Update2024.04.17 (수)
세라믹스 3D프린팅 기술개발 현황 및 과제
인류문명의 발전과 함께 도자기, 유리, 시멘트, 내화물 등의 세라믹스 제품은 우리 사회를 지탱해 주는 기반 재료로 사용되어 왔다. 이들의 원료는 지각표면에 다량으로 존재하는 실리카, 알루미나, 칼슘, 나트륨 등이 주요 성분이며 비교적 저온에서 소성 가능하기 때문에 세라믹스는 인류가 불을 사용하면서 발전해 온 대표적인 과학기술제품이라 할 수 있다.
이와 같은 전통 세라믹스는 과학의 발전과 성형기술, 소성기술, 원료정제 기술 등의 공정기술의 발전과 더불어 전자재료, 바이오재료, 우주항공 재료, 극한 환경재료, 에너지재료, 환경재료 등 첨단 세라믹스로 발전하였다.
최근의 제4차 산업혁명의 바람은 제조기술의 혁신과 더불어 인간 생활의 혁신적인 변화를 예고하고 있다. 제4차 산업혁명이란 정보통신기술(ICT)의 융합으로 이루어내는 혁명시대를 말한다. 인공지능, 로봇공학, 사물인터넷(IoT), 무인자동차, 3D프린팅, 나노기술 등의 6대 분야가 그 핵심이라 할 수 있다. 세라믹스는 이들 분야에 필요한 핵심 부품 및 소재를 공급하는 공급자 역할을 하면서 이들의 기술을 활용하는 수요자 역할을 담당하게 될 것이다.
최근 도자기와 같은 생활세라믹스 제조과정에 3D프린팅기술이 적극적으로 도입되고 있다. 컴퓨터 기술을 활용한 제품의 설계 및 해석, 원형 가공까지 이어지는 디자인 기술은 제품 개발에 소요되는 자원을 능동적으로 제어할 수 있다. 디지털 목업 및 시뮬레이션을 통해 1차 검증과정을 갖게 되며, 이로 인해 제품 개발과정에서 발생되는 시행착오를 감소시켜 제품 개발 속도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 또한 기존 기술로는 구현이 불가능한 고해상도의 다양한 디자인과 비대칭 구조의 차별화된 디자인 제품까지도 개발할 수 있게 되었다.
그러나 아직까지 이러한 기술은 디자인 개발 및 원형 몰드 개발에만 치우쳐 활용되고 있는 실정이다. 반면에 3D프린팅 기술을 활용하여 세라믹 제품을 직접 제조할 수만 있다면 형태가 복잡한 형상의 구현 등에서 성형 단계의 한계를 벗어나 전통 세라믹스뿐만 아니라 첨단 세라믹스 제품까지도 자유롭고 손쉽게 제조할 수 있을 것이다.
그럼에도 불구하고 3D프린팅에서 쓰이는 3대 재료 중 금속재료나 유기재료에 비해 세라믹재료의 응용이 확대되지 못하는 이유는 세라믹스의 근본적인 특성에 기인된다고 할 수 있다. 세라믹스는 일반적으로 금속이나 유기 재료에 비해서 융점이 높다. 또한 취성재료로 깨지기 쉬운 약점을 갖고 있다. 따라서 세라믹스는 금속이나 유기재료와 달리 녹여서 만들기보다는 분말을 성형하고 구워서(소성 공정) 만드는 방식이 일반적이다.
문제는 이곳에 함축되어 있다. 세라믹스 분말은 접착력이 약하므로 원료에 유기 바인더를 1% 정도 첨가하여 성형체를 만든다. 성형체는 분말과 분말 사이의 공간 및 유기물이 차지하는 공간 때문에 완성품의 밀도의 50%이하 수준에 머문다. 일반적으로 취성의 성질 때문에 소성과정에서 서서히 온도를 올리는 열처리 단계를 거쳐 유기물을 태워버리며, 기존에 유기물이 차지한 자리는 기공으로 남아 이후의 소성과정에서 치밀화 단계를 거친다.
그러나 3D프린팅의 경우 성형체 제작을 위해 일반적으로 더 많은 유기 바인더를 필요로 한다. 그 이유는 프린팅하면서 바로 바로 유기 바인더를 고화시키면서 한층 한층 쌓아 올려야 하기 때문이다. 이와 같이 더 많은 유기물을 사용해야하기 때문에 3D프린팅을 통한 세라믹 완성품 밀도는 더 떨어질 수밖에 없다. 이러한 치밀화 문제는 세라믹스의 강도를 떨어뜨리고 물성 저하의 원인이 된다.
또한 유기물들의 불균질한 분포와 성형체 밀도의 부분적인 편차에 의해 소성과정 중에 크랙 혹은 열변형이 발생한다. 따라서 초기 설계와는 다른 치수와 외관의 문제점이 발생하게 되는 것이다. 또한 취성 때문에 제조 속도를 지나치게 높이면 발생되는 응력 때문에 크랙이 진행하는 문제점이 발생한다.
적층에 필요한 유기물과 세라믹소재 조화 반드시 필요
세라믹 프린팅 적용처 발굴·복합소재 개발 병행해야
세라믹스 분야에 3D 프린팅 기술을 양산에까지 적용하기 위해서는 어떠한 과제들이 해결되어져야 할까? 우리는 과거 다년 간 이 분야의 연구를 수행하면서 3가지 핵심 과제를 도출하였고 해결의 실마리를 찾아가고 있다.
결론부터 서술하자면 △3D프린팅을 위한 소재개발 △세라믹 제품에 적절한 3D프린터 개발 및 공정기술 개발 △열변형과 치수변화를 설계 단계에 사전 적용될 수 있는 시뮬레이션 연구라는 3대 과제이다. 가장 중요한 과제는 첫 번째 3D프린팅을 위한 소재개발이라 할 수 있다.
어떠한 소재가 가장 이상적인 것일까? 앞서 설명한 바와 같이 세라믹스가 성형단계를 거쳐 소성 공정을 진행하는 이상, 분말로부터 시작하여야만하고 유기바인더를 사용하여야 한다. 그 핵심 기술은 유기물과 세라믹 분말의 제어에 있다. 먼저 유기물에 관련하여, 어떻게 균질하게 산포 없이 유기물을 소량으로 분산시키는가가 핵심 기술일 것이다.
이를 위해서는 두 가지 방법을 고려할 수 있는데 세라믹 분말 표면에 유기물을 균질하게 코팅하는 기술이고 다른 하나는 유무기 하이브리드 물질을 제조하는 것일 것이다. 또 하나의 핵심기술은 세라믹 분말이다. 즉 세라믹 분말의 사이즈 분포를 최밀 충전이 되도록 정규분포로 가져가는 것이다. 이러한 유기물과 세라믹이 잘 조화된 소재의 개발이 원천적으로 중요한 기술이며 반드시 선행되어져야하는 기술인 것이다. 이러한 소재 개발에 의해 변형과 치수보존성이 일정하게 확보되어질 수 있고 이를 통해 신뢰성 있는 생산 공정을 확립해 나갈 수 있는 것이다.
두 번째로 세라믹 제품에 적절한 3D프린터 개발 및 공정기술 개발이다. 이미 많은 방식의 3D프린터가 개발되어 왔고 이들을 사용한 공정기술이 개발되어져 왔다. 그러나 이들은 기본적으로 금속과 유기/고분자 물질에 적합한 방식으로 설계되어 있다. 다양한 3D프린팅방식 가운데 현재 세라믹스 제조과정에 적극적으로 응용 가능한 방식은 BJ(Binder Jet)와 SLA(Stereolithography)방식이다. 두 방식은 주재료와 조형 메카니즘이 분리되어 있다는 것이 특징이다.
그러나 두 방식 모두 부재료인 유기물의 사용이 과도하고(고형분 약 40%), 조형 시간이 길어 생산성이 떨어지고 표면 조도의 문제로 후처리 공정이 수반되어져야 한다. 개별적으로 BJ는 세라믹 원료의 손실이 많고 사용되는 바인더의 특성에 따라 헤드에 요구되는 특정온도의 유지가 문제시 된다. SLA는 세라믹 소재의 침강 분리 문제로 인해 조형이 진행됨에 따라 소재의 균질성이 하락하여 공정 운영에 문제를 안고 있다.
세 번째 화두는 시뮬레이션이다. 우리는 초기 설계치가 완성품의 수축과 변형에 의해 일치하지 않는 상황을 인식하고 시뮬레이션을 시도하였다. 그러나 실제 소결에 대한 메카니즘을 고려한 마이크로한 시뮬레이션은 계산량이 방대하고 너무도 다양한 변수로 인해 시도되지 못하였다. 다만 수축율과 중력에 의한 변형을 고려한 초기 설계치 반영에 머물러 있는 상태이다. 이 분야는 소재와 설비의 개선에 의해 많은 부분 해소되리라 판단되지만 현 단계에서는 매크로한 시뮬레이션 연구는 필요한 단계라 할 수 있다.
앞에서 3대 핵심과제에 대해 설명하였고, 많은 연구자들의 노력에 의해 현재 극복해 나가고 있는 상황이다. 해마다 발표되는 수십조 원에 달하는 3D프린팅 시장은 세라믹 제품에 견주어 냉철하게 생각해 볼 때 너무나 거리가 멀어 보인다. 가장 활성화되어 있는 생활 세라믹스 분야조차 3D프린팅 기술을 활용하여 신제품 디자인 및 원형개발에 응용하고 있을 뿐 직접 생산은 매우 미약한 실정이다.
필자는 여기서 좀 더 근본적인 질문을 던지고 싶다. 과연 3D 프린팅 기술을 활용하여 제조해야할 만큼 복잡하고 고부가가치이며 기존의 공정기술로 해결할 수 없는 혹은 기존 공정보다 경쟁력 있는 세라믹 제품은 무엇인가이다. 최근의 3D프린팅 기술의 돌풍에 비해 세라믹 분야가 비교적 잠잠한 것은 바로 이러한 시장의 원리일 것이다. 또한 활용에 따른 높은 기술 장벽 때문일 것이다.
이러한 이슈를 충족시킬만한 고도의 세라믹 제품의 출현이 기존의 문제를 해결하고 신속하게 돌파할 수 있는 원동력을 제공할 수 있을 것이다. 현재는 바이오와 극한환경 소재를 중심으로 개발하고 있으나 좀 더 다양한 응용처의 제품이 나와 주어야 할 것이다. 또한 세라믹 전용이 아닌 금속/세라믹, 유기/세라믹, 혹은 금속/유기/세라믹의 복합체를 위한 3D프린팅 기술의 개발에도 관심을 가질 필요가 있다.
각각의 소재의 장점을 살릴 수 있는 것은 기존에 존재하지 않는 새로운 신소재의 개발이다. 각각에 적합한 다수의 3D프린터를 동시에 이용한 복합재료의 생산 방식이다. 이를 통해 3D프린팅 기술의 활용도를 높이고 소재분야의 혁신을 가져올 수 있다.
세라믹스 기술의 발전이 3D프린팅 기술의 활용을 더욱 더 쉽게 이끌 수 있고, 3D프린팅 기술의 발전이 세라믹스 제조를 더욱 더 경쟁력 있게 가져갈 수 있을 것이다. 따라서 세라믹스와 3D프린팅 기술은 향후 서로 영향을 주고받으며, 앞으로도 더욱 더 발전하는 시대를 맞이할 것이다. 향후 이 분야의 발전된 결과와 혁신적인 신소재의 출현을 기대해 본다.
