신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(10)-제2장 3D 프린팅 소재-세라믹 3D 프린팅(1)-집필 배창준/이희정(재료연구소)

신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(10)-제2장 3D 프린팅 소재-세라믹 3D 프린팅(1)-집필 배창준/이희정(재료연구소) - 세라믹 난 성형성 극복, 주력산업 고부가 이끈다

기사등록 2019-06-12 09:55:31

재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 9번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘4차 산업혁명 대응소재’다. 센서, 3D프린팅, AI용 반도체, 빅데이터 이용 소재 개발 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2017’을 연재한다.

세라믹 난 성형성 극복, 주력산업 고부가 이끈다

■ 기술의 정의 및 분류

세라믹은 석기시대부터 오랜 시간 동안 인류의 역사와 함께 해온 소재인 동시에 4차 산업 혁명 및 미래 산업에도 필수 불가결한 소재로 여겨지고 있다. 광물에 열을 가해 형성되는 비금속 무기재료인 세라믹은 물리적, 화학적 처리 및 고온 가공을 통해 이온결합 및 공유결합 등 매우 강한 힘으로 연결되어 있다. 매우 강한 결합을 갖는 세라믹은 금속, 고분자, 섬유 등의 소재에 비해 여러 고유한 특성을 보유하고 있는데 전자기적 절연성, 열적 내열성, 기계적 내마모/내식성, 생체적합성 등이 우수하다.

우수한 고유 특성들을 기반으로 세라믹은 전자 세라믹, 에너지·환경 세라믹, 엔지니어링 세라믹, 바이오 세라믹, 전통 세라믹으로 분류되며 아래 <표 3-2-2-1>에 열거되었듯 다양한 분야에 활용되고 있다. 더욱이 향후 신사업들인 스마트 자동차, 로봇, 항공 우주, 첨단 바이오 등에 활발하게 적용될 것으로 여겨지고 신사업의 고도화 및 고부가가치화를 선도할 것으로 예상된다.

금속과 폴리머 소재는 연성이 좋아 쉽게 변형 및 가공성이 뛰어나 값싸고 쉽게 최종 산물을 제작하는 반면 세라믹은 최종 제품 제작을 위해서는 분말 형태의 세라믹을 바인더와 혼합하여 원하는 형상으로 성형한 후 탈지 및 소결 공정 등과 같은 다양하고 복잡한 제조공정 단계들이 요구된다. 우수한 물성을 갖는 최종 제품 제작을 위해 원료 분말의 선택과 탈지 및 소결 조건의 세밀한 제어가 중요하다. 또한, 다양한 제조공정 단계들과 더불어 세라믹 소재는 매우 단단(경도) 하고 쉽게 깨짐(취성)으로 인해 가공성이 어려워 오랜 공정시간과 비싼 가공비용이 요구된다. 세라믹 제품 제조에 필요한 전체 비용 중 가공 비용이 30∼80% 이상을 차지한다. 이는 복잡한 형상을 갖는 세라믹 제품 상용화를 제한하거나 불가능하게 하는 주요 요인이다.

최근에는 가공성 한계 극복을 위해 세라믹 3D 프린팅 기술인 적층기술(AM, additive manufacturing)을 이용하여 값싸고 쉽게 복잡 형상 세라믹 최종 제품을 제작하고자 노력하고 있다. 세라믹 3D 프린팅이란 디지털 데이터 기반 슬라이스 공정을 통해 제작된 2차원의 수십, 수백 단층면들의 데이터와 세라믹 소재/3D 프린팅 기술의 접목을 통해 3차원 성형체 제작, 열처리를 거쳐 복잡형상 세라믹 최종 제품 제작을 경제적으로 제작 가능케 하는 기술이다.

금속, 폴리머 경우에는 프린트된 3차원 구조체가 곧 최종제품인 것에 비해 세라믹의 독특한 성질로 인해 프린팅 후 다양한 공정들을 거쳐야 최종제품이 제작되는 한계가 존재한다. 세계적으로 많은 관심을 받고 있는 3D 프린팅, 즉 AM은 최근에 개발되었던 것이 아니라 실제는 1980년대 태동을 하였으며 1990년대에는 Solid Freeform Fabrication(SFF)로 2000년대에는 Digital Manufacturing 또는 Rapid Prototyping으로 발전되어 왔다. ASTM 국제 표준화 기구에서는 3D 프린팅에 사용되는 기술들을 7개 표준 방식으로 분류하고 있다. 7개의 기술 중 세라믹 소재 및 세라믹 3D 프린팅에 적합한 기술은 광중합식, 재료분사식, 재료압출식, 분말 적층 용융식 및 접착제 분사식 등을 들 수 있다.

■ 기술의 원리

세라믹 3D 프린팅에 적합한 기술은 세라믹 소재의 특성을 고려하여 광중합식, 재료분사식, 재료압출식, 분말적층용융식 및 접착제분사식 등의 프린팅 방식으로 구분된다.

광중합식은 액체 상태 광경화 레진 내 세라믹 파우더가 분산된 서스펜션에 광 투과를 통해 레진을 광경화시켜 세라믹 성형체를 제작하는 방식이다. 액체 상태 광경화성 모노머와 올리고머 레진에 자외선과 가시광선 또는 전자를 투과시켜 3차원 폴리머 네트워크를 갖는 고체 상태 필름으로 경화시킨다. 높은 해상도의 구현이 가능해 매우 정교하지만, 낮은 기계적 강도(strength)와 내구성(durability)은 광경화 레진의 단점으로 지적된다. 또한, 가시광이나 자외선을 계속적으로 노출되므로 색 변색 또는 품질 저하가 일어난다.

재료분사식은 2D 잉크젯 프린터와 비슷한 원리로 액상의 적층 소재를 원하는 모양으로 프린팅 베드에 분사하여 한 층을 완성한 후 자외선으로 소재를 경화하는 작업을 반복한다. 일반 잉크젯 프린터의 헤드를 이용하여 광경화 레진을 원하는 패턴에만 뿌려 많은 양의 소재가 필요하지 않으며, 이와 같은 작업을 수직 방향으로 반복하여 3D 형상을 구현한다. 재료분사식은 헤드가 간단하고, 대중적이며 장치의 구성과 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 2∼3개의 헤드를 동시에 사용하는 멀티헤드 방식이 출시되어 더 많은 분야에 응용이 가능해 졌다.

재료압출식은 열에 녹는 와이어(Wire) 형태의 가소성 수지 또는 왁스 상태의 재료를 사출 헤드(Extrusion head)에서 연속적으로 압출(밀어내어) 하여 형상을 제작한다. overhang과 bridge와 같은 돌출된 부분을 프린트할 수 없다. 단, overhang의 각도가 45°를 넘지 않으면 서포터 없이 성공적으로 프린팅이 가능하다. 간단한 원리 및 높은 가용성을 바탕으로 가장 대중화되어 있는 기술이지만, 해상도는 약 200㎛ 정도로 거칠고, 수직 방향으로 강도가 약하며, 표면의 조도가 고르지 못하는 단점을 가지고 있다.

분말적층용융식은 소재 분말이 프린트 베드에 한층 도포된 후 고에너지 빔을 주사하여 분말을 가열, 융합시켜 선택적으로 결합시키는 방식이다. 융합된 분말이 제품이 되며 융합이 되지 않은 분말은 서포터 역할을 한다. 높은 전력을 사용하며 제품의 크기가 제한된 문제점이 있지만, 매우 정교한 프린팅이 가능하다.

접착제분사식은 소재 분말이 프린팅 베드 위에 깔리며 노즐이 액상 결합제를 원하는 모양으로 분사한다. 결합제가 닿은 모양에 입자 상태의 소재는 결합이 되어 제품의 한 층이 완료되며, 결합이 이루어지지 않은 분말은 서포터 역할을 한다. 접착제분사식은 후처리와 연계될 경우 아주 활용성이 높다. 분말들이 마이크로 스케일로 정교한 인쇄물을 만들 수 있다. 원리가 간단하여 대면적화가 고속화 및 저가화가 가능해 기존의 공정과 잘 연계될 경우 산업적인 파급력이 상당히 있는 잠재력이 큰 기술로 평가된다.

세라믹 3D 프린팅 기술은 전체 산업 생태계에 적용될 수 있으며 특히 기존 금속 및 고분자를 대체할 수 있는 분야에 유용하다. <표 3-2-2-3>에 열거되었듯 세라믹 3D 프린팅에 사용되는 세라믹 소재의 경도, 내구성, 열저항, 화학적·생물학적 안정성이 중요하다. 세라믹 소재의 난 성형성을 극복하기 위한 방법으로 3D 프린팅 기술이 부각되면서 구조 세라믹, 전자 세라믹, 에너지 세라믹, 환경 세라믹, 바이오 세라믹 등 세라믹 전 분야에 대한 적용이 연구되고 있다. 세라믹 소재의 3D 프린팅 적용 기술 적용의 예를 3D 프린팅 방법과 소재의 종류로 정리한 내용이다 <표 3-2-2-4>. 세라믹 3D 프린팅 기술을 바탕으로 복잡 형상 세라믹 구조체 제작이 가능하므로 전통 및 첨단 세라믹 산업의 고도화가 가능하다. 산업용 세라믹으로 자동차, 기계, 우주 항공, 수송기기 등 엔지니어링 세라믹 3D 프린팅 소재 및 가공기술에 적용되며, 의료용 세라믹으로 덴탈, 임플란트, 정형용품 등 인체 경조직 대체 및 재생을 위한 개인맞춤형 세라믹 3D 프린팅 소재 및 기술에 적용될 수 있다.

전체 산업 생태계 적용, 특히 금속·고분자 대체 유용

복잡 형상 구조체로 전통·첨단 세라믹 고도화 가능

■ 4차 산업혁명 관점에서 기술의 중요성

세라믹 소재는 기계적 특성, 열 안정성, 생체친화성, 친환경성 등에 있어서 탁월하나 고유의 난 성형에 의해서 활용이 제한적이다. 통상적인 공정 기술로 복잡 형상 구현이 불가능한 경우에 세라믹 제품 원가의 30∼80%가 가공비용인 경우도 있다. 현재의 주력산업의 핵심 세라믹 부품 생산 공정은 대량 단일 품종 제작 시스템이기에 경제성있는 생산 단가가 가능하다. 그러나 4차 산업혁명 기반 미래 핵심 산업에서 요구되는 고효율을 갖는 복잡형, 맞춤형 세라믹 제품 제작을 위해 요구되는 다양한 설계 및 디자인 제작 대응에는 매우 취약하다.

세라믹 3D 프린팅 기술은 세라믹 소재의 난 성형성 극복을 통해 적용 영역을 확대함으로서 4차 산업혁명에 대응하고, 국내 주력산업의 고부가가치화를 가능하게 한다. 세라믹 소재의 난 성형성 극복, 복잡 형상 구현 가능 및 가공비용 및 시간을 획기적으로 낮추어 세라믹 산업의 부가가치를 향상시킬 수 있다. 또한, 현재 세라믹 한계로 인해 금속 및 고분자 소재부품을 사용하고 있는 산업에서 세라믹 3D 프린팅 기술 기반 세라믹 소재/부품을 대체 적용하여 주력산업의 부가가치 제고 등의 시너지 효과를 이룰 수 있다.

3D 프린팅 세라믹 소재 표준화를 통해 국산화 및 상용화 촉진으로 국내 기업의 관련 제품 및 소재의 수출 증대에 기여할 수 있다. 3D 프린팅용 세라믹 소재는 소재 및 시험방법 표준화를 통해 신뢰성을 높이는 한편, 세라믹 3D 프린팅 부품, 제품 및 기기 전체에 대한 품질관리, 공정관리 개선을 유도할 수 있다. 이를 통해 항공우주, 의료, 친환경, 에너지 산업 등 주력 및 미래 유망 산업에 활용할 수 있을 것이다.

■ 세라믹 3D 프린팅 국내 동향

전체 3D 프린터 기술 특허 중 미국 특허의 출원 비율은 59%로 절반 이상을 차지하고 있다. 연도별 출원을 보면 미국이 가장 높게 나타나고 있으나, 2005년 이후 한국의 출원 비율이 꾸준히 증가하는 추세이다. 3D 프린터 기술의 핵심 원천 특허들이 잇따라 만료되면서 장비 가격 하락 및 제품 활성화가 기대된다. 미국, 독일 등 주요 장비 제조기업 이외에도 후발 주자들의 연구개발과 특허 기술 확보 움직임이 활발한 실정이다.

항공우주 분야에서 항공기는 기체구조와 엔진으로 구분되며, 특히 비행성능을 결정하는 항공기 엔진은 정밀성을 요하는 부품을 사용하며 세라믹 3D 프린팅 기술을 접목시킬 수 있는 분야이다. 1980년대 군수 위주로 성장하여 현재 전투기/대형 여객기를 제외하고 대부분의 모형 개발 및 시험평가가 가능한 독자 개발 단계(KAI)에 진입하였으나 부품 개발 분야에 대해서는 기체 가공, 조립 분야에 국한하여 특화되어있어 항공기용 엔진에 관련한 기술 수준은 미흡함 실정으로 미국에 약 10여 년 뒤처져 있다. 한국은 현재 엔진 완제업체가 부재하며, 한화 테크윈이 대표적 엔진 부품업체이다. 국가적인 3D 프린팅 육성정책에도 불구하고 항공 우주와 같은 고부가가치 분야에 대한 개발은 미비한 실정이다.

세라믹 3D 프린팅 기술과 인산칼슘계 세라믹 물질인 수산화인회석(Hydro hyapatite) 소재를 사용하여 생체적합성과 골 전도성이 좋은 맞춤형 골 제작에 활용하려 노력 중이다. CT나 MRI와 같은 의료 영상으로부터 획득한 3차원 데이터를 이용하여 해당 장기나 조직 등을 3차원 프린팅 하여 환자 맞춤형 서비스를 제공할 수 있다. 또한, 3차원 스캐닝으로 수술 부위를 재현하여 사전 수술 시뮬레이션을 가능하게 하여 수술 성공률을 향상시킬 수 있다. 현재는 맞춤형 보청기, 틀니, 치과 임플란트 등의 신체 보조 기기를 제작하거나, 인공 귀, 의족 보조기, 인공 뼈, 인공관절 등을 제작한 사례가 있다.

세라믹 3D 프린팅 기술의 선도적 역할을 하고 있는 대표적인 기관으로는 재료연구소(KIMS)가 광경화 세라믹 3D 프린팅 기반 엔지니어링 및 바이오 세라믹 구조체 제작에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다. 그리고 국립암센터에서는 3D 프린팅 기술을 이용해 환자의 발뒤꿈치 재건 수술에 성공하였으며, 중앙대병원에서는 바이오세라믹 소재의 인공 광대뼈를 3D 프린팅으로 제작하고 이를 환자에게 이식하는 수술을 성공했다.

ETRI 대경권 연구센터 의료 IT 융합연구실에서는 치조골 이식재를 3D 프린팅 하는 기술 개발을 진행하고 있다. 임플란트를 시술할 때, 치조골의 양이 부족할 경우 세라믹 소재의 인공골 입자를 이식해 넣어 신생골을 유도시킨 후 시술을 시작하게 된다. 이 경우 손실되는 입자의 양도 많으며 멤브레인 필터를 씌우는 고난도의 시술 과정 또한 동반된다. 하지만 3D 프린팅 기술을 이용해 치조골 이식재를 제작해 이식한다면, 재료비를 절감할 수 있으며, 멤브레인 필터가 필요하지 않기 때문에 시술 시간과 난이도가 감소하는 장점이 있다.

국산 업체들 간의 경쟁으로 치과용 임플란트 제품 공급이 증가하면서 임플란트 시술 단가의 가격 하락이 지속되고 있으며, 2014년 7월부터 만 75세 이상의 노인에 대해 치과용 임플란트 시술시 건강보험이 적용됨에 따라 치과용 임플란트가 급격하게 대중화되고 있다. 국내에서 인공치아 제조 관련 원천 기술 개발이 시작되는 단계이며, 향후 국산화 및 해외시장 진출을 위해서는 충분한 임상 자료 확보를 통한 안전성 검증과 차세대 기술 개발을 위한 꾸준한 연구가 필요하다.

대부분의 세라믹 3D 프린팅 연구 분야는 바이오, 덴탈 등에 집중되어 있으며, 이를 연구하는 연구 기관 또한 매우 적다. 고부가 가치 산업 분야인 세라믹 3D 프린팅 연구에 많은 관심이 집중되어야 할 것이다.

■ 세라믹 3D 프린팅 해외 동향

해외에서 세라믹 3D 프린팅 분야에서 선도적인 역할을 하는 영국 Queen Mary University of London에서는 잉크젯으로 세라믹 또는 금속을 3D 프린트하는 연구를 진행하고 있으며 <그림 3-2-2-3>, 미국의 조지아텍에서는 임플란트용 인공뼈를 바이오 세라믹 프린팅 하는 연구를 진행 중에 있다. 그리고 프랑스의 Universite de Limoges에서는 세라믹 3D 프린팅을 연구를 활발히 진행하고 있으며, 미국 Harvard University에서는 마이크로 배터리와 바이오 분야에 세라믹 3D 프린팅을 적용하는 연구를 진행하고 있다 <그림 3-2-2-4>. 대부분의 연구가 대학에서의 활발히 진행되고 있으므로 추후 이를 산업에 적용하는 연구가 더 활발히 이루어져야 할 것이다.