Special 첨단소재 및 공정기술 국제표준화 최신 동향(2)

세라믹 적층제조(3D 프린팅) 국제표준 개발 동향

최기인_한국세라믹기술원 세라믹종합솔루션센터 팀장/수석연구원

1. 서론

적층제조(Additive Manufacturing)는 3차원 형상을 컴퓨터 모델링 작업을 통해 2차원 평면으로 미분하여 분말, 액체, 고체(실, 와이어, 펠릿) 등의 적절한 소재를 한 층씩(layer by layer) 쌓아 올려 3차원 형태의 부품 또는 제품을 제조하는 기술을 의미하며, 이러한 적층제조 기술은 각 산업분야에서의 융복합화·디지털화가 급속히 전개되면서 제조산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 주요 기술 중 하나로 각광받고 있다.
  현재의 적층제조 시장은 전기·전자산업, 자동차 산업, 바이오·의료산업, 항공우주산업, 나노산업과 같은 고부가 산업을 중심으로 빠르게 확대되고 있으며, 각국에서는 적층제조와 관련된 원천기술 창출 및 핵심소재 기술의 주도권을 확보하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 현재 적층제조 산업은 시제품(prototype) 제작에만 국한되던 역할에서 벋어나 산업별 수요자 니즈에 맞는 맞춤형 디자인을 가지는 최종제품 생산의 형태로 발전하고 있으며, 적층제조 구현 가능 소재의 다양화 및 최종 출력물의 완성도가 높아지면서 적층제조 시장에서의 기술 지배력 역시 프린터 개발기술 중심에서 고객이 요구하는 제품 스펙(기계적 물성, 정밀한 형상 구현, 인체/환경 안전성 등)을 구현할 수 있는 소재 개발 중심으로 옮겨가고 있다.
  현재까지는 저가로 대량 공급이 가능한 고분자 플라스틱 소재가 적층제조 소재시장을 주도해 왔으나, 적층제조 소재 기술이 발전하면서 금속 분말 및 합금소재, 세라믹소재, 식품, (나노) 융·복합 신소재 등 다양한 소재를 활용하는 3D 프린팅 기술이 시장에 소개되고 있으며, 적층제조 기술 적용분야 역시 단순 제조분야에서 의료·바이오분야, 자동차·전자 분야, 건축분야, 원자력, 방위산업, 우주항공 등 산업분야를 넘어서, 패션, 스포츠, 엔터테인먼트, 예술·문화 분야 등 사회 전반으로 빠르게 확산되고 있다.
  세라믹 소재를 이용한 적층제조 기술은 소재 자체가 가지는 뛰어난 특성(경질성, 내마모성, 내식성, 내열성, 생체적합성 등)으로 인해 첨단산업분야에서의 적용가능성이 무궁무진하기 때문에, 의료, 자동차, 전자, 건설, 항공우주, 방산 등 기존 세라믹 소재가 경쟁력(시장 지배력)을 가지고 있는 산업분야를 중심으로 비약적인 발전이 이루어질 것으로 전망된다. 현재까지의 세라믹 적층제조 기술은 비록 기술 성숙도는 타 소재들에 비해 낮으나, 집적된 기술을 산업적으로 응용하려는 시도들이 계속되고 있으며, 공정효율성과 기술력이 극대화되면, 세라믹 적층제조 기술은 건축, 자동차, 항공과 같은 구조 세라믹스뿐만 아니라, 정밀 부품 산업의 핵심인 전자 세라믹스, 에너지-환경 세라믹스와 같은 정교한 복잡 구조가 필수적인 부품 개발로 이어질 것으로 기대된다.
  특히, 저가 공급 경쟁에 돌입한 고분자·플라스틱과 응용분야 확대에 주력하는 금속-합금소재와는 달리 세라믹 소재 적층제조 기술과 산업은 태동기로서 기술 간 격차가 아직은 크지 않아 3D Systems Corporation, Viridis 3D LLC, Stratasys Ltd., Tethon 3D, Formlabs, Cerum 3D, EOS GmbH, Steinbach AG, NEXT21, Renishaw Plc, ADMATEC 80, Lithoz GmbH, 3Dceram, Prodways, WASP, Xjet 3D 등 적층제조 관련 기업들은 다양한 고기능성 세라믹스와 세라믹스 수지를 적용한 상용 적층제조 기술 확보를 통해 세라믹 적층제조 시장을 선도하기 위해 치열하게 경쟁하고 있다.
  적층제조용 세라믹 소재로는 질화규소, 알루미나, 지르코니아, 희귀원소 안정화된 지르코니아, calcium phosphate, hydroxyapayite, zirconia silicate, clay, 탄화규소, 탄화붕소 등이 있으며, 이외에도 다양한 고기능성 세라믹스와 세라믹스 수지가 활용되고 있다. 또한, 현재까지 주로 활용되고 있는 세라믹 적층제조 기술은 alumina, zirconia, SiC 등의 세라믹스에 접착제나 고분자 수지와 같은 유기바인더를 별도로 분사하는 방식 이외에도, 세라믹스 소재에 유기 바인더를 첨가하거나 코팅한 융합소재가 적용되고 있다.
  적층제조용 세라믹 소재에 대한 제품의 가치를 높이고, 활용성을 더 확장시키기 위해서는 소재(feedstock) 자체에 대한 특성 평가는 물론 적층제조를 통해 제작한 최종제품(parts, products)에서의 안전성이 담보되어야 한다. 특히, 세라믹 소재가 가장 많이 활용되는 적층제조 산업분야 중 하나인 의료분야의 경우, 인공치아, 인공뼈 등 인체 삽입형(implant for surgery) 제품이 많기 때문에, 적층제조용 세라믹 소재에서부터 최종제품까지의 전과정에 대해 높은 관리 수준이 요구되며, 이를 위한 원료 특성평가, 제품 설계, 적층제조 공정, 최종 제품 품질평가, 환경/재활용성 등 다양한 분야에 대한 표준 확립이 무엇보다 중요하다.
  이번 특집에서는 적층제조에 대한 표준화 작업을 전담하고 있는 ISO TC261(additive manufacturing)에 대한 개략적인 소개와 함께, ISO TC261과 ASTM F42(additive manufacturing technologies)에서 공동으로 진행하고 있는 세라믹 적층제조와 관련된 표준 아이템인 ISO/ASTM DIS 52940에 대한 표준화 진행 상황을 공유하고자 한다.

그림 1. ISO/TC 261 참가국 현황

그림 2. ISO/ASTM TC261 JG82 회의(2024. 04. 17)

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