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2017 세라믹 기술백서-‘세라믹 3D프린팅(적층조형) 기술’[2018년 신년특집]

미개척 틈새시장 ‘세라믹 3D프린팅’, 선점 위한 투자 시급



‘적층조형’(additive manufacturing, AM) 기술 혹은 ‘3D프린팅 기술’이란 필요로 하는 3차원 형상을 CAD모델링이나 스캐닝 작업을 통해 구체화한 후, 적층조형 가능하도록 2차원으로 미분한 ‘데이터’와 물성을 구현할 수 있는 ‘소재’를 3D프린터라고 하는 ‘장비’에 도입해 한 층씩 쌓아올려 3차원 형상을 구현하는 기술이다.

1981년 H. Kodama에 의해 처음 보고되고 1987년 척헐(C. Hull)에 의해 처음 상용화된 광경화성 고분자 소재를 이용한 다양한 기법이 제안됐고 1990년대에는 금속과 세라믹의 적용가능성이 보고됐다. 2013년 오바마 전 미국대통령의 국정연설을 기점으로 글로벌 이슈화 돼 고분자, 금속시장을 중심으로 상용화 기술이 빠르게 확대·발전하고 있다.

고분자와 금속은 다양한 3차원 복잡 형상으로 성형이 가능하지만 세라믹은 취성 (brittleness)과 높은 경도 (hardness)로 인해 복잡형상 성형·가공이 어렵기 때문이다. 또한 세라믹 3D프린팅 기술의 필요성에 비해 타 소재 대비 기술발전이 매우 늦은 편이며 상용화를 위한 기술 장벽도 높다고 할 수 있다.

성형·가공 한계를 극복하기 위해 3D프린팅 기술적용이 더욱 절실한 시점인 것이다. 또한 용융·고화가 가능한 금속 및 고분자는 3D프린팅 된 구조체가 표면가공을 제외하고는 최종 산물이 될 수 있으며 기술의 완성도가 3D프린팅 장비 기술에 크게 좌우되고 장비기술발전과 더불어 신뢰성 있는 제품제조가 가능하다.

하지만 용융·고화가 어렵고 고온소결에 의한 입자간 결합에 의해 구조안정성과 물성이 확보되는 세라믹의 경우 3D프린팅 된 구조체는 성형체에 불과하며 탈지와 소결같은 후처리 공정이 대부분 필요해 3D프린팅 하는 장비기술과 원료소재 및 공정을 포함한 세라믹 소재기술 의존성이 매우 높다.

이러한 특성을 고려한 세라믹 소재에 특화된 3D프린팅 기술개발이 다양하게 진행돼 왔으며 최근 상용화 기술도 다수 보고되기 시작하고 있다.

■ 모든 3D프린팅 적층방식에 적용 가능한 세라믹 소재

세라믹 소재는 ASTM F2792-12a에서 분류된 7가지 3D프린팅 방식 모두에 적용가능하며 그 외, 기본 프린팅 방식을 기반으로 세라믹 특유의 공정을 도입한 새로운 다양한 방법들도 제안되고 있다.

대표적으로는 프린팅 소재 형상별로 분류해보면 분말을 원료로 하는 binder jetting법, powder bed fusion법, direct energy deposition법과 필라멘트 혹은 패이스트 형태로 프린팅 하는 material extrusion 방법, 슬러리 형태로 프린팅하는 photo polymerization법과 얇은 필름형태로 프린팅 하는 sheet lamination법이 있다.

이 중 상용화된 기술로는 binder jetting법, material extruding법과 photo polymerization기법이 있다.

Binder jetting법은 주로 전통 세라믹 응용분야에서, material extrusion법은 다양한 연구응용 목적과 예술품 제작분야에서, 그리고 photo polymerization 기법은 advanced ceramics관련 분야에서 응용을 시도 중이다. 아래는 상용화된 기술 중심으로 정보를 제시했다.

■ Binder jetting(접착제 분사)법

최초의 세라믹 3D프린팅은 1990년 MIT의 E. Sachs가 금속주조용 세라믹 몰드제작을 위해 알루미나 분말에 바인더로써 콜로이달 실리카를 혼합한 페이스트를 만들어 3차원 형상을 적층 조형한 것이다.

저비용, 빠른 조형속도, 다양한 소재적용, 대규모 조형이 가능함은 물론 3차원형태 유지용 서포터가 별도로 필요하지 않는 것이 장점이다.

정밀도는 재료조건 (입자크기, 분말 흐름성 및 젖음성) 및 공정조건 (성형방향 및 적층두께 등)에 의해 크게 좌우되며, 일반적으로 다공체 제작에는 유리하나 높은 기계적 물성이 요구되는 치밀체 제작에는 불리해 도자기나 사형주조틀 및 의료부품 제작에 주로 이용된다.

상용화된 시스템을 공급하고 있는 대표적인 회사로는 3DSystems (2012년 ZCorp 매수에 의함), ExOne과 Voxeljet이 있으며 그 외 이탈리아 회사인 Desamanera의 상용화 시작이 보고되고 있다.

ExOne, Voxeljet과 Desamanera는 주로 큰 규모의 세라믹 파트 제작을 목적으로 하고 있는 반면에 3DSystems는 소·중형의 파트제작을 주 목적으로 하고 있다. 3DSystems는 세라믹 재료를 생산하지 않고 독일의 WZR과 미국의 Tethon3D에서 공급받고 있다. 관련사들이 사용하고 있는 기술은 모두 유사하며 전통 세라믹제조에 대부분 활용되고 있다.


고분자·금속比 성형·가공 어려워 상용화 장벽 高, 응용기술 활발

소결공정 대체 기술개발 중점, 재료硏 다종세라믹 3D시스템 개발



■ Material extrusion(재료압출)법

세라믹 분말을 포함하는 페이스트 혹은 전세라믹(preceramic) 전구체를 연속적으로 노즐을 통해 압출, 3차원 조형하는 방법이다. 큰 장점은 노즐을 통과할 수 있고 토출 후 형상을 유지할 수 있도록 제어할 수 있다면 어떠한 소재도 사용이 가능해진다는 점이다.

페이스트를 사용할 경우 노즐을 통한 원만한 재료 토출을 위해 페이스트의 점도, 유동성, 작업성, 성형성 등이 중요하며 이를 제어하기 위한 입자크기 및 분포도 제어 등의 기술을 필요로 한다.

필라멘트 형태를 사용할 경우 열가소성 수지 내에 균일하고 높은 충진률로 세라믹 입자를 분포시키는 기술이 필요하다. 노즐을 통해 압출되는 페이스트 혹은 필라멘트의 적층으로 3차원 형상을 제어하므로 노즐을 통해 압출된 기둥의 두께에 의해 표면조도와 정밀도가 결정되고 기둥사이의 간격으로 기공구조 제어가 가능하나 치밀체의 경우 기둥사이에서 생길 수 있는 공극으로 제작에 제약이 따른다. 또한 층간에 적층하는 조건에 따라 결합력에 영향을 미치며 이는 소결 등에 의한 세라믹 구조물의 부피수축 시 뒤틀림 현상이나 층간 박리현상의 원인이 되기도 하므로 공정과정에서 예방을 위한 조건 제어가 매우 중요하다.

재료압출법의 응용분야는 매우 다양하다. 매우 큰 시스템에 적용한 시멘트 구조물 제작부터 도자기 등의 예술품을 포함한 생활 세라믹 제작에 널리 활용되고 있으며, 정밀도를 필요로 하는 바이오메디컬 분야에서의 다양한 적용과 필터, 촉매, 포토닉 밴드구조, 압전작용기, 마이크로 배터리 및 국방 항공우주부품제작 등 다양한 분야에서의 활용이 제안되고 있다.

하지만 상용화된 기술은 많지 않으며 가장 대표적인 기업은 이탈리아의 WASP이다. WASP는 독자적 liquid deposition modeling법과 공압시스템을 세라믹 3D프린팅에 이용하고 있으며 최대 3m크기까지의 장비제작을 시도하고 있다. 그 외 다양한 데스크탑 크기의 장비가 개발되고 있으나 상용화 가능성은 명확히 제시되지 않았다.

■ Photo-polymerization(광중합)법

1996년 Griffith에 의해 빛에 의한 중합반응으로 경화되는 고분자에 알루미나, 실리카, 질화규소 분말을 각각 혼합해 3차원 형상제작을 시도한 것을 시작으로 다양한 소재에 대한 적용 가능성이 보고되고 있다.

빛의 조사방식에 따라 laser based-stereolithography (SLA)와 digitallight projection (DLP)법으로 구분된다.

두 가지 방법 모두 세라믹 3D프린팅에 적용가능하며 고정밀·고강도 세라믹 부품제작에 적합하며 advanced ceramic 제조기술로 상용화가 가속화되고 있는 기술이다.

일반적으로 Vat이라 불리는 수조안에 슬러리 형태의 세라믹 입자를 포함한 광중합성 고분자를 채우고 수조의 수평과 재료의 표면을 균일하게 제어한 후 레이저 장치로 광선의 조사폭과 조사량, 거리 및 시간 등을 제어해 필요한 부분에 필요한 두께만큼만 경화시킨 후 한층 아래나 위로 스테이지를 이동시키고 경화되지 않은 새로운 슬러리를 도포한 후 같은 공정을 반복해 3차원 형상을 제조하는 공정이다.

일반적인 고분자용 광중합방법과의 가장 큰 차이점은 세라믹 입자로 인한 산란유발 및 경화도 제어의 난이성과 3D프린팅 후 광경화 고분자를 제거하고 입자간 결합을 유발하기 위한 탈지와 소결공정이 필요하다는 것이다.

즉, 세라믹입자를 최대한 많이 광중합이 원하는 곳에서만 일어날 수 있도록 광경화성 고분자 내에 세라믹 입자를 분포시키고 산란을 억제 및 광흡수 효율을 향상시키는 재료설계 기술과 열처리 후 뒤틀림, 균열 등의 결함이 일어나지 않도록 하기 위한 탈지 및 소결의 후처리 공정기술 확보가 추가로 필요하다.

이는 3D프린팅 된 세라믹 소결체의 정밀도 및 물성 신뢰도 확보와 직결돼 있다. 관련 장비의 경우 레이저 기술을 사용하기에 타 기법에 비해 비교적 높게 형성돼 있으나 기존 다양한 복잡형상을 필요로 하는 advanced ceramic 부품분야에서 제작하지 못했던 형상제어가 가능하고 공정 단순화가 가능하며 확보된 물성이 기존 공정의 것과 크게 다르지 않다.

이에 현재 장비 및 일부 소재기술이 가장 넓게 상용화되고 있다. 다양한 정밀부품, 에너지·환경, 우주항공 및 바이오의료분야에서의 응용이 제안되고 있다.


의료·항공·車·건축·디자인·에너지 응용, 2027년 3조2,600억 시장

기술 상용화 초기 단계, 소재·공정데이터 확보 연구환경 구축해야



■ 소결공정 거치지 않는 새로운 시도 활발

일반적으로 금속 소재에 널리 적용되고 있는 분말적층용융방식(powder bed fusion)의 세라믹 적용도 오랫동안 시도됐지만 열충격 및 팽창에 의한 구조체 균열발생제어에의 한계점과 레이저소결 후에도 고밀도화를 위한 추가적인 소결이 필요하다는 부분에서 상용화된 기술은 극히 제한적이다.

프랑스의 Z3DLAb에서 임플란트 제작을 위해 개발된 티타늄 세라믹 조성분말을 SLM방식으로 개발한 것이 유일하다 할 수 있다. 아직 상용화는 되지 않았으나 접착제 분사방식의 응용으로 HP는 세라믹용 multi-jet fusion방식의 개발 성공을 보고하고 있다. 이스라엘의 XJet는 원래 금속용으로 개발한 nanoparticle jetting technology(NPJ)의 세라믹 적용 가능성을 시사하고 있으며 특히 지르코니아 프린팅은 상용화는 안됐지만 다양한 색상·세라믹 종류를 사용한 다종소재 프린팅 가능성도 시사하고 있다.

세라믹 공정에서 반드시 필요로 하는 소결공정을 없애고자 하는 연구개발도 실시되고 있다. 일본의 NEXT21은 접착분사 방법과 화학적 세라믹 경화방법을 이용해 소결을 하지 않고 인체골 기능을 대체할 수 있는 의료 디바이스 제작기법을 확보하고 네덜란드 회사인 Xilloc에서 판매중이다.

국내의 재료연구소에서는 독자적 세라믹 재료압출방식과 골시멘트 경화반응을 이용해 소결을 거치지 않고 기공율 50%이상 에서 압축강도 20MPa 이상을 확보할 수 있는 신규 골이식재 제조공정과 다양한 기능화 기법을 확보했다. 소결공정을 거치지 않으므로 취성이 높지 않아 screwing 등 가공이 가능하며 동물시험을 통한 유효성 검증을 거쳐 현재 상용화를 위한 준비단계에 있다.

또한 재료연구소는 기존 광중합형 세라믹 3D프린팅 방식의 정밀도 및 재료 소모성 등의 문제점을 해결하고 다종 세라믹 3D프린팅기법 개발로 형상과 함께 3차원 조성분포 제어도 가능한 새로운 3D프린팅 기법도 제안하고 있다.

즉, 기존 수조에 재료를 한꺼번에 공급하는 방식은 세라믹 입자에 의한 산란을 완벽하게 제어하지 못하는 세라믹 광중합 방식에 있어 프린팅 되는 시간동안 빛에 노출돼 사용하지 않은 재료 열화로 재료 재사용에 신뢰성 확보가 어려운 점, 재료 리코팅 시 블레이드로 한 층의 두께를 제어하는 방식이므로 두께제어가 용이하지 않은 점, 다종 소재 사용이 어려운 점 등의 문제점이 있다.

이를 극복하기 위해 한 번에 재료를 공급하는 수조형 대신 필요한 양만 깨끗한 투명필름 위에 공급하는 방식으로 전환하고, 한번 빛에 노출 후 회수할 수 있도록 하며, 필름 공급라인을 복수로 설정함과 동시에 소재 혼입을 방지하기 위한 세척·건조모듈을 개발하고, 다종소재 프린팅 시 소재에 따른 프린팅 위치정확도를 확보하기 위해 광학모듈 및 프린팅 스테이지 일체형 수평회전 모듈을 개발했다.

해당 기술은 기존 세라믹 광중합 방식의 문제점 극복으로 비교적 소재단가가 높은 광중합형 세라믹 3D프린팅 소재의 사용량을 획기적으로 줄여주고 재활용 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 필름두께를 2번의 과정을 통해 제어하는 것으로써 기존 25μm까지 가능하였던 적층가능 두께를 10μm급으로 제어할 수 있었다.

■ 세라믹 3D프린팅 응용분야 및 시장전망

세라믹 3D프린팅 기술은 복잡한 3차원 형상제작 뿐만이 아닌 단순한 구조에도 종래 접합에 의해서만 제작 가능했던 다양한 세라믹 부품의 공정 단순화에도 그 응용이 기대된다.

자동차에 쓰이는 다양한 세라믹 부품뿐만이 아니라 선박, 전철, 항공우주, 가전, 에너지, 바이오의료 디바이스, 정밀부품 및 몰드, 아트/디자인 및 건축 등 다양한 기술분야에서의 적용이 기대되고 있다.

세라믹 3D프린팅 시장은 앞 절에서 설명한 이유로 타 소재에 비해서 늦게 형성되었으며 아직은 비교적 작은 시장으로 3D프린팅 기술 전체시장에 있어 틈새시장이라 할 수 있다.

세라믹은 타 소재에 비해 3D프린팅 기술도입 이유가 보다 명확하며 3D 프린팅 기술 도입에 의한 공정혁신과 기능성 개혁 효과를 더욱 크게 기대할 수 있다. 문제는 해당 기술을 연구실 수준이 아닌 어떻게 상용화 수준으로 확대시키느냐 이다.

또한 전통 기법을 고집하고 있는 시장의 분위기에서 세라믹 3D프린팅 기술을 안착시키기 위해서는 기술의 확실한 효과와 유용성을 나타낼 수 있는 특정 응용분야를 제안하고 검증해 나갈 필요가 있다. 더불어 기존 공정대비 물성의 동등성 혹은 우수성, 비용절감 효과 등을 검증할 DB확보 및 소재다양화에 따른 공정 최적화도 필요하다.

이러한 이유로 종래 고분자 및 금속 3D프린팅 시장의 성장 경험을 바탕으로 유추되는 세라믹 3D프린팅 기술시장 전망은 단기적(~2021년)으로는 느린 시장성장이 기대되나, 기술안정화 및 검증에 따라 급격히 증대될 것으로 예상되고 있다.

이에 세라믹 3D프린팅 시스템 (hardware), 재료 및 제조서비스를 포함한 시장규모는 2027년에 3조2,600억원(30억불)에 이를 것으로 예측되고 있다.

■ 시장 선점 위한 정부의 관심·투자 절실

세라믹 3D프린팅 기술은 1990년 초반 그 활용가능성이 제시된 이래 다양한 방면에서의 기초연구가 재료연구자들 중심으로 진행돼 왔으며 2010년대에 들어 유럽을 중심으로 급격히 상용화 기술 개발 및 기술적용분야 발굴이 이루어지고 있다.

기술의 성숙화와 성장을 위해서는 아직 해결해야 할 과제를 많이 남기고 있는 분야로 경쟁적 기술상용화 초기단계에 있다고 할 수 있다. 세계 기술에 비해 크게 뒤떨어져 있는 고분자 및 금속 3D프린팅에 비해 기술격차가 비교적 작아 한국형 기술개발로 세계기술 시장을 선도할 수 있는 기회가 아직 남아있으며 국내 몇몇 연구진들이 그 가능성을 보여주고 있다.

국내 세라믹 관련 기업들의 기술도입 요청도 날로 뜨거워지고 있지만 국내에서 세라믹 3D프린팅 관련 연구를 체계적으로 수행하고 있는 연구팀은 극히 소수로 기업의 이러한 기술요청에 응대할 수 있는 인프라 및 연구인력 등의 환경 역시 극히 열악하다.

타 소재에 비해 해결해야 할 과제가 더욱 많고 소재 및 공정 DB확보가 절실한 현 상황에서 세라믹 3D프린팅 관련 연구 활성화 및 인력 및 인프라 구축 등의 연구 환경 조성이 시급하다.

세라믹 3D프린팅 산업은 정부의 지대한 관심과 투자가 반드시 필요하며 이를 통한다면 조기 국가 기술경쟁력 확보 및 관련 기술 로얄티 시장창출을 충분히 기대할 수 있을 것이다.
▲고분자·금속 적층조형기술과 세라믹 적층조형기술 비교
세라믹 3D프린팅 기술 분류
광중합형 세라믹 3D프린팅 소재 가격비교(左)와 재료연구소 개발 필름공급형 다종세라믹 3D프린팅 시스템 (우)
세라믹 3D프린팅 기술시장 전망(자료:SmarTech Publishing, 2017)

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