Special 소재산업 제조혁신을 위한 3D 프린팅 기술개발 동향(1)
세라믹 3D프린팅 기술 개발 및 응용현황
장성완_재료연구소 박사후 연구원
박수진_재료연구소 연구원
손현진_재료연구소 연구생
배창준_재료연구소 박사후 선임연구원

1. 서론
“세라믹 3D 프린팅 기술”이란 3차원 모델을 슬라이싱 과정을 통해 2차원 단면들로 재구성 한 후 “세라믹 (ceramics)” 재료를 한 층씩 적층하여 복잡형상의 세라믹 구조체를 제작하는 기술(그림 1)을 의미한다. 위 기술은 전통적인 절삭이 아닌 적층 공정을 사용함으로서 세라믹의 최대 단점인 난가공·난성형성 문제를 해결하여 복잡형상 세라믹 제품을 쉽게 생산할 수 있는 기술로서 여겨지고 있다.

그림 . 세라믹 3D 프린팅 공정 순서1)

  초기 세라믹 3D 프린팅 기술은 재료의 종류가 한정적이고, 낮은 내구성 및 강도 같은 산재된 취약점 때문에 산업화와는 거리가 멀었다. 하지만, 지속적인 소재/공정/장비 개발을 통하여 세라믹 3D 프린팅 기술의 취약점들이 개선되었고, 세라믹 본연의 장점인 우수한 내열성, 내마모성, 내식성을 활용할 수 있는 응용분야가 점차 확대되고 있다. 2018년 SmarTech Publishing의 보고서(그림 2)에 따르면, 세라믹 3D 프린팅 시장은 2025년에 이르러서는 다양한 산업 분야에 거쳐 급격한 성장을 이루어, 2028년에는 36억 달러의 시장을 이룰 것으로 예측된다.2)

그림 . 세라믹 프린팅 시장 전망

  이러한 기대에도 불구하고, 세라믹 3D 프린팅 기술이 진정한 4차 산업혁명을 이끄는 주요 기술 중의 하나로서 발돋움하기 위해서는 해결해야 할 여러 난제들이 존재한다. 첫째, 3D 프린팅 기술제작 속도 및 제품 크기의 한계가 있다. 수많은 레이어(Layer)를 쌓기 위해 많은 시간이 소요되며, 일반적으로 제품의 크기가 3D 프린터의 크기에 제한을 받는다. 둘째, 적층면 간의 불안정한 결합이나 소재의 불균일성, 프린팅 설정 및 방식에 따른 결함은 프린팅 품질에 큰 문제를 야기한다. 특히, 매우 작은 결함도 프린팅 후 탈지-소결-치밀화 공정 중 성장하여 조형물의 전체 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 결함을 보다 효과적으로 제어할 수 있는 기술 개발이 절실하다. 셋째, 세라믹 3D 프린팅 소재가 매우 한정적이며, 프린터에 따라 case-by-case로 산발적인 기술 개발이 진행되고 있다. 마지막으로, 산업용 세라믹 3D 프린터의 경우 매우 고가의 제품으로 실질적으로 필요한 중소기업 및 개인 사업자들에게는 아직까지 열려있지 못한 실정이다.
  본 기고에서는 세라믹 3D 프린팅 기술이 당면한 문제를 해결하기 위해 국내외에서 진행되고 있는 개발 현황에 대하여 공정/장비 및 소재로 나누어 살펴보고, 현재 세라믹 3D 프린팅 기술이 실제 사용되고 있는 응용분야에 대하여 다루고자 한다.

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