윤 해 룡 안동대학교 기계자동차공학부 박사과정 ㅣ e-mail : [email protected] 김 호 찬 안동대학교 기계자동차공학부 부교수 ㅣ e-mail : [email protected]
3D 프린팅 기술은 AM(Additive Manufacturing Technology)을 기반으로 한층 한층 재료를 적층하여 구조물을 제작 하는 방식이다. 3D 프린팅 기술은 다양한 산업 분야에서 쟁점으로 대두되고 있으며, IRS Global이나 Wohlers Associates와 같은 회사들의 보고서에 따르면 이미 200여 개에 달하는 3D 프린터 모델들이 출시・판매되고 있다.
3D 프린팅 기술은 앞으로 10년 이내 100억 달러 이상 규모의 시장을 형성할 것으로 예측하고 있다. 오바마 대통령이 미 의회 2012년 연두 연설에서 오랜 침체기를 겪은 미국의 제조업이 다시금 기회를 얻을 수 있도록 해 줄 기술로
‘3D 프린팅’을 꼽고 지원하고 있다. 이러한 3D 프린팅 기술은 메크로 스케일의 제품뿐 아니라 나노/마이크로 스케일 에서도 활용되고 있으며, 그 실례를 살펴보기로 한다.
3D 프린팅 기술은 산업계의 혁명이 라 불릴 정도로(3차 산업혁명을 이룰 기술) 엄청난 파급효과를 불러일으킬 것이라는 전망들이 있는데 간단한 생 활용품부터 항공우주영역에 이르기까 지 그 활용분야는 무궁무진하다. 3D
프린팅 기술은 그림 1과 같이 아주 얇은 두께로 한층 한 층 적층시켜 하나의 형태를 만들어내는 기술로 일반적 으로 한 겹의 두께가 수십 마이크로미터 정도이다. 그
러나 요구되는 정밀도 수준에 따라 수 마이크로미터 수준의 층 두께를 갖는 섬세하고 정밀한 가공이 가능하다. 또 한 현재 하나의 제품을 만들기 위해서 는 금형제작을 하고 금형을 통해 사출 을 하는 일련의 과정들을 모두 생략하 고 그 자리에서 바로 제품을 만들어낼 수 있기 때문에 시간과 비용 측면에서 모두 한발 앞선 진보된 기술이라 고 할 수 있다. 또한 적층방식은 아무리 복잡한 설계 및
마이크로분야 응용
3D 프린팅의 가장 큰 장 점은 복잡한 설계 및 형상 의 제품이라도 한 번의 과 정으로 제작할 수 있다는 것이다.
그림 13D 프린팅 기술
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형상의 제품이라도 한 번의 과정으로 제작할 수 있다.
3D 프린팅과 마이크로/나노 스케 일 제조기술
최근 3D 프린팅을 이용한 나노/마이
크로 제작기술의 발달로 기능성 부품이나 제품이 점차 소형화, 집적화되어 그 활용 범위가 바이오산업에서 항 공우주산업까지 다양하게 확대되고 있다. 이러한 기능 성 마이크로 부품 제작에는 일반적으로 고분자 재료가 많이 쓰이고 있으며, 고 강성 및 내 화학 성질이 필요한 부분에 대해서는 세라믹 재료가 주로 쓰이고 있다. 최 근 나노미터 단위의 세부구조를 가진 마이크로 스케일
크기의 제품들이 다수 등장하고 있다.
신생기업 Nanoscribe는 미세하게 레이 저를 조정하여 30나노 스케일 단위의 구조물을 생산할 수 있는 3D 프린터를 선보였다. 특히 기존에는 한 시간 넘게 걸리던 작업을 1분 이하로 단축시킬 만큼 빨라졌다는 장점도 있다. 정밀하 게 소재를 가공할 수 있는 3D 프린팅은 기존에는 불가 능하다고 여겨졌던 제품을 생산할 수 있는 기반이 될 수도 있다. 그리고 마이크로 스케일의 구조물을 제작하 기 위해서는 레이저 가공이나 다른 가공방법을 채택하 게 되면 많은 시간과 비용을 필요로 했다. 하지만 3D 프린팅 기술을 이용함으로써 기존의 방식보다 빠른 시 간에 경제적으로 마이크로 스케일의 구조물을 제작할 수 있다. 3D 프린팅 기술을 이용하여 마이크로/나노 스 케일의 구조물을 제작하는 방식에는 광조형 방식이 대 표적이다. 그중 나노 스케일의 제조 기술에 최근 광원 의 회절한계를 극복하여 100nm급 정밀도를 지니고 3차 원 마이크로 형상제작에 유리한 이광자 흡수 현상(Two- photon absorption)을 이용한 3차원 미세형상 제작에 관한 연구 또한 진행되고 있다. 금속의 경우 이광자 흡 수 광환원 현상(Twophoton induced photoreduction) 을 이용하여 원하는 위치에 금속이온을 환원시켜 3차원 마이크로 금속형상을 제작할 수 있다.
DMD기반 마이크로 광 조형과 의공학적 응용
마이크로 광조형 기술은 하나의 층을 경화시키는 방 법에 따라 주사방식(Scanning method)과 전사방식 (Projection method)으로 구분할 수 있다. 주사방식은 경화된 한 층을 만들기 위하여 하나의 점에 집속된 광 의 점을 물체의 외곽모양에 따라 컨투어(Contour)를 주 사한 후 내부를 격자 방식으로 드문 드문 채워서 경화 시키는 방식이다. 주사방식의 장점은 광이 한 점에 고 도로 집중되기 때문에 매우 높은 에너지를 일순간에 가 마이크로 광조형 시스템
(SLA)의 가장 큰 장점은 많은 고분자 재료의 사용 이 가능하고 고해상도의 구조물을 제작할 수 있다 는 것이다.
그림 2SLA 3D 프린팅 기술
그림 3마이크로 광조형 시스템
할 수 있다는 점이다. 따라서 주로 출력이 낮은 레이저 를 광원으로 이용하는 경우에 널리 사용되고 있다. 이 방식의 단점은 스팟의 크기가 작을수록 전체 형상을 다 채워 경화시키는 데 많은 시간이 소요된다는 점이다.
반면에 전사방식은 일정한 크기의 면적을 한 번에 경화 시키는 방법으로 경화되는 영역과 그렇지 않은 영역은 동적으로 생성되는 마스에 의해서 선택된다. 마스크의 생성을 위하여 기존에는 LCD(Liquid
Crystal Display)가 주로 사용되었으 나, 이 LCD 속에 광원으로 주로 상용 되는 UV광선에 의해 열화가 되는 물 질이 들어 있어서 오랫동안 안정적 으로 활용하기는 어려웠다. 그러나 최근에는 픽셀별로 마이크로 미러를 설치하여 광의 반사유무를 결정할 수 있는 DMD(Digital Micromirror Device)가 보급되고 있으며, 점차 안 정성이 높고 투과율이 높은 DMD를 이용하는 기술이 일반화되고 있다.
그림 3은 전사방식을 이용한 마이크 로 광조형 시스템이다. 위의 시스템 을 이용하여 그림 4, 5와 같은 마이 크로 구조물을 제작한 것이다. 그림 4, 5의 구조물은 마이크로 단위의 구 조물을 제작한 것이고, 또한 생분해 성 소재를 이용하여 마이크로 니들 을 제작한 것이다. 그리고 또한 심장 혈관에 삽입하는 금속 그물망인 스 텐트(Stent), 위에서 언급한 통증없 이 주사를 놓을 수 있는 마이크로 바 늘(Microneedles), 수 마이크로 미터 단위로 게코도마뱀(Gecko)의 발바 닥을 모사한 접착제 등이 대표적이 다. 이에 따라 이들 제품을 생산할 수 있는 공정도 함께 연구되면서 3D
프린팅이 여러 대안 중 하나로 주목받고 있다.
센서의 응용
최근 바이오기술 중 중요한 영역으로 각광 받고 있는 분야로 랩온어칩을 들 수 있다. 랩온어칩은 말 그대로 생물학, 화학 실험실의 구성 요소를 미세화하여 하나의
그림 4마이크로 구조물 제작(왼쪽 (a) 마이크로 와인 컵 (b) 마이크로 칵테일 잔 (c) 마이크로 컵 (d) 마이크로 믹서 , 오른쪽 (a) 마이크로 니들 (b) 고세 장 비 구조물)
그림 5 생분해성 및 다중재료 마이크로 구조물 제작
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칩 형태로 구현하는 것이다. 랩온어칩을 사용하면 미량 의 생체 시료 및 시약을 사용함으로써 분석의 효율성 및 정확성을 증대할 수 있으며, 또한 하나의 단일 세포 에 생물학적 화학적 반응을 유발하여 그 결과를 검출할 수 있도록 하여 나노 바이오 기술의 발전에 중요한 역 할을 할 도구이다. 그리고 랩온어칩은 마이크로 스케일 의 구조물이기 때문에 3D 프린팅 기술의 하나인 SLA를 통하여 제작되었다.
최근 로봇 기술의 발달로 여러 분야에 걸쳐 로봇기술 들이 적용되고 있다. 많은 로봇기술들이 인간과 같은 방식으로 작동하기 위해서는 외부자극, 온도, 시각데이 터, 후각 등의 여러 가지 외부 자극을 수용할 수 있는 장 치들이 필요하다. 그중 사람의 피부와 같은 작용을 하 기 위해서는 로봇의 손 부분에 외부자극을 수용할 수 있는 센서장치들이 필요하다. 로봇용 유연 촉각 센서는 사람의 피부와 유사한 형태로 제작하여야 한다. 로봇의 손에 장착하기 위해서는 신축성이 포함된 촉각센서가 필요로 되고 있다. 이러한 신축성이 포함된 촉각 센서 를 개발하기 위해 먼저 센서 부분을 제작하는 시스템의
개발과 외부 자극을 효과적으로 받아들이기 위한 장치 가 필요로 하다. 유연 촉각 센서 제작 시스템 역시 3D 프린팅 기술을 활용하여 센서를 제작하였다. 센서의 소 자는 선폭이 500~700마이크로 미터로 제작 되었다.
전자부품에의 응용
신속하고 저렴하게 3D 프린트 전기회로에 대한 제조 방법이 개발되었다. 이 기술은 딱딱하거나 유연한 재료 에 임의의 모양의 도체를 인쇄하는 기술이다. 나노 입 자의 잉크를 잉크젯 기술로 프린트하여 화학적 금속입 자를 분사하고, 열로 인해 시간이 적게 걸리도록 실버 나노 입자 잉크를 사용하여 프린팅 하는 기술이다. 이 기술로 전자부품에 응용이 가능하고, 학교에서 저 비용 으로도 학생들에게 기본 전자의 원리를 학습할 수 있 다. 그리고 이러한 회로 인쇄 기술을 이용하여 계산기, 온도제어기, 배터리 충전기 등의 전자장치들을 3D 프 린트 기술로 제작할 수 있다.
최근 자동차, 전자제품 등의 제조 시장은 신제품이 빠르게 개발되고 출시를 위하여 시제 품 제작 시 3D 프린팅 기술이 많이 사 용되고 있다. 적은 비용으로 시제품 제작이 가능해지면서 수요나 요구사 항에 신속하게 대응하면서 제품 생산 이 가능하다. 3D 프린트 기술의 다양 한 방식 중에서 대부분은 단일 재료를 적층하여 형상을 조형하는 방식이다.
이와 달리 3D Molded Interconnect Devices(3D- MIDs) 기술은 사출 성형 으로 제작한 플라스틱 부품의 표면에 전도성 회로 패턴을 포함시킬 수 있 다. 이 기술을 적용하면 기판과 기계 및 전기 부품을 통합시킬 수 있으므로 기존 부품 생산 공정은 사출성형 후 기판 조립 및 배선을 연결함으로써 시
그림 63D 프린팅 기술을 이용한 유연 촉각센서 제작 및 적용
간, 비용, 인력이 많이 요구되었지만 이 기술을 이용하 게 되면 이러한 단점을 보완할 수가 있다. 이러한 단점
을 보안할 경우 조립의 공정수가 감소될 뿐 아니라 부 품의 신뢰성 또한 향상될 것으로 예상된다.
그림 7일반 크루즈 컨트롤 스위치와 3DCD 크루즈 컨트롤 스위치 차이점 및 3DCD 크루즈 컨트롤 스위치 제작
