최신 3D 프린터 및 프린팅 소재 기술
2023-01-15
org.kosen.entty.User@5946239d
윤정배(yoonjung)
요약문
3D 프린팅 소재는 주로 수지와 금속이 사용되고 있으며, 수지를 활용한 3D 프린팅은 기술적 완성 단계로 주로 저가형 3D 프린터에 적용되고 있고, 금속의 경우 기술개발 초기 단계로 고가형 산업용 3D 프린터에 주로 사용되고 있으며, 소재 및 관련 기술 발전과 사업적 타당성 확보에 의하여 의약물질, 종이 그리고 식품 등으로 확대되고 있는 추세다.
3D 프린터는 조형 공정상에서 재료를 한 층 한 층(Layer-By-Layer) 순간적으로 적층하여 형상을 조형하는 적층 가공에 해당하고, 소재 형태(액체, 필라멘트, 분말, 시트 등)와 출력 방식(압출, 소결, 경화, 분사 등)에 따라 크게 7가지의 조형 기술이 존재한다.함.
3D 프린팅 소재와 관련된 핵심기술은 복합재료의 사용, 저비용 분말 제조 기술 그리고 요구 조건(형상, 크기, 물성 등)을 만족시키는 우수한 물성의 소재 개발 등으로 구성된다.
3D 프린팅 분야는 최근 자동차, 의료기기 그리고 항공우주 등 다양한 고부가 가치산업에 적용되고 있다.
국내 3D 프린팅 소재 산업은 선진국 대비 기술 열위에 있고, 산업적 성숙도가 높지 않으며, 정부 주도의 활성화 지원체계가 갖추어져 있어 향후 민간에서의 경쟁력 확보가 요구될 것으로 전망된다.
적층 제조, 광경화, 압출, 분말 소결, 광중합 방식, 재료 분사 방식
Additive Manufacturing, Light Polymerization, Extrusion, Granular Sintering, Digital Light Processing, Multi Jet Modeling
1. 1. 개요
3D 프린팅은 3차원 그래픽 설계데이터를 기반으로 특정 물질을 적층 방식으로 쌓아 올려 입체물을 형상화하는 기술로, 개발 초기에는 단순 제품 모형과 시제품 제작에 사용되었으나, 최근 기술 진보 및 경제성 확보 등으로 활용 범위가 확대되고 있다.
적층 방식의 3D 프린팅은 제품 생산을 위해 별도의 금형 없이 설계 도면대로 제품을 생산할 수 있어 기존 제조 산업에서는 불가능했던 다품종 소량생산이 가능한 기술로, 대표적인 적층 제조(Addi-tive Manufacturing, AM) 기술로는 Extrusion(압출), Jetting(분사), Light Polymerization(광경화), Granu-lar Sintering(분말 소결), Wire (인발) 그리고 Sheet Lamination(시트 접합) 등이 있다.
3D 프린팅 기술은 소재의 우수한 특성이 최종 제품의 특성과 밀접히 연관되는 소재 지배적인 기술로, 우수한 소재의 확보가 장기적인 관점에서 중요하다.
3D 프린팅 소재는 금속, 플라스틱 그리고 세라믹 소재 등이 가장 많이 사용되고, 최근 다양한 산업에서의 수요 증가로 인하여 티타늄, 알루미늄, 귀금속, 범용 플라스틱 수지, 기능성 플라스틱 수지, 유리, 실리카, 지르코니아, 점토, 왁스, 종이, 의약물질, 바이오잉크 그리고 식재료 등으로 사용 범위가 확장되고 있으며, 이종 재료를 활용한 복합재료 등 다양한 소재가 개발되고 있다.
3D 프린터는 적용 재료와 장비의 비싼 가격이 사용 확대의 큰 걸림돌로 지적되고 있으나, 지적되고 있는 단점을 해결하기 위해 출력 속도 향상, 결과물의 대형화, 적용 소재의 다양화 그리고 다양한 적용 분야 개발 등으로 기술 발전이 이루어지고 있다.
본 리포트에서는 최근 3D 프린터 및 프린팅 소재 기술에 대해 조사하고자 한다.
2. 기술 동향[1~3]
2.1. 3D 프린팅 소재
3D 프린팅 소재는 주로 수지와 금속이 사용되고 있으며, 수지를 활용한 3D 프린팅은 기술적 완성 단계로 주로 저가형 3D 프린터에 적용되고 있고, 금속의 경우 기술개발 초기 단계로 고가형 산업용 3D 프린터에 주로 사용되고 있으며, 소재 및 관련 기술 발전과 사업적 타당성 확보에 의하여 의약물질, 종이 그리고 식품 등으로 확대되고 있는 추세다.
2.1.1. 플라스틱 소재.
플라스틱 소재는 충분한 압력을 가할 수 없어 치밀한 인쇄물을 얻기 힘들며 단지 공학적으로 물성을 모사하는 수준으로 나타나기 때문에 우수한 기계적 물성과 정밀한 형상 구현이 가능한 소재 개발이 요구된다.
ABS(Acrylonitrile, 1,3-Butadiene, Styrene) 수지는 3가지의 각 단량체를 중합하여 얻어지는 공중합체 소재로, 성형성, 내충격, 강도, 내수성, 무독성 그리고 전기적 절연 특성이 우수하며, 다양한 색상으로 표현할 수 있고, 약산성 및 염기성에 대한 내성이 있다. 약 220℃ 이상에서 용융이 발생하고, 온도 하강에 따라 빠르게 응고된다. 용융 과정에서 악취가 발생하며, 자외선에 의한 형상 및 색상 변화가 발생할 수 있어 개선 방안 마련이 요구되고, 완구용품 등에서 주로 사용된다.
PLA(Polylactic Acid) 수지는 옥수수와 사탕수수 원료 성분으로 구성된 수지로, 고분자 생분해성이 있어 환경호르몬이 없는 친환경 소재로, 저가이며, 점착성이 우수하고, 일반 플라스틱 정도의 강도를 가진다. 첨가제에 따라 다소 상이하나, 60℃ 이상에서 변형이 시작되고, 약 180~200℃의 융점을 가지며, 기포 발생이 없다. ABS 대비 내열성은 낮고, 내수성 및 내화학성이 약하며, 생분해성 소재로 식품 분야 등에서 응용될 수 있다.
Nylon은 견고하여 타 적층 방식과 비교해 경화, 균열, 변형에 충분히 견딜 수 있는 성질을 지녀가져 3D 프린팅 소재로 적합한 소재 중 하나로, 충격, 강도에 탁월한 내구성이 을 가지고 있고, 무독성이며, 가격경쟁력이 양호하다. 약 250℃ 이상에서 용융되고, 타 플라스틱 소재 대비 고온 관리가 요구되며, 주로 의류용으로 사용되고 있다.
2.1.2. 금속 소재
금속계 재료는 결합제를 함유한 분말 금속계 복합체를 침전시켜 사용하고, 녹은 결합제 및 금속계를 열처리하여 융합이 일어나는 방식으로 3D 프린팅 소재에 적용되고 있고, 분말 제조 기술의 난이도가 높은 것으로 평가되고 있다.
3D 프린팅용 금속 소재는 일반적으로 우수한 강도 특성으로 인하여 산업용으로 주로 활용되며, 티타늄 합금, 스테인리스스틸, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 코발트-크롬 합금, 금, 은 그리고 백금 등이 주로 사용되고 있다.
티타늄(Titanium)은 가볍고, 광택이 있으며, 단단하지만, 내부식성의 단점이 있어 대부분 합금 형태로 사용되고, 고강도, 저중량, 생체적합성으로 인해 우주/항공, 스포츠, 해양, 의료(임플란트, 치과용 보철, 인공관절) 분야 등에서 많이 사용되며, 티타늄 분말을 레이저로 소결하는 방식으로 3D 프린팅에 적용되고 있다.
알루미늄(Aluminum)은 전성, 연성이 풍부하여 박(foil)이나 철사로 사용되지만 공기 중에 노출되면 알루미늄 표면이 산화되면서 박막을 형성하며, 열전도성이 높고, 산화에 강해 항공우주용 기계 부품, 교통, 건축 분야에 주로 활용되고 있고, 알루미늄의 강도 향상을 위해 마그네슘, 실리콘 등과의 합금 형태가 주로 사용되고 있다.
코발트-크롬 합금(Cobalt-Chrome Alloy)은 우수한 내부식성, 내마모성, 내열성, 생체 적합성으로 인하여 각종 기계 부품과 의료용품 등에 적용되고 있다.
2.1.3. 세라믹 및 기타 소재
세라믹은 일반적으로 내충격성이 약한 편으로, 금속 및 플라스틱 등에 첨가하는 형태로 주로 개발되고 있으며, 광중합 방식 등을 활용하여 3D 프린팅용 세라믹 소재의 강도를 확보하려는 시도가 진행 중이다. 지르코니아(Zirconia)는 생체 적합성이 우수한 소재로 평가되어 의료용 소재로 활용되고 있으며, 점토(Clay)는 수분 첨가를 통해 성형이 용이한 재료로, 공예품 등에 주로 적용되고 있다.
기타 소재의 경우, 3D 프린팅 소재 및 장비의 기술 발전과 함께 수요층이 확대됨에 따라 왁스, 그래핀, 의약물질, 종이, 인쇄전자소재, 바이오잉크, 음식 재료 그리고 골 재료 등 다양한 소재가 개발되고 있다.
왁스(Wax)는 금속성 장신구 주조 과정에서의 정밀 패턴 구현에 사용되며, 의약물질은 수요자별 적정 용량을 정확히 제공하기 위한 경구용 약물 구현 등에 사용되고 있다. 바이오잉크(Bio-ink)는 인체 내부 피부 조직(혈관 등) 등을 구현하는 데 사용되고 있으며, 초콜릿(Chocolate)은 식품 업체에서 흥미롭게 접근하고 있는 식재료 중 하나로, 3D 프린팅을 통한 제품 구현이 용이한 소재로 평가되고 있다.
2.1.4. 소재 형상
3D 프린팅 소재의 형상적 분류로는 필라멘트(Filament), 분말 그리고 액체 등이 있으며, 3D 프린팅 소재 및 형상에 따라 3D 프린팅에 적용되는 기술이 다양하다.
고체(필라멘트) 기반 방식은 낮은 제조단가와 내습성 등의 장점을 보유하고 있으나, 열에 다소 취약하고, 플라스틱 소재가 주로 공급되는 형태이며, ABS, PLA, PA(Nylon), 광경화형 수지(Photo-polymers), PVA, PC, HDPE 그리고 열가소성플라스틱(Thermoplastics) 등이 주로 사용되고 있다.
분말 기반 방식은 다양한 원료의 사용이 가능하며 액체 기반의 방식보다 결과물이 견고하다는 장점이 있다. 3D 프린팅용 금속 및 세라믹 소재가 주로 사용되고 있으며, 티타늄, 니켈, 스테인리스(Stainless) 금속, 알루미늄 그리고 금 등의 금속계 물질과 알루미나, 실리카, 산화지르코늄 그리고 칼슘포스페이트 등의 세라믹계 물질이 사용되고 있다.
액체 기반의 방식들은 정확한 조형이 가능하나, 내구성이 떨어진다는 단점이 있으며, 액상금속, 열간접착제(Hot Glue), SLA/DLP Resin, 초콜릿 그리고 바이오잉크 등이 주로 사용되고 있다.
2.2. 3D 프린터
3D 프린터는 조형 공정상에서 재료를 한 층 한 층(Layer-By-Layer) 순간적으로 적층하여 형상을 조형하는 적층 가공에 해당하고, 소재 형태(액체, 필라멘트, 분말, 시트 등)와 출력 방식(압출, 소결, 경화, 분사 등)에 따라 크게 7가지의 조형 기술이 존재한다.함.
2.2.1. 광중합 방식(DLP, Digital Light Processing)
액체 상태의 광경화성 수지에 조형하고자 하는 모양의 빛을 DLP(Digital Light Projector)에 투사하여 적층하는 방식의 3D 프린터로, 지지대와 같은 별도의 부재료가 없어도 출력이 가능하고, 표면 조도가 우수하며, 구동 소음이 거의 발생하지 않는 특징이 있다. Python 기반의 오픈소스 소프트웨어를 사용하고, 사진과 같은 면 단위 조형 방식으로 작업 속도가 균일하며, 비교적 빠른 속도로 조형이 가능하고, 저가형 DLP 프린터가 개발되면서 가격적인 부담이 낮은 장점이 있다. 그러나 제조 가능한 조형물의 사이즈가 작고, DLP 전용 수지 재료를 필요로 하기 때문에 원료 선택이 제한적인 단점이 있다.
2.2.2. 재료 분사 방식(MJM, Multi Jet Modeling)
프린터 헤드에서 광경화성 수지와 Wax를 동시에 분사한 후 , 자외선으로 고형화하여 적층하는 방식으로, 광경화성 수지는 모델의 재료이며, Wax는 지지대로 사용되는 3D 프린터로, 정밀도가 높고 곡선 처리가 가능하며와 우수한 표면 거칠기가 우수해 를 가지고 있어 별도의 후처리 과정이 필요 없으며, 광경화성 수지의 특성 때문에 투명한 조형물 제작이 가능한 장점이 있으나, 강도가 약하며 65℃ 이상의 온도에서는 변형이 발생할 수 있는 단점이 있다.
2.2.3. 재료 압출 방식(FDM, Fused Deposition Modeling, Fused Filament Fabrication)
가는 실(필라멘트) 형태의 열가소성 물질을 고온의 노즐 안에서 용융한 후 얇은 필름 형태로 출력하여 적층 및 상온에서 경화시키는 방식의 3D 프린터로, 다른 방식에 비해 장치의 구조와 구동 소프트웨어가 간단하여 장비 가격과 유지보수 비용이 낮고, 오픈 소스(2012년 6월 특허 만료) 형태로 개발되어 3D 프린팅 기술의 대중화를 주도하고 있다. 다양한 소재의 적용이 가능하며, 구조가 단순하여 대형화에 용이하고, 다양한 산업 분야에 적용이 가능하고, 프린터에 장착된 리니어 모션 컨트롤의 정밀도에 따라 표면 조도를 개선할 수 있는 장점이 있으나, 표면 조도가 비교적 낮아 세부 형상 구현이 미흡하고, 경화 시 소재의 흘러내림을 방지하기 위한 지지대가 필요하며, 제작 속도가 매우 느리고, 개인용 또는 가정용 제품에 국한되어 사용되는 단점이 있다.
2.2.4. 분말적층용융 방식(SLS, Selective Laser Sintering)
베드에 도포된 분말에 선택적으로 레이저를 조사하여 소결하는 3D 프린터로, 소결되지 않은 원재료 분말이 지지대 역할을 하며, 조형 속도가 비교적 빠르고, 응용 분야 및 활용 가능 재료가 광범위하여, 고부가가치 3D 프린터의 대중화(2014년 2월 특허 만료)가 기대되는 프린터이나, 레이저 장비와 같이 고가의 부품이 필요하고, 금속재료 활용 시 출력물 표면의 후처리 공정이 필요하며, 가열 온도와 레이저 변수 조절이 어려운 단점이 있다.
2.2.5. 접착제 분사 방식(3DP, Three Dimensional Printing)
노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크와 경화 물질(일종의 접착제)을 분말 원료에 분사하는 방식으로 적층하는 3D 프린터로, 컬러 잉크를 사용하여 다양한 색상의 섬세한 작업이 가능하고, 제조 시간이 다른 장치에 비해 비교적 짧은 장점이 있으나, 출력 후 별도의 분말 제거와 표면처리가 요구되는 단점이 있다.
2.2.6. 고에너지 직접조사 방식(DMD, LMD, Direct Metal Deposition, Laser Metal Deposition)
고출력의 레이저 빔을 이용하여 금속 분말을 녹여 붙이는 방식으로 적층하는 3D 프린터로, 지지대 역할을 하는 금속 표면에 고출력 레이저 빔을 조사하여 일시적으로 용융 풀(Pool)을 생성하고, 여기에 금속 분말을 공급하여 클래딩(cladding) 층을 형성하는 원리로 작동되며, ASTM International에서 가장 기술적으로 앞선 Directed Energy Deposition 기술로 평가하고 있으며, 일반 산업용 금속 분말 사용이 가능하고, 레이저 빔을 이용한 금속의 완전 용융과 급속 응고로 인해 강성이 매우 높다는 장점이 있으나, 표면 조도가 미흡하고, 프린터 가격이 높은 단점이 있다.
2.2.7. Sheet Lamination(LOM, Laminated Object Manufacturing)
모델의 단면 형상대로 절단된 점착성 종이, 플라스틱, 금속 라미네이트 층 등을 접착제로 접합하여 조형하는 3D 프린터로, 제조비용이 매우 낮으며, 목재 재질의 조형물 구현이 가능하고, 대형 제품 제작이 가능하며, 밀링 등 후 처리가 필요 없는 장점이 있으나, 내구성이 낮으며, 정밀도, 표면 조도가 미흡하고, 유색 재료, 투명 재료, 유연성 재료를 사용할 수 없다는 단점이 있다.
3. 기술 현황[4~6]
3.1. 3D 프린팅 소재
3D 프린팅 소재와 관련된 핵심기술은 복합재료의 사용, 저비용 분말 제조 기술 그리고 요구 조건(형상, 크기, 물성 등)을 만족시키는 우수한 물성의 소재 개발 등으로 구성된다.
복합재료는 단일 소재에서 가질 수 없는 물성을 보유하고 있어, 수요 산업에서 요구하는 다양한 조건을 충족시킬 수 있고, 다양한 물성과 기능을 충족시킬 수 있는 복합재료의 사용이 필수적이며, 최근 유/무기 복합 소재의 적용도 시도되고 있다.
3D 프린팅용 분말은 금속 소재를 중심으로 수요가 증가하고 있으며, 금속 분말 제품은 고가의 장비, 높은 전력 소모, 원자재 낭비 등 비용 소모가 큰 기술 방식으로, 이를 개선한 저비용 분말 제조 기술의 확보가 요구되고 있다.
3D 프린팅용 소재를 고부가가치 산업에 적용하기 위해 전방산업의 요구 조건(형상 및 크기, 물성 등)을 만족시키는 우수한 특성의 소재 개발이 요구되고 있으며, 각종 합성수지를 비롯하여 금속 소재(금, 은, 티타늄 등), 세라믹 소재(실리카, 석영 등), 기타 소재(종이, 나무 등), 탄소섬유, 그래핀 그리고 유리섬유 등을 첨가한 복합재료 등이 3D 프린팅 소재로 개발되고 있다.
3.2. 3D 프린터
3D 프린팅 분야는 최근 자동차, 의료기기 그리고 항공우주 등 다양한 고부가 가치산업에 적용되고 있다.
자동차 산업은 3D 프린팅이 가장 많이 사용되는 분야 중 하나로, 전기차와 콘셉트카를 중심으로 경량화 소재에 개발에 적용되고 있으며, 세라믹과 A1, Ti, Ni 등 금속 및 Thermoplastic, PC, Epoxy, PA 등 고분자 소재를 중점적으로 개발하고 있다.
의료기기 산업은 인공 신체 부위와 의료제품, 조직 엔지니어링 그리고 의료 도구와 장비 디자인 등에 적용되고 있으며, 임플란트 분야에서는 시술 전 모형물의 제작 후 활용 그리고 다양한 수술에서 활용되고 있다.
항공우주 분야는 공기공급 배관, 터빈 블레이드 그리고 항공기 엔진 부품 등을 제작하는 과정에서 활용도가 커지고 있고, 기능성 고분자 소재의 개발을 통해 고강도를 부여할 수 있는 기술적 노력과 Ti, A1 등 금속 소재와 PC 고분자 소재에 대한 연구가 진행되고 있다.
4. 주안점
본 보고서에서는 최신 3D 프린터 및 프린팅 소재 기술 현황에 대해 조사하였고, 도출된 주안점은 다음과 같다.
3D 프린터 산업은 기술 중요도가 높고, 라이프사이클이 짧으며, 전방산업에서 요구하는 기술 수준이 높기 때문에 자체 기술력 및 제조 인프라 확보가 필수적으로 요구된다.
3D 프린팅 기술의 전방위적 산업 적용을 위해 소재의 물성 확보가 우선적으로 요구되며, 다양한 물성의 소재 기술 확보가 요구된다.
국내 3D 프린팅 소재 산업은 선진국 대비 기술 열위에 있고, 산업적 성숙도가 높지 않으며, 정부 주도의 활성화 지원체계가 갖추어져 있어 향후 민간에서의 경쟁력 확보가 요구될 것으로 전망된다.
참고문헌
1. 3D 프린팅 시장 및 기술 동향. 과학기술일자리진흥원, 2019.
2. 3D Printing Materials Market. MarketsandMarkets, 2020.
3. 국내 외 3D프린팅 활용사례와 시사점. 정보통신산업진흥원, 2019.
4. Current Status and Prospects of Polymer Powder 3D Printing Technologies. Materials, 2020.
5. 2021 3D 프린팅 산업 실태조사. 정보통신산업진흥원, 2022.
6. 3D 프린터. 한국신용정보원, 2022.
3D 프린팅 소재는 주로 수지와 금속이 사용되고 있으며, 수지를 활용한 3D 프린팅은 기술적 완성 단계로 주로 저가형 3D 프린터에 적용되고 있고, 금속의 경우 기술개발 초기 단계로 고가형 산업용 3D 프린터에 주로 사용되고 있으며, 소재 및 관련 기술 발전과 사업적 타당성 확보에 의하여 의약물질, 종이 그리고 식품 등으로 확대되고 있는 추세다.
3D 프린터는 조형 공정상에서 재료를 한 층 한 층(Layer-By-Layer) 순간적으로 적층하여 형상을 조형하는 적층 가공에 해당하고, 소재 형태(액체, 필라멘트, 분말, 시트 등)와 출력 방식(압출, 소결, 경화, 분사 등)에 따라 크게 7가지의 조형 기술이 존재한다.함.
3D 프린팅 소재와 관련된 핵심기술은 복합재료의 사용, 저비용 분말 제조 기술 그리고 요구 조건(형상, 크기, 물성 등)을 만족시키는 우수한 물성의 소재 개발 등으로 구성된다.
3D 프린팅 분야는 최근 자동차, 의료기기 그리고 항공우주 등 다양한 고부가 가치산업에 적용되고 있다.
국내 3D 프린팅 소재 산업은 선진국 대비 기술 열위에 있고, 산업적 성숙도가 높지 않으며, 정부 주도의 활성화 지원체계가 갖추어져 있어 향후 민간에서의 경쟁력 확보가 요구될 것으로 전망된다.
적층 제조, 광경화, 압출, 분말 소결, 광중합 방식, 재료 분사 방식
Additive Manufacturing, Light Polymerization, Extrusion, Granular Sintering, Digital Light Processing, Multi Jet Modeling
1. 1. 개요
3D 프린팅은 3차원 그래픽 설계데이터를 기반으로 특정 물질을 적층 방식으로 쌓아 올려 입체물을 형상화하는 기술로, 개발 초기에는 단순 제품 모형과 시제품 제작에 사용되었으나, 최근 기술 진보 및 경제성 확보 등으로 활용 범위가 확대되고 있다.
적층 방식의 3D 프린팅은 제품 생산을 위해 별도의 금형 없이 설계 도면대로 제품을 생산할 수 있어 기존 제조 산업에서는 불가능했던 다품종 소량생산이 가능한 기술로, 대표적인 적층 제조(Addi-tive Manufacturing, AM) 기술로는 Extrusion(압출), Jetting(분사), Light Polymerization(광경화), Granu-lar Sintering(분말 소결), Wire (인발) 그리고 Sheet Lamination(시트 접합) 등이 있다.
3D 프린팅 기술은 소재의 우수한 특성이 최종 제품의 특성과 밀접히 연관되는 소재 지배적인 기술로, 우수한 소재의 확보가 장기적인 관점에서 중요하다.
3D 프린팅 소재는 금속, 플라스틱 그리고 세라믹 소재 등이 가장 많이 사용되고, 최근 다양한 산업에서의 수요 증가로 인하여 티타늄, 알루미늄, 귀금속, 범용 플라스틱 수지, 기능성 플라스틱 수지, 유리, 실리카, 지르코니아, 점토, 왁스, 종이, 의약물질, 바이오잉크 그리고 식재료 등으로 사용 범위가 확장되고 있으며, 이종 재료를 활용한 복합재료 등 다양한 소재가 개발되고 있다.
3D 프린터는 적용 재료와 장비의 비싼 가격이 사용 확대의 큰 걸림돌로 지적되고 있으나, 지적되고 있는 단점을 해결하기 위해 출력 속도 향상, 결과물의 대형화, 적용 소재의 다양화 그리고 다양한 적용 분야 개발 등으로 기술 발전이 이루어지고 있다.
본 리포트에서는 최근 3D 프린터 및 프린팅 소재 기술에 대해 조사하고자 한다.
2. 기술 동향[1~3]
2.1. 3D 프린팅 소재
3D 프린팅 소재는 주로 수지와 금속이 사용되고 있으며, 수지를 활용한 3D 프린팅은 기술적 완성 단계로 주로 저가형 3D 프린터에 적용되고 있고, 금속의 경우 기술개발 초기 단계로 고가형 산업용 3D 프린터에 주로 사용되고 있으며, 소재 및 관련 기술 발전과 사업적 타당성 확보에 의하여 의약물질, 종이 그리고 식품 등으로 확대되고 있는 추세다.
2.1.1. 플라스틱 소재.
플라스틱 소재는 충분한 압력을 가할 수 없어 치밀한 인쇄물을 얻기 힘들며 단지 공학적으로 물성을 모사하는 수준으로 나타나기 때문에 우수한 기계적 물성과 정밀한 형상 구현이 가능한 소재 개발이 요구된다.
ABS(Acrylonitrile, 1,3-Butadiene, Styrene) 수지는 3가지의 각 단량체를 중합하여 얻어지는 공중합체 소재로, 성형성, 내충격, 강도, 내수성, 무독성 그리고 전기적 절연 특성이 우수하며, 다양한 색상으로 표현할 수 있고, 약산성 및 염기성에 대한 내성이 있다. 약 220℃ 이상에서 용융이 발생하고, 온도 하강에 따라 빠르게 응고된다. 용융 과정에서 악취가 발생하며, 자외선에 의한 형상 및 색상 변화가 발생할 수 있어 개선 방안 마련이 요구되고, 완구용품 등에서 주로 사용된다.
PLA(Polylactic Acid) 수지는 옥수수와 사탕수수 원료 성분으로 구성된 수지로, 고분자 생분해성이 있어 환경호르몬이 없는 친환경 소재로, 저가이며, 점착성이 우수하고, 일반 플라스틱 정도의 강도를 가진다. 첨가제에 따라 다소 상이하나, 60℃ 이상에서 변형이 시작되고, 약 180~200℃의 융점을 가지며, 기포 발생이 없다. ABS 대비 내열성은 낮고, 내수성 및 내화학성이 약하며, 생분해성 소재로 식품 분야 등에서 응용될 수 있다.
Nylon은 견고하여 타 적층 방식과 비교해 경화, 균열, 변형에 충분히 견딜 수 있는 성질을 지녀가져 3D 프린팅 소재로 적합한 소재 중 하나로, 충격, 강도에 탁월한 내구성이 을 가지고 있고, 무독성이며, 가격경쟁력이 양호하다. 약 250℃ 이상에서 용융되고, 타 플라스틱 소재 대비 고온 관리가 요구되며, 주로 의류용으로 사용되고 있다.
2.1.2. 금속 소재
금속계 재료는 결합제를 함유한 분말 금속계 복합체를 침전시켜 사용하고, 녹은 결합제 및 금속계를 열처리하여 융합이 일어나는 방식으로 3D 프린팅 소재에 적용되고 있고, 분말 제조 기술의 난이도가 높은 것으로 평가되고 있다.
3D 프린팅용 금속 소재는 일반적으로 우수한 강도 특성으로 인하여 산업용으로 주로 활용되며, 티타늄 합금, 스테인리스스틸, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 코발트-크롬 합금, 금, 은 그리고 백금 등이 주로 사용되고 있다.
티타늄(Titanium)은 가볍고, 광택이 있으며, 단단하지만, 내부식성의 단점이 있어 대부분 합금 형태로 사용되고, 고강도, 저중량, 생체적합성으로 인해 우주/항공, 스포츠, 해양, 의료(임플란트, 치과용 보철, 인공관절) 분야 등에서 많이 사용되며, 티타늄 분말을 레이저로 소결하는 방식으로 3D 프린팅에 적용되고 있다.
알루미늄(Aluminum)은 전성, 연성이 풍부하여 박(foil)이나 철사로 사용되지만 공기 중에 노출되면 알루미늄 표면이 산화되면서 박막을 형성하며, 열전도성이 높고, 산화에 강해 항공우주용 기계 부품, 교통, 건축 분야에 주로 활용되고 있고, 알루미늄의 강도 향상을 위해 마그네슘, 실리콘 등과의 합금 형태가 주로 사용되고 있다.
코발트-크롬 합금(Cobalt-Chrome Alloy)은 우수한 내부식성, 내마모성, 내열성, 생체 적합성으로 인하여 각종 기계 부품과 의료용품 등에 적용되고 있다.
2.1.3. 세라믹 및 기타 소재
세라믹은 일반적으로 내충격성이 약한 편으로, 금속 및 플라스틱 등에 첨가하는 형태로 주로 개발되고 있으며, 광중합 방식 등을 활용하여 3D 프린팅용 세라믹 소재의 강도를 확보하려는 시도가 진행 중이다. 지르코니아(Zirconia)는 생체 적합성이 우수한 소재로 평가되어 의료용 소재로 활용되고 있으며, 점토(Clay)는 수분 첨가를 통해 성형이 용이한 재료로, 공예품 등에 주로 적용되고 있다.
기타 소재의 경우, 3D 프린팅 소재 및 장비의 기술 발전과 함께 수요층이 확대됨에 따라 왁스, 그래핀, 의약물질, 종이, 인쇄전자소재, 바이오잉크, 음식 재료 그리고 골 재료 등 다양한 소재가 개발되고 있다.
왁스(Wax)는 금속성 장신구 주조 과정에서의 정밀 패턴 구현에 사용되며, 의약물질은 수요자별 적정 용량을 정확히 제공하기 위한 경구용 약물 구현 등에 사용되고 있다. 바이오잉크(Bio-ink)는 인체 내부 피부 조직(혈관 등) 등을 구현하는 데 사용되고 있으며, 초콜릿(Chocolate)은 식품 업체에서 흥미롭게 접근하고 있는 식재료 중 하나로, 3D 프린팅을 통한 제품 구현이 용이한 소재로 평가되고 있다.
2.1.4. 소재 형상
3D 프린팅 소재의 형상적 분류로는 필라멘트(Filament), 분말 그리고 액체 등이 있으며, 3D 프린팅 소재 및 형상에 따라 3D 프린팅에 적용되는 기술이 다양하다.
고체(필라멘트) 기반 방식은 낮은 제조단가와 내습성 등의 장점을 보유하고 있으나, 열에 다소 취약하고, 플라스틱 소재가 주로 공급되는 형태이며, ABS, PLA, PA(Nylon), 광경화형 수지(Photo-polymers), PVA, PC, HDPE 그리고 열가소성플라스틱(Thermoplastics) 등이 주로 사용되고 있다.
분말 기반 방식은 다양한 원료의 사용이 가능하며 액체 기반의 방식보다 결과물이 견고하다는 장점이 있다. 3D 프린팅용 금속 및 세라믹 소재가 주로 사용되고 있으며, 티타늄, 니켈, 스테인리스(Stainless) 금속, 알루미늄 그리고 금 등의 금속계 물질과 알루미나, 실리카, 산화지르코늄 그리고 칼슘포스페이트 등의 세라믹계 물질이 사용되고 있다.
액체 기반의 방식들은 정확한 조형이 가능하나, 내구성이 떨어진다는 단점이 있으며, 액상금속, 열간접착제(Hot Glue), SLA/DLP Resin, 초콜릿 그리고 바이오잉크 등이 주로 사용되고 있다.
2.2. 3D 프린터
3D 프린터는 조형 공정상에서 재료를 한 층 한 층(Layer-By-Layer) 순간적으로 적층하여 형상을 조형하는 적층 가공에 해당하고, 소재 형태(액체, 필라멘트, 분말, 시트 등)와 출력 방식(압출, 소결, 경화, 분사 등)에 따라 크게 7가지의 조형 기술이 존재한다.함.
2.2.1. 광중합 방식(DLP, Digital Light Processing)
액체 상태의 광경화성 수지에 조형하고자 하는 모양의 빛을 DLP(Digital Light Projector)에 투사하여 적층하는 방식의 3D 프린터로, 지지대와 같은 별도의 부재료가 없어도 출력이 가능하고, 표면 조도가 우수하며, 구동 소음이 거의 발생하지 않는 특징이 있다. Python 기반의 오픈소스 소프트웨어를 사용하고, 사진과 같은 면 단위 조형 방식으로 작업 속도가 균일하며, 비교적 빠른 속도로 조형이 가능하고, 저가형 DLP 프린터가 개발되면서 가격적인 부담이 낮은 장점이 있다. 그러나 제조 가능한 조형물의 사이즈가 작고, DLP 전용 수지 재료를 필요로 하기 때문에 원료 선택이 제한적인 단점이 있다.
2.2.2. 재료 분사 방식(MJM, Multi Jet Modeling)
프린터 헤드에서 광경화성 수지와 Wax를 동시에 분사한 후 , 자외선으로 고형화하여 적층하는 방식으로, 광경화성 수지는 모델의 재료이며, Wax는 지지대로 사용되는 3D 프린터로, 정밀도가 높고 곡선 처리가 가능하며와 우수한 표면 거칠기가 우수해 를 가지고 있어 별도의 후처리 과정이 필요 없으며, 광경화성 수지의 특성 때문에 투명한 조형물 제작이 가능한 장점이 있으나, 강도가 약하며 65℃ 이상의 온도에서는 변형이 발생할 수 있는 단점이 있다.
2.2.3. 재료 압출 방식(FDM, Fused Deposition Modeling, Fused Filament Fabrication)
가는 실(필라멘트) 형태의 열가소성 물질을 고온의 노즐 안에서 용융한 후 얇은 필름 형태로 출력하여 적층 및 상온에서 경화시키는 방식의 3D 프린터로, 다른 방식에 비해 장치의 구조와 구동 소프트웨어가 간단하여 장비 가격과 유지보수 비용이 낮고, 오픈 소스(2012년 6월 특허 만료) 형태로 개발되어 3D 프린팅 기술의 대중화를 주도하고 있다. 다양한 소재의 적용이 가능하며, 구조가 단순하여 대형화에 용이하고, 다양한 산업 분야에 적용이 가능하고, 프린터에 장착된 리니어 모션 컨트롤의 정밀도에 따라 표면 조도를 개선할 수 있는 장점이 있으나, 표면 조도가 비교적 낮아 세부 형상 구현이 미흡하고, 경화 시 소재의 흘러내림을 방지하기 위한 지지대가 필요하며, 제작 속도가 매우 느리고, 개인용 또는 가정용 제품에 국한되어 사용되는 단점이 있다.
2.2.4. 분말적층용융 방식(SLS, Selective Laser Sintering)
베드에 도포된 분말에 선택적으로 레이저를 조사하여 소결하는 3D 프린터로, 소결되지 않은 원재료 분말이 지지대 역할을 하며, 조형 속도가 비교적 빠르고, 응용 분야 및 활용 가능 재료가 광범위하여, 고부가가치 3D 프린터의 대중화(2014년 2월 특허 만료)가 기대되는 프린터이나, 레이저 장비와 같이 고가의 부품이 필요하고, 금속재료 활용 시 출력물 표면의 후처리 공정이 필요하며, 가열 온도와 레이저 변수 조절이 어려운 단점이 있다.
2.2.5. 접착제 분사 방식(3DP, Three Dimensional Printing)
노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크와 경화 물질(일종의 접착제)을 분말 원료에 분사하는 방식으로 적층하는 3D 프린터로, 컬러 잉크를 사용하여 다양한 색상의 섬세한 작업이 가능하고, 제조 시간이 다른 장치에 비해 비교적 짧은 장점이 있으나, 출력 후 별도의 분말 제거와 표면처리가 요구되는 단점이 있다.
2.2.6. 고에너지 직접조사 방식(DMD, LMD, Direct Metal Deposition, Laser Metal Deposition)
고출력의 레이저 빔을 이용하여 금속 분말을 녹여 붙이는 방식으로 적층하는 3D 프린터로, 지지대 역할을 하는 금속 표면에 고출력 레이저 빔을 조사하여 일시적으로 용융 풀(Pool)을 생성하고, 여기에 금속 분말을 공급하여 클래딩(cladding) 층을 형성하는 원리로 작동되며, ASTM International에서 가장 기술적으로 앞선 Directed Energy Deposition 기술로 평가하고 있으며, 일반 산업용 금속 분말 사용이 가능하고, 레이저 빔을 이용한 금속의 완전 용융과 급속 응고로 인해 강성이 매우 높다는 장점이 있으나, 표면 조도가 미흡하고, 프린터 가격이 높은 단점이 있다.
2.2.7. Sheet Lamination(LOM, Laminated Object Manufacturing)
모델의 단면 형상대로 절단된 점착성 종이, 플라스틱, 금속 라미네이트 층 등을 접착제로 접합하여 조형하는 3D 프린터로, 제조비용이 매우 낮으며, 목재 재질의 조형물 구현이 가능하고, 대형 제품 제작이 가능하며, 밀링 등 후 처리가 필요 없는 장점이 있으나, 내구성이 낮으며, 정밀도, 표면 조도가 미흡하고, 유색 재료, 투명 재료, 유연성 재료를 사용할 수 없다는 단점이 있다.
3. 기술 현황[4~6]
3.1. 3D 프린팅 소재
3D 프린팅 소재와 관련된 핵심기술은 복합재료의 사용, 저비용 분말 제조 기술 그리고 요구 조건(형상, 크기, 물성 등)을 만족시키는 우수한 물성의 소재 개발 등으로 구성된다.
복합재료는 단일 소재에서 가질 수 없는 물성을 보유하고 있어, 수요 산업에서 요구하는 다양한 조건을 충족시킬 수 있고, 다양한 물성과 기능을 충족시킬 수 있는 복합재료의 사용이 필수적이며, 최근 유/무기 복합 소재의 적용도 시도되고 있다.
3D 프린팅용 분말은 금속 소재를 중심으로 수요가 증가하고 있으며, 금속 분말 제품은 고가의 장비, 높은 전력 소모, 원자재 낭비 등 비용 소모가 큰 기술 방식으로, 이를 개선한 저비용 분말 제조 기술의 확보가 요구되고 있다.
3D 프린팅용 소재를 고부가가치 산업에 적용하기 위해 전방산업의 요구 조건(형상 및 크기, 물성 등)을 만족시키는 우수한 특성의 소재 개발이 요구되고 있으며, 각종 합성수지를 비롯하여 금속 소재(금, 은, 티타늄 등), 세라믹 소재(실리카, 석영 등), 기타 소재(종이, 나무 등), 탄소섬유, 그래핀 그리고 유리섬유 등을 첨가한 복합재료 등이 3D 프린팅 소재로 개발되고 있다.
3.2. 3D 프린터
3D 프린팅 분야는 최근 자동차, 의료기기 그리고 항공우주 등 다양한 고부가 가치산업에 적용되고 있다.
자동차 산업은 3D 프린팅이 가장 많이 사용되는 분야 중 하나로, 전기차와 콘셉트카를 중심으로 경량화 소재에 개발에 적용되고 있으며, 세라믹과 A1, Ti, Ni 등 금속 및 Thermoplastic, PC, Epoxy, PA 등 고분자 소재를 중점적으로 개발하고 있다.
의료기기 산업은 인공 신체 부위와 의료제품, 조직 엔지니어링 그리고 의료 도구와 장비 디자인 등에 적용되고 있으며, 임플란트 분야에서는 시술 전 모형물의 제작 후 활용 그리고 다양한 수술에서 활용되고 있다.
항공우주 분야는 공기공급 배관, 터빈 블레이드 그리고 항공기 엔진 부품 등을 제작하는 과정에서 활용도가 커지고 있고, 기능성 고분자 소재의 개발을 통해 고강도를 부여할 수 있는 기술적 노력과 Ti, A1 등 금속 소재와 PC 고분자 소재에 대한 연구가 진행되고 있다.
4. 주안점
본 보고서에서는 최신 3D 프린터 및 프린팅 소재 기술 현황에 대해 조사하였고, 도출된 주안점은 다음과 같다.
3D 프린터 산업은 기술 중요도가 높고, 라이프사이클이 짧으며, 전방산업에서 요구하는 기술 수준이 높기 때문에 자체 기술력 및 제조 인프라 확보가 필수적으로 요구된다.
3D 프린팅 기술의 전방위적 산업 적용을 위해 소재의 물성 확보가 우선적으로 요구되며, 다양한 물성의 소재 기술 확보가 요구된다.
국내 3D 프린팅 소재 산업은 선진국 대비 기술 열위에 있고, 산업적 성숙도가 높지 않으며, 정부 주도의 활성화 지원체계가 갖추어져 있어 향후 민간에서의 경쟁력 확보가 요구될 것으로 전망된다.
참고문헌
1. 3D 프린팅 시장 및 기술 동향. 과학기술일자리진흥원, 2019.
2. 3D Printing Materials Market. MarketsandMarkets, 2020.
3. 국내 외 3D프린팅 활용사례와 시사점. 정보통신산업진흥원, 2019.
4. Current Status and Prospects of Polymer Powder 3D Printing Technologies. Materials, 2020.
5. 2021 3D 프린팅 산업 실태조사. 정보통신산업진흥원, 2022.
6. 3D 프린터. 한국신용정보원, 2022.