Special 소재산업 제조혁신을 위한 3D 프린팅 기술개발 동향(2)

생체 세라믹 재료의 3D 프린팅

윤범진_전자부품연구원 선임연구원

1. 개요
지난 20여 년간 3D 프린팅 기술은 급속한 발전을 이루고 있으나, 이는 주로 고분자와 금속 소재에 주로 초점이 맞추어져 왔다. 세라믹은 소재 고유의 복잡한 가공공정, 높은 융점, 취성 등에서 발생하는 기술적 난이도로 인해 최근에 이르러서야 본격적인 발전이 이루어지고 있다. 통상 3D 프린팅이 갖는 경제성을 고려 할 때 5,000개 이하의 생산 개수를 갖는 분야에서 보다 적극적인 적용이 가능하고, 이에 따라 생체재료에의 적용이 가장 우선순위로 고려되고 있다. 이러한 3D 프린팅 기술의 특징은 세라믹 재료에서도 마찬가지이며, 경조직 및 연조직을 망라한 다양한 분야에서의 생체 세라믹 재료 혹은 복합물을 이용한 세라믹 3D 프린팅 의료기기 제작에 관한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 짧은 세라믹 3D 프린팅 기술개발의 역사에도 불구하고, 국내외에서 생체세라믹 3D 프린팅 기술로 제작된 의료기기가 인허가 절차를 통과하여 임상에 적용되고 있는 등, 그 가능성은 이미 현실로 구현되고 있을 만큼 높은 발전 잠재력을 가지고 있다. 본 고에서는 생체 세라믹 3D 프린팅 기술에 대해 개략적으로 논의하고, 현재 시점에서 진행되고 있는 연구동향에 대해 소개하고자 한다.

2. 세라믹 재료의 3D 프린팅 공정
ISO TC261 및 ASTM F2792-12a 에서는 3D 프린팅 기술(Additive manufacturing)을 각각 광중합 방식(Photo polymerization, PP), 재료압출방식(Material extrusion, ME), 접착제 분사 방식(Binder Jetting, BJ), 재료분사 방식(Material Jetting, MJ), 고에너지 직접 조사 방식(Direct Energy Deposition, DED), 분말 적층 용융 방식(Powder Bed Fusion, PBF), 쉬트 적층방식(Sheet Lamination, SL)의 7가지로 분류 한다. 이 중, 세라믹 3D 프린팅에 주로 사용되는 방식은 BJ, PBF, PP, ME 방식이며 이에 대한 현재까지의 적용 및 응용을 요약하면 표 1과 같다.

생체 세라믹 소재는 주로, Hydroxyapatite (HA), Tricalcium phosphate (TCP), Magnesium phosphate (MgP), ZrO2, Al2O3, Bioglass가 연구되고 있으며, 3D 프린팅을 통해 green body를 형성한 후, 탈지, 소결, 경화 등의 후 공정을 통해 완성품을 제조하는 (BJ, PP, ME) 방식과, 직접 고에너지를 조사하여 3차원 구조체 제작을 진행하는 (PBF) 방식으로 분류 할 수 있다. 세라믹 3D 프린팅 출력물의 기계적 성질을 결정하는 가장 큰 변수는 원료의 세라믹 충진률 인데, PBF 방식과 같이 직접적인 3차원 구조체를 조형하는 공정에서는 큰 문제가 되지 않는다. 하지만, PBF 방식의 경우 세라믹 재료 고유의 높은 융점으로 인해 많은 에너지가 필요하다는 단점이 존재한다. BJ, PP, ME 방식과 같이 보조적인 유기물이 포함되는 경우는 높은 세라믹 충진률의 원료를 이용하여 3차원 Green body를 출력하는 것이 중요 하나, 세라믹 충진률 증가는 점도 증가와 직결되어 공정의 안정성 및 성형성 저하로 직결되는 기술적 장벽이 존재한다.

그림 1. 경조직용 생체 세라믹 3D 프린팅의 적용의 일반적인 예 (일본 Next 21)

그림 3. 인산칼슘이 코팅된 바이오글라스 소재의 세포지지체 (미국특허 US2014/0212469 A1)

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