KIGAM 한국지질자원연구원

미래 제조 산업의 대표기술로 각광받고 있는 3D프린팅. 계속해서 발전하고 있는 3D프린팅 기술과 달리 현재 우리가 접할 수 있는 원료는 한정적이다. 3D프린팅 기술을 더욱 적극적으로 활용하기 위해서는 새로운 원료개발이 함께 이루어져야 한다. 한국지질자원연구원에서는 내열성, 절연성, 내화학성이 우수하고 고유한 질감을 갖는 광물을 3D프린터에 적용하는 연구를 수행하고 있다. 

3D 프린팅 기술이란 적층 제조(Additive Manufacturing, AM) 로 불리며, 디지털 도면을 바탕으로 재료를 층층이 쌓아 3차원 물체를 제작하는 기술이다. 적층 제조는 주사기에 찰흙을 채워 넣은 후 주사기를 일정한 힘으로 눌러 배출구를 통해 나오는 찰흙을 쌓아 3차원 물체를 만드는 것으로 생각하면 이해가 될 것으로 생각한다. 

전통 제조업은 설계에서 완성품에 이르기까지 여러 가지 생산 장비를 이용하는 복잡한 공정을 거치는 반면, 3D 프린팅은 Modelling(설계)-Printing(출력)-Finishing(마무리)의 3단계 과정으로 구성되어 있다. 과거에는 제품을 제조하기 위해서는 설계와 더불어 제품 제조에 필요한 다양한 가공 기술이 필요했던 것과 달리, 3D프린팅은 3D 도면과 3D 프린터를 이용하여 어디서나 제품을 빠르게 제조할 수 있게 한다. 이러한 장점으로 인해 3D프린팅은 소품종 대량생산 기조로 발전해온 과거의 제조업이 개인의 다품종 소량생산으로 변화는 데 핵심이 될 기술로 여겨지고 있다. 

우리는 이미 방송매체를 통해 3D 프린팅 기술로 제조한 집, 맞춤 형 신발, 생체 이식이 가능한 두개골과 같은 임플란트 및 자동차 등 3D 프린팅의 활용사례를 한번 이상은 접해봤을 것이다. 얼핏 생각하면 서로 다른 제품들인데 어떻게 3D 프린팅으로 제조한 것 인지 생각할 수도 있겠지만, 3D 프린팅은 원료 및 프린팅 방식에 따라 다양한 제품을 제조할 수 있다. 

3D 프린터에 투입되는 재료의 종류는 크게 세 가지로서 플라스틱 (고분자), 금속, 세라믹 또는 복합체이다. 재료의 형태는 두 가지 인데 고체 및 액체이다. 프린팅 방식은 크게 일곱 가지(Materials Extrusion, Binder Jetting, Powder Bed Fusion, Direct Energy Deposition, Photo Polymerization, Materials Jetting, Sheet Lamination)로 분류되어 있다. 

3D 프린팅 기술 활용 

3D 프린팅 기술은 1980년대 후반 세계 최초의 상용 3D프린터가 출시된 후 시제품 제작에 활용되어왔다. 기존 생산 방식으로 시제품을 제작할 경우 디자인이 바뀔 때마다 금형이나 생산 장비를 바꿔야 하는 어려움이 따랐지만, 3D 프린팅은 제품 디자인이 변경된 도면을 바탕으로 새로운 시제품을 즉각 제작할 수 있기 때문이다. 시제 품 제조 단계에서 제품의 결함을 발견하고 수정하는 과정이 수차례 반복되는 것을 감안할 경우, 기업에서는 3D 프린팅을 도입함으로서 비용 및 시간을 절감할 수 있는 장점이 있다. 이로 인해 자동차, 비행기, 가전제품, 장난감, 스포츠 용품 등 다양한 제조분야에서 많은 기업이 시제품 제작에 3D 프린팅 기술을 활용하고 있다(그림 1). 

3D 프린터를 이용하여 피규어와 같은 장식품을 만드는 것은 3D프린팅에 관심이 있다면 한번쯤 접해봤을 것이다. 직접 3D 모델을 제작하거나 또는 인터넷 검색을 통해 3D프린팅 모델을 다운로드 받아 개인용 프린터를 이용하거나 또는 3D 프린터 출력 업체를 통해 출 력할 수 있다. 보석세공 분야에서도 3D 프린팅 기술은 오랫동안 활용되어왔다. 3D 프린터를 이용하여 반지, 귀걸이 등과 같은 보석 모델을 만들고 이를 이용하여 금형을 제작한 후 보석을 제조한다. 3D 프린팅은 의학 분야에서도 다양하게 활용되고 있다. 2016년 국내에서도 3D 프린터로 출력한 타이타늄 소재의 생체 이식용 두개골을 환자에게 이식한 예가 있다. 3D 프린팅 기술을 이용하여 환자에게 맞은 정밀한 모양을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 빠른 시간에 제작 할 수 있는 것이 장점이다. 이 외 3D 프린팅은 교육 및 연구 등의 목 적으로 다양하게 활용되고 있다. 

3D 프린팅은 최근 시제품 제작 도구를 넘어 차세대 생산 기술로도 주목받고 있다. 클라우드 컴퓨팅을 활용한 3D프린팅, 한층 정교해 진 3D 모델링 및 3D 프린터가 도입된 하이브리드 공장기기 등 첨단 IT기술이 3D프린팅에 접목되면서 제조업계의 혁명을 주도하고 있다.

최근 세계를 강타하고 있는 펜데믹 상황은 산업의 디지털화를 가속화하고 있다. 세계적 팬데믹 상황에서 빠르고, 지역생산이 가능하며, 효율적 비용으로 제품을 제조할 수 있는 3D 프린팅 기술의 중요 성이 증가하고 있다. 하지만 3D 프린팅이 제조업을 혁신할 수 있는 만능이 되기 위해서는 3D 프린팅의 대표적인 문제점인 제한된 원료, 낮은 출력속도, 높은 비용 등 다양한 문제점 해결이 필요하다. 이 를 반영하듯 정보통신산업진흥원이 발간한 2020년 3D프린팅 산업 실태조사에 의하면, 3D프린팅 산업 육성을 위해 정부의 R&D지원 필요가 가장 높은 것으로 조사되었으며, 기술 분야에서는 3D프린터 장비 및 3D 프린팅 소재개발 지원 필요가 높은 것으로 조사되었다 (그림 2). 

천연광물 기반 3D 프린터 원료개발 

한국지질자원연구원에서는 3D 프린팅 분야의 활용확대를 위해 광물기반 3D 프린팅 원료 개발 연구를 수행하고 있다. 천연광물은 내열성, 절연성 및 내화학성이 높은 장점이 있으며 고유한 질감을 갖는다. 본 연구에서는 Binder Jetting(BJ, 접착제 분사방식) 3D 프린터에 적용할 수 있는 천연광물 원료를 개발하고 있다. 

BJ 3D 프린터를 이용하여 입체형상을 제조하기 위해서는 원료 파우더와 접착제가 필요하다. BJ 3D 프린터는 원료 파우더를 일정 두께로 평평하게 도포한 후, 경화가 필요한 부분에 접착제를 분사한 다. 원료 파우더 도포와 접착제 분사 과정을 반복해서 입체 형상을 제조한다(그림 3). BJ 3D 프린터에 투입되는 원료는 석고가 일반적 이며, 최근 모래를 이용하는 BJ 3D 프린터도 소개되었다. 

BJ 3D 프린터용 원료를 개발하기 위해서는 크게 두 가지가 요구된 다. 첫 번째는 원료 입자에 관한 것이다. BJ 3D 프린터는 원료 파우더를 0.1 mm 두께로 일정하게 도포하게 되는데, 이를 위해 원료 입자의 크기 및 형태를 제어하는 기술이 요구된다. 두 번째는 접착제에 관한 것으로, 원료 파우더 입자를 결합시킬 수 있어야 한다. 

본 연구에서는 도자기 제조에 사용되는 광물을 대상으로 BJ 3D 프린터에 적용 가능한 원료 제조기술을 개발하고 있다. 원료 제조 기술은 크게 대상 광물을 특정 비율에 혼합하는 기술, 특정 입자 크기의 원료 제조를 위해 원료 광물을 분쇄하는 기술, 3D 프린터 내에서 원활한 도포가 일어날 수 있도록 입자의 형태를 제어하기 위한 기술 및 입자와 입자를 결합시키기 위한 접착제 개발로 구성되어있다(그림 4). 

본 연구에서는 특정 비율로 혼합된 광물입자 제조를 위해 Air Jet Mill을 이용한 분쇄기반 복합과 기술을 적용하였다. 개별 광물들의 분쇄 특성을 고려하여 분쇄 및 균일한 복합화가 일어날 수 있도록 하였다. 0.1 mm 두께로 원료를 도포하는 BJ 3D 프린터에 적용하기 위해 최종원료의 입자크기를 평균 45 ㎛ 크기로 제조하였으며, 균일한 도포가 일어날 수 있도록 입자의 형태를 구형으로 제조하였다. 

45 ㎛ 크기의 구형입자 제조를 위해 원료광물을 1 ㎛ 이하 크기로 분쇄한 슬러리를 분무 건조하여 구형의 입자를 제조하였다. 현재 기술개발을 통해 제조한 원료를 3D 프린터에 적용하여 입체구조물을 제작하는 실험을 수행하고 있다(그림 5). 해당 기술개발은 BJ 3D 프린터에 적용하기 위한 광물기반 원료를 제조할 수 있는 기술 개발이며, 동일한 개념을 적용하면 요업 원료뿐만 아니라 다양한 광물을 3D 프린터 원료화할 수 있다. 

본 연구에서 개발하는 3D 프린터 원료를 활용할 경우, 우리 생활과 밀접할 뿐만 아니라 특유의 안정성 및 환경 친화적 특성을 갖는 광물의 장점을 활용하여 3D 프린팅을 통해 생활용품 뿐만 아니라 모델, 주형, 부품, 인공어초 등 제조가 가능할 것으로 생각한다. 또한 3D 프린팅 기술개발은 전문 인력 감소 및 고령화, 다품종 소량생산으로의 변화 요구를 받은 전통 제조업의 어려움을 해소 하는데 기여할 수 있을 것이다.