기사 메일전송
신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(12)-제2장 3D 프린팅 소재-복합재료 3D프린팅(1)-집필 김경태(재료연구소) - 복합재료 3D프린팅 극한 향상 이끈다
  • 기사등록 2019-07-18 16:47:44
기사수정
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.

복합재료 3D프린팅 극한 향상 이끈다


■ 기술의 정의 및 분류


3D프린팅은 소재를 층층이 쌓아 새로운 모형을 제작하는 방법으로 기존 제조공정기술을 혁신시킬 수 있는 최첨단 제조기술이다.


복합재료란 2가지 이상의 다른 재료를 물리적 혹은 화학적으로 결합시켜 단일소재 각각의 물성을 획기적으로 뛰어넘는 상승효과를 얻는 신소재기술로 정의된다. 본 고의 ‘복합재료 3D프린팅’은 바로 단일소재의 물성 한계를 극복하고 우수한 물성조합을 얻기 위한 복합재료 제조기술과 연관된 것으로, 기존의 용융 및 단순 혼합기반의 제조공정을 탈피해 복잡하고 정교한 복합재료를 3D프린팅 기술을 이용하여 제조하는 기술이다. 따라서, 복합재료 3D프린팅 기술은 고분자, 세라믹 및 금속 단일소재에 적용되던 3D프린팅 공정기술을 이용하여 새로운 복합재료 (composite) 또는 복합구조체 (hybrid structure)를 자유자재로 구현함으로써 우수한 물성을 나타내는 신소재를 제조하는 기술로 또한 정의할 수 있다.


현재 3D프린팅 소재분야에서 첨단소재로 취급되는 것은 금속분말을 기반으로한 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 및 공구강 (Tool Steel)등의 금속소재이며, 난성형의 일부 세라믹소재가 차세대 3D프린팅 소재로 주목받고 있다. 이와 같이 단일소재중에서도 순수한 금속과 세라믹소재 조차도 차세대 소재로 취급될 정도로, 3D프린팅 분야에서의 소재기술은 개발 속도가 더딘 편이다. 이러한 현실에서 단일소재를 뛰어넘는 물성을 가진 복합재료를 3D프린팅하는 기술은 기술적, 산업적인 영역 뿐만 아니라 현재 문헌 등을 통해서도 체계적인 분류가 거의 이루어져 있지 않은 미개척 영역이다. 따라서, 본 고에서는 종래의 복합재료를 소재별로 분류하는 방법을 활용하여 기지재료를 기준으로 크게 금속기지 복합재료, 세라믹기지 복합재료 및 고분자기지 복합재료의 3종류로 3D프린팅용 복합재료를 분류한다. 또한, 전반적으로 기술의 정의나 원리 등이 정립되어 있지 않은 분야이기 때문에 복합재료 3D프린팅 소재 그 중에서도 고분자와 고분자 복합재료를 중심으로한 현황조사를 통해 금속과 세라믹 복합소재 등을 추가하는 방식으로 기술을 분류하고자 한다.


■ 기술의 원리


복합재료를 3D프린팅하는 전용 3D프린터는 현재 개발되어 있지 않다. 기존의 금속, 세라믹 또는 고분자 소재를 적층제조하는 장비를 사용하여 다양한 형태, 조성, 크기를 갖는 소재들을 조합, 적층함으로써 복합재료 모형, 제품 등을 제조할 수 있다. 이에 따라 복합재료 3D프린팅기술의 원리는 기존의 3D프린팅기술 원리와 동일하게 적층을 위한 광원의 종류, 적층방식, 소재의 종류 및 형태에 따라 구분할 수 있다. 다만, 소재를 다원화하는 등의 기술 적용이 복합재료 3D프린팅 분야에 유효한 기술이다. 본 고에서 나타낸 바와 같이 복합재료 3D프린팅을 위해서는 기술 표준인 ISO TC261에 따라 3D 프린팅 7대기술로 분류된 기술 중 금속, 고분자, 세라믹에 모두 적용될 수 있는 기술은 다음 표와 같이 Binder Jetting, Powder Bed Fusion, Fused deposition modeling (FDM) 및 sheet lamination 등으로 크게 분류될 수 있다.


■ 4차 산업혁명 관점에서 기술의 중요성


4차산업혁명 관점에서 3D프린팅 기술은 수십 가지 부품을 제작 및 조립하여 제품을 만들던 기존 공정기술에서 각 부품의 설계나 가공없이 한번에 완제품을 완성시키는 제조공정 혁신의 의미를 포함하고 있다. 또한, 단순한 제품 제조에서 그치는 것이 아니라 종래에 없던 새로운 성능 및 용도를 가지게 되는 소재와 부품을 3D프린팅으로 창출할 수 있는 측면에서 그 중요성이 더욱 커질 것으로 예측된다. 이는 제조혁신분야에서 무한한 가능성을 지닌 3D프린팅기술을 복합재료에 접목할 경우 부가가치 창출효과가 우수한 신소재 개발이 가능하다.


즉, 종래의 복합재료는 부가가치 창출 효과가 높은 반면 복잡한 제조공정이 문제가 되어 왔기 때문에 이를 획기적으로 감소시키고 우수한 제품을 제조할 수 있는 3D프린팅기술은 4차 산업혁명 시대에서 제조 기업에 가장 요구되는 사항이다. 왜냐하면 전통적인 주조나 분말야금학을 이용한 소재 및 제품 제조공정은 나날이 복잡하고 다양해지는 소비자의 요구를 충족시키기 어려울 것으로 예측되기 때문이다. 특히 치과, 의료 및 바이오 분야와 생필품 등 일상소비재에서부터 구조, 전자기부품 산업에 이르는 영역에서 제품 생산시간을 줄이고 맞춤형기기를 제조하는 요구는 더욱 커질 것이다. Mass-customization의 도래에 따라 3D프린팅, 나아가서는 복합재료를 3D프린팅으로 구현하는 기술이 가져올 공정혁신, 그를 통한 제품과 비즈니스 혁신이 기대되고 있으며, 제품의 복잡성이나 시간 비용을 단축하는 공정을 개선하고 제품의 질(성능)을 극한으로 향상시킬 수 있는 기술로서 복합재료 3D프린팅 기술의 중요성은 매우 크다.


■ 복합재료 3D프린팅 소재 기술


3D프린팅 산업은 다양한 산업에 적용되면서 적용제품의 특성에 따라 요구되는 소재들이 매우 다양하다. 사용되는 소재들은 최종제품의 특성을 좌우하기 때문에 3D프린팅 산업에서 소재의 역할은 매우 크다. 대부분 3D프린팅 업체들은 장비업체가 보유한 소재기술을 동시에 사용하는 형태가 대부분이다. 또한, 플라스틱 재질의 고분자 소재가 대부분을 구성하고 있으며 고난이도 기술이 요구되는 금속이나 세라믹 소재 등을 보유한 장비업체가 드물다. 그만큼 부가가치가 높은 소재기술은 장시간의 투자와 연구개발이 필요하기 때문에 확보하기가 어렵다. 향후 3D프린팅 분야에서 가장 유망한 소재는 금속소재이다. 단일소재에 대한 기술확보도 쉽지 않은 상황이기 때문에 복합소재로까지 확대하여 기술을 확보하고 있는 경우가 매우 드물다.


국내 시장 진입 초기, 정부 지원도 미비

글로벌 선두 업체 전용소재 선도적 위치


1) 국내 동향


현재 하이브리드 소재 및 복합소재에 대한 3D프린팅기술을 국내소재 전문 업체들이 신성장 동력으로 추진중이나, 소재 시장에 진입하는 초기 단계에 있다. 다만, 일부 학교나 정부출연연구소등에서는 미래 첨단소재 개발을 위해 3D프린팅을 이용한 복합재료 제조 연구개발 필요성을 인식하고 있다. 정부차원에서는 국내소재업체가 강점을 가지고 있는 고분자 분야에 대해 2014년과 2015년에 산업통상자원부에서 3D프린팅용 열가소성 및 UV/Laser경화형 친환경 고분자 개발 및 30㎛급 고정밀 맞춤형 3D프린팅용 유무기 복합소재 핵심기술개발에 약 150억원을 투자하였다. 이로 인해 국내에서는 3D프린팅용 복합 신소재로는 플라스틱기반의 복합재료가 먼저 연구되고 있다. 또한, 3D회로 배선 인쇄용 소재 및 이종 소재 적층 제어기술 개발 관련 플라스틱/금속 3차원 구조 일체형 3D전자회로 프린팅 장비 및 소재개발연구가 산업지원으로 연구되고 있기도 하다.


소재업체의 경우, LG화학은 ABS팰릿을 Stratasys에 공급하고, 대림화학은 FFF방식 출력이 가능한 e-flex소재를 개발하여 3D프린터용 플라스틱 필라멘트를 생산하고 있다. 대주전자재료는 터치 패널용 나노잉크재료의 개발에 주력하는 등 주로 단일 고분자소재 분야에 대한 경쟁력을 보유하고 이를 3D프린티용 소재로 전환하는 시기에 있다.


이와 같이 일부 고분자 및 엔지니어링 플라스틱 기반 소재를 제외하고는 금속이나 세라믹 소재분야에서 3D프린팅용 전용 복합재료 연구는 국내에서는 기술 개발 초기단계에 있는 것으로 분석되며, 정부의 정책적 지원 또한 미미한 실정이다.


2) 해외 동향


현재 개발이 진행되고 있는 3D프린팅 소재는 금속분야에 집중되고 있으며, 주로 티타늄합금과 초내열합금 등과 같은 고부가가치 소재가 주로 연구되고 있다. 이에 따라 해외 선진국에서도 저비용으로 고품질의 금속 분말을 제조하는 기술개발이 지속적으로 이루어지고 있으며, 나아가서는 금속을 기반으로 강화재가 포함된 복합재료의 개발을 통해 나날이 복잡해지는 수요산업계의 요구를 충족시킬 필요가 있음을 인지하고 있다. 단, 금속 소재 또는 금속 복합재료는 높은 가격, 가공방법의 복잡성으로 인해 산업용으로 주로 활용되고 있기 때문에 개인 용도로의 확산은 상대적으로 느린 상황이다. 고분자소재 시장은 몇몇 국내 업체를 제외하면 이미 미국, 유럽 등 선진국들의 주도하에 선점되고 있는 상황이지만, 금속이나 세라믹 복합재료의 경우 기술개발 초기단계이다. 이로 인해 3D프린팅을 접목한 복합재료 연구 또한 연구진입수준에 머무르고 있다.


가. 미국


미국의 경우 엔지니어링 플라스틱소재를 기반으로 한 복합재료 제조 및 제품화 연구를 시작하고 원천소재기술을 개발하고 있다. 주요 업체로 3D systems등 글로벌 선두 장비 업체가 있으며, 이들 업체는 전용소재만 사용가능하도록 장비를 판매하는 등 소재분야에 대한 부가가치를 높여 기술적으로 선도적인 위치를 유지하고 있다. 특히, Stratasys와 3D systems는 ‘12년 매출의 25∼30%를 재료판매를 통해 획득하는 수익구조를 형성하고 있는 것으로 알려져 있다. 실리콘밸리 소재의 Arevo는 PEEK, PAEK을 활용한 탄소복합 고강도 복합재료를 출시하여 항공산업, 방위산업 및 의료산업에 활용하는 것을 목표로 하고 있다. Texas Tech는 3D프린팅용 플라스틱과 탄소나노튜브를 활용한 복합소재를 개발하였다. 이는 철보다 강하고 열에 의하여 다른 물질과 결합하는 탄소나노튜브를 플라스틱 필라멘트에 코팅한 형태이다. Stratasys는 탄소섬유가 35% 함유된 FDM 3D프린팅용 열가소성 플라스틱 ‘FDM Nylon (나일론) 12CF’와 고무와 유사한 연성의 폴리젯 3D프린팅용 소재인 ‘Agilus (애질러스)30’을 출시하여 판매중이다.


하버드 대학 Jennifer Lewis교수 연구팀은 에폭시 수지를 이용해서 가볍고 강한 3D 프린터용 허니콤(Honeycomb, Celluar)복합재료를 개발했다. 에폭시가 3D프린터에 사용되기는 최초이며, 기존의 열가소성 (thermoplastics)수지가 해결하지 못하는 구조용 핵심소재로 사용될 수 있을 것으로 전망된다. 관련기술이 고효율 풍력 터빈이나 자동차, 경항공기 구조의 개발에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.


미국의 보잉은 SLS (Selective Laser Sintering)공정에서 강화섬유는 기본적으로 같은 방향으로 정렬되기 때문에 강도나 강성의 기계적 특성이 이방성을 가지는 문제를 해결하기 위해 탄소섬유에 탄소섬유 미립자를 추가하는 3D프린팅용 복합소재기술을 개발하기도 하였다. 이와 같이 미국에서는 기술력을 선점한 장비업체가 다양한 소재기술을 함께 연구개발함으로서 기술적으로 선도적인 지위를 유지하는 노력을 기울이고 있다.


나. 일본·중국


일본 경제산업성은 제조업 경쟁력 강화를 목표로 차세대 3D프린터 개발 프로젝트를 추진하고 있으며 일본 최대 공공 연구기관인 산업기술 종합연구소가 중심이 되어 5년내에 현재의 10배 가공속도, 정밀도 5배를 목표로 재료를 다양화하는 연구를 진행 중이다. 또한 2013년부터 산학 연구모임인 신 모노츠쿠리 연구회를 발족하여 제조업 현장에서 3D프린터의 활용방안과 정책적 지원방안에 대한 연구가 진행중이다. 아베 정권은 일본재흥전략에서 3D프린터를 핵심산업으로 정하고, 소재나 기계제어기술등에서 3차원 조형 시스템의 연구개발을 국가프로젝트로 추진중이다. 이 중에 구체적인 소재관련 육성정책은 금속, 세라믹, 고분자 및 복합재료등이 포함되어 수립될 전망된다. 일본의 특이할만한 사항은 미국 유럽에 비하여 뒤쳐진 3D프린터 산업을 추격하기 위하여 자국의 강점을 살린 소재부문 기술개발에 집중 투자하고 있다는 점이다. 실제로 코와이(주)의 경우 차량용 V형 8기통 엔진 부품의 주물용 사형 제작을 기존 목형 공법에서부터 3D프린터를 활용한 모래 적층조형으로 변환한 이후 제조기간은 4분의 1로 줄이고 비용은 50% 가량 절감하기도 하였다.


전통적으로 강점을 가지고 있는 고분자 원천소재에 대한 3D프린팅 전용 소재를 개발하는 중이기도 하다. 일본 자동차 메이커인 혼다(Honda)는 소비자들이 Honda-3D.com을 이용하여 소비자 자신들의 자동차 모델을 인쇄할 수 있도록 할 예정이며, 3D프린팅 소재로 복합재료의 사용이 가능해진다면 자동차 제조기술이 혁신될 것으로 전망된다.


중국의 경우, 과학기술부에서 수립한 국가 기술발전 연구계획 및 2014년 국가과학기술 제조영역 프로젝트 지침에 3D프린터를 처음으로 포함하였고, 공업정보화학부는 3D프린팅 산업육성을 위한 표준, 기술혁신, 규제정비 방안을 수립하였다. 의료, 우주항공, 자동차, 방위산업등 폭넓은 자체 시장을 보유하고 있는 입장에서 중국에서도 곧 소재분야에 대한 기술 개발이 시작될 것으로 예상되는 바이며, 물성 향상을 위한 지름길인 3D프린팅용 복합소재 개발의 필요성을 인지하고 있는 것으로 판단된다.


다. 유럽


유럽연합(EU)에서는 영국, 독일이 중심이 되어 대학과 연구소에 3D프린팅 연구조직을 구성하고 소재를 포함한 관련기술 개발 및 투자를 진행 중이다. 이미 2012년부터 첨단기술 육성으로 GDP의 제조업 비중을 16%에서 20%로 증가시킬 계획을 발표하면서 3D프린팅 산업을 집중적으로 육성 하고 있다. 특히 국가간 공동연구를 통해 3D프린팅 기술 연구를 수행하고 있으며, 독일을 중심으로 스위스, 영국, 이탈리아 등 유럽권 국가뿐만 아니라 미국, 캐나다 등과도 긴밀히 협력하고 있다. 이 밖에도 EU에서의 과학기술의 연구개발에 대한 재정지원 프로그램인 Horizon2020을 통해 3D프린터 관련 나노소재에 관한 프로젝트가 수행 중에 있다.


전통적으로 분말야금분야에 강점을 가진 독일과 스웨덴 등의 국가에서 기존 전통산업에 사용하던 금속분말소재를 3D프린터 업체와 연계하여 소비자에게 공급하는 형태의 시장 장악이 이루어지고 있는 실정이다. 현재의 흐름 자체는 금속, 세라믹 등의 단일소재의 합금화, 조성변화 등을 통한 최적의 3D프린팅 레시피(recipe)를 공급하는 수준이며, 이종 소재간의 복합화를 통한 복합재료는 기술개발 도입단계에 있다. 다만, CFRP등 탄소섬유 강화 고분자 소재의 경우 항공, 자동차 업체의 수요가 있기 때문에 관련 소재개발이 이루어지고 있는 것으로 예상된다.

▲ <표 3-2-3-1>3D프린팅용 소재 분류


▲ <그림 3-2-3-1>복합재료 3D프린팅 개념도


▲ <표 3-2-3-2>3D프린팅 복합재료 분류


▲ <표 3-2-3-3>복합재료 3D프린팅 기술의 분류


▲ <그림 3-2-3-2>재료복합화 및 복잡구조에 따른 3D프린팅기술과 전통제조기술과의 차별성


▲ <그림 3-2-3-3>차세대 3D프린팅 소재/물질


▲ <그림 3-2-3-4>BN소재분산 Inconel718기지 복합분말 제조 및 3D프린팅 결과


▲ <그림 3-2-3-5>(좌)하니콤 복합재료의 3D프린팅 광학현미경 사진 (우)고장단비 복합재료 잉크의 정렬 사진


▲ <그림 3-2-3-6>고강도 3D프린팅용 복합소재 FDM Nylon 12CF 시제품


0
기사수정

다른 곳에 퍼가실 때는 아래 고유 링크 주소를 출처로 사용해주세요.

http://amenews.kr/news/view.php?idx=39910
기자프로필
프로필이미지
나도 한마디
※ 로그인 후 의견을 등록하시면, 자신의 의견을 관리하실 수 있습니다. 0/1000
린데PLC
K3DERS
프로토텍
3D시스템즈(2020727)-260
im3d
3D프린팅 인력양성 배터
엔플러스 솔루션즈
대건테크
아우라테크2
모바일 버전 바로가기