로 사용되는 적층제조는 제조산업의 패러다임을 변화시켜 산업 제품의 부가가치를 높이고 제조 회사의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이러한 잠재력이 현실화된다면 자동차, 항공, 우주, 의료 산업과 같은 설비 기반산업의 제조 공정을 혁신하는데 최고의 솔루션으로 제공될 수 있다.
적층제조는 크게 재료 압출, 광중합, 재료 분사, 바인더 분사, 분말 베드법 등의 방식으로 분류된다. 이들 중 대중적으로 가장 알려진 적층제조 기술은 FDM(Fused Deposition Modeling) 방법인데, ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 또는 PLA(polylactic acid)으로 만들어진 플라스틱 필라멘트를 주로 사용한다. 플라스틱 고체 필라멘트는 강제적으로 가열된 노즐로 들어가게 되고, 노즐 안에서 고체인 필라멘트가 액체로 변환되어 노즐 끝의 구멍을 통해 빠져나가는 방식이다. 용융 플라스틱을 배출하는 노즐은 디지털화된 슬라이싱된 3차원 캐드 도면을 따라 이동하면서 소재를 층층이 쌓아 최종적으로 3차원 출력물을 형성한다.
세라믹 분야로 범위를 한정하면, 최근 관심이 집중되고 있는 3D 프린팅 방법은 세라믹 분말과 감광성 바인더로 구성된 슬러리를 사용하거나, 감광성 프리 세라믹을 자외선에 노출시켜 3D 구조물을 생성하는 방법을 사용하는데, 이들 공정은 최종 제품의 밀도를 높이기 위한 탈지 및 소결 공정과 같은 열처리 공정이 반드시 필요하다. 그러므로 밀도 증가에 의한 제품의 수축을 피할 수 없는데, 복잡 형상의 제품의 경우 치수 변화를 예측하기 어려울 뿐 아니라 부품 내부에 존재하는 기공을 완벽히 제거하기 힘들다는 단점을 가지고 있다.
세라믹의 대표적 물질 중 하나인 유리가 가지는 가장 큰 특징인 광학적 투명성을 갖는 3D 출력물을 얻기 위한 시도는 2014년 미조리 대학의 J. Luo 등에 의해 행해졌다. 이들은 이미 금속분야에서 잘 정립된 기술을 사용하였는데, 레이저 빔을 유리 분말 베드에 조사하여 유리 분말을 직접 용융시키는 방법이다. 하지만, 이 방법은 기포 제거하는데 한계가 있어 투명한 유리 제조에 한계를 보였다. 2015년 MIT대학의 J. Klein 등은 투명 유리 출력물을 얻고자 유리 용융로 바닥에 구멍을 내고 노즐을 장착해 중력에 의해 자동적으로 흐르는 용융 유리를 제어하였다. 이 방법은 높은 점도를 가진 용융 유리를 자중에 의해 토출시키므로 압출 제어가 어렵고 노즐의 내경을 줄이는 데 한계가 있어 출력물의 해상도를 높이는 것이 어렵다. 2017년 미조리 대학의 J. Luo 등은 고밀도의 필라멘트에 레이저를 조사하는 방법으로 출력물을 한 층씩 쌓아가는 방식을 보고하였다. 이 방식은 밀도가 높고 자유로운 형태의 투명 유리를 성공적으로 출력하였으나 해상도는 크게 개선되지 않았다. 2017년 독일 IMT의 F. Kotz 등은 리소그라피법을 이용하여 나노 실리카 복합체를 제조해 소결함으로써 투명한 실리카 유리를 제조하였다. 이 연구팀은 정밀한 출력물을 보고하면서 여러 가지 응용분야에 대한 가능성을 확인했지만 열처리에 따른 수축 문제를 그대로 가지고 있었다. 2018년 국내 한국세라믹기술원 연구팀은 유리 필라멘트를 이용한 FDM 방식의 유리 3D 프린팅 공법을 개발하였다. 이 방법은 미조리 대학의 유리 필라멘트 공급 방식과 MIT 대학의 토출형 방식의 장점만을 취한 것으로 성공적으로 투명 유리 출력물을 제조할 수 있음을 보고하였다.
 본론에서는 앞에서 시간의 흐름에 따라 간략히 설명한 투명 유리 3D 프린팅 공정에 대해 중요 공정 변수들에 대해 상세히 기술하고, 각 공정의 장단점을 토론한 후 향후 연구 방향에 대해 논하고자 한다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2019년 9월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>