재료연구소에 따르면 윤 박사팀이 개발한 '광중합형 다종·이종 세라믹 3D 프린팅 신기술'은 재료를 수조(Vat)에 공급해 사용하는 기존의 광중합형 세라믹 3D 프린팅 기술의 한계점을 극복한 것으로, 재료 절감 효과가 우수하고 수조 내 빛의 산란에 의한 정밀도 저하와 재료 열화를 방지하는 장점이 있다.
가장 오래 된 3D 프린팅 기술인 광중합형 3D 프린팅은 일반적으로 빛에 의해 경화가 유도되는 레진을 수조형 용기에 담아 사용하며, 광중합형 세라믹 3D 프린팅의 경우 레진 내에 세라믹 분말을 균일하게 분산시켜 사용한다.
이때 빛이 조사된 곳만 경화가 유도되는 일반 레진 프린팅과는 달리, 세라믹의 경우 레진 내의 세라믹 입자에 의해 빛의 굴절과 산란 등이 일어나 빛이 조사된 곳 외에도 경화가 유도될 수 있다.
따라서 장시간의 3D 프린팅 동안 반복되는 빛의 조사로 소재의 열화가 발생하게 되어 한 번 사용된 소재의 재활용이 어렵고 사용된 소재보다 버리는 소재가 더 많아지게 된다.
또한 프린팅 스테이지 전체가 수조 속의 재료에 담기는 원리이기 때문에 다종 혹은 이종 소재 프린팅 구현이 어렵고 복잡·정밀한 3차원 구조체 구현에도 어려움이 많았다.
그러나 이번에 윤 박사팀은 '테이프 캐스팅 원리'를 광중합형 3D 프린팅 기술에 적용해 이러한 단점을 극복했다.
'테이프 캐스팅 원리'를 통해 필요한 양만큼 필름 위에 공급해 한 번의 빛 조사 후 회수가 가능함으로써 재활용할 수 있고, 필름 두께 제어로 더욱 면밀한 층 두께 제어도 가능하다.
아울러 항상 새로운 필름을 공급할 수 있어 다종·이종 및 경사 기능 소재의 프린팅까지 가능한 3D프린팅 장치와 소재·공정 기술을 개발했다.
연구팀은 또 필름 공급 라인의 개수를 늘려 스테이지 전체를 회전시키는 구조를 만들어 층간 다종·이종 소재 프린팅뿐만 아니라 같은 층 내에서 다종·이종 소재의 3D프린팅이 가능하도록 했다.
특히 다양한 색상을 발현할 수 있는 컬러 세라믹 3D프린팅 기술도 확보했다.
연구 책임자인 윤희숙 박사는 "이번에 개발한 기술은 종래 기술의 한계점을 극복해 기존 세라믹 공정으로는 불가능했던 복잡형상 구현뿐만 아니라 경사 기능성 혹은 다종소재 접합 등의 새로운 물성 구현을 가능하게 할 것으로 기대된다"고 말했다.
윤 박사는 또 "정보통신, 에너지, 우주항공, 전기전자, 원자로 핵심 부품 및 의료 디바이스 등의 다양한 분야에 적용이 가능하며, 세라믹 외에도 고분자, 복합재 및 금속 소재에도 적용이 기대되어 3D프린팅 분야의 신시장 개척 및 신기술 분야 창출이 가능할 것"이라고 전망했다.
한편 윤 박사팀이 개발한 '다종·이종 세라믹 3D프린팅 기술'은 산업통상자원부 산업소재핵심기술개발사업과 재료연구소 기관고유사업을 통해 개발됐다.
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