▲ 최원봉 미국 University of North Texas 교수가 주제발표 하고 있다.

적층제조(3D프린팅)가 센서, 배터리, 우주항공, 방산 등 신산업 분야의 기술 걸림돌을 해결하는 혁신기술로 성장하고 있는 것으로 나타났다.

3D프린팅연구조합(이사장 이조원)이 주최하고 애니캐스팅이 주관하는 ‘2023 해외 석학 초청 적층제조기술 세계동향 세미나’가 26일 경기도 성남 스타트업캠퍼스 1동 2층 세미나실1에서 개최됐다.

이번 세미나는 센서 제조 분야에서의 최첨단 적층제조 방법 및 소자 성능 예측에 대한 최신 기술과 국내외 적층제조 동향 등을 공유하기 위해 마련됐다.

이날 최원봉 미국 University of North Texas(UNT) 교수가 특별 초청돼 ‘Recent Advances in 3D Printed Sensors’를 주제 발표했으며 △국내외 적층제조 산업의 시장동향 및 산업전망(강민철 3D프린팅연구조합 상임이사) △금속 분말산업 동향과 표준화 동향(이빈 경희대 부교수) 등도 발표됐다.

최원봉 교수는 나노 기술 분야에서 국제적으로 인정받는 연구자로 그간 배터리 및 반도체 장치 응용에 선구적인 연구를 수행했다. 이를 통해 80개 이상의 특허를 출원하고 260권 이상의 출판물을 저술했으며 5개 저널의 편집위원을 맡고 있다.

UNT는 소재, 기계, 물리, 화학 등 다양한 전문가들의 융합연구를 통한 혁신적인 연구개발을 위해 첨단소재 및 제조 공정 연구소(Advanced Materials and Manufacturing Processes Institute:AMMPI)를 설립했다.

AMMPI 부단장을 맡은 최원봉 교수는 차세대 배터리 센터를 설립했으며 이곳에 X선 현미경, 주사 전기화학 현미경(SECM), HRTEM, 10마이크로미터 적층 가능 3D프린터 등 다양한 고급 장비를 갖추고 3D프린팅을 기반으로 하는 광학·압전·바이오 센서, 다중 재료, 4D프린팅 등을 개발 중이다.

다중 재료 3D프린팅은 다양한 기능을 발휘할 수 있도록 수개의 노즐로 적층하는 방식이다. 일례로 카메라 렌즈에 달린 광센서를 3D프린팅으로 만들거나 자동차 내부에 고감도 피에조 일렉트릭 센서를 직접 3D프린팅 하는 기술을 개발 중이다. 또한 센서 제작에 필요한 3D프린팅용 소재(슬러리)와 분말도 함께 개발했다.

아연을 음극으로 사용하는 아연이온배터리는 기존 리튬이온배터리 보다 가격이 저렴해 차세대 배터리로 각광받고 있으나 부식 문제와 아연 이온이 금속 표면에 저장될 때 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트)이 쌓여 효율이 저하되는 문제를 해결해야 한다.

이에 최 교수는 3D프린팅을 통해 밀도가 높고 플렉서블한 아연 양극(Anode)을 제작해 덴드라이트의 성장을 방지할 수 있음을 확인했다. 이를 통해 기존 플레이트 방식 아연 양극대비 고용량 배터리 제작이 가능할 것으로 기대되고 있다.

최 교수는 “R&D 과정에서 느낀 3D프린팅의 장점은 노즐과 속도를 잘 조절할 경우 원하는 센서의 특성에 맞는 소재 조건을 잡을 수 있다는 것”이라며 “3D프린팅 확산을 위해선 보다 많은 소재 개발이 중요하다”고 밝혔다.

세계 적층제조 시장은 우주항공, 의료 등에 적용이 확대되면서 2022년 180억달러(한화 23조원)로 지난 10년간 9배나 급성장했다. 특히 적층제조 시장성장률은 코로나 팬데믹이 심화된 2020년 7.5%에 불과했으나 21년 19.5%, 22년 18.3%로 팬데믹 이전의 성장률을 회복하면서 관련 시장이 성장주기상 성숙 단계에 진입하고 있다.

강민철 이사는 항공우주, 방위 등 산업에서의 금속 3D프린팅 수요 확대로 인해 지난해 전세계 3천대 이상이 판매됐으며 이러한 추세라면 2030년 금속 소재 시장이 폴리머 시장을 역전할 가능성도 있다고 전망했다. 현재 세계 적층제조 시장에서 가장 높은 점유율을 기록하고 있는 항공우주·방위산업 시장의 경우 2021년 4.9억달러에서 2027년 13.3억달러로 연평균 21.7% 성장할 전망이다.

강민철 이사는 “정밀한 금속 부품을 제작하는데 사용되고 있는 PBF 방식 금속 3D프린터가 시장 성장을 이끌고 있는 가운데 이종 소재 적층이 가능해 내마모성 향상 등 효과가 뛰어난 DED, 대형 부품을 빠르고 저렴하게 적층할 수 있는 Wire-DED, 자유로운 디자인의 금속 부품을 정밀하고 빠르게 양산할 수 있는 메탈 바인더젯 등도 우주항공, 방산, 금형 등 다양한 산업에 적용이 확대되면서 양산기술로 발전할 것”이라고 예상했다.

PBF 방식 금속 적층제조에 필요한 금속 분말은 구형을 요구하고 소량 생산이라 가격이 비싸고 사용 가능소재도 일부라는 한계를 가지고 있다. 이에 지속적인 신합금 연구개발과 생산성 확보 등 노력이 추진 중이다.

분말의 유동 특성이 부족하면 적층제조시 불량이 발생하기 때문에 생산성 하락으로 이어진다. 이빈 부교수는 분말의 유동 특성 측정 표준을 개발 중이다. 이 교수는 적층제조에 활용되는 금속 분말은 요구 특성이 많기 때문에, 금속 분말과 관련된 국제 표준화 개발이 중요하며 산업계가 관심을 가져야한다고 제언했다. 또한 금속 적층제조가 상용화 단계로 나아가기 위해선 소재 재활용, 무인화, 환경 등에 대해서도 관심을 가져야 한다고 밝혔다.

▲ 이조원 3D프린팅연구조합 이사장이 인사말을 하고 있다.

▲ ‘2023 해외 석학 초청 적층제조기술 세계동향 세미나’에 참석한 관계자들이 기념촬영을 하고 있다.