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  • 기사등록 2023-10-04 09:14:06
  • 수정 2023-10-04 09:15:47
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먼 옛날 인류가 불을 다루고 처음 곡식을 익혀 먹는 그릇 역할을 한 것은 토기, 즉 세라믹이다. 비금속·무기질 재료인 세라믹은 높은 내열성, 내식성, 전기 절연성, 고경도, 생체 친화성 등의 다양한 특성을 가지고 있어 현대사회에서도 우주항공, 반도체, 디스플레이, 스마트폰, 배터리, 의료 등 다양한 첨단산업에 없어서는 안 되는 소재로 자리매김하고 있다.
첨단 세라믹 부품을 생산하기 위해 현재 대부분 프레스, CIP 등으로 성형하고, CNC 등 절삭가공이나 CIM(세라믹분말사출성형) 등 공정이 활용되고 있다. 최근 두각을 나타내고 있는 세라믹 3D프린팅은 소재를 적층해 원하는 형상을 빠르게 만들 수 있어 세라믹 산업에 새로운 패러다임을 불러일으킬 것으로 기대되고 있다. 그러나 3D프린팅 세라믹 복합소재는 적층 후 반드시 거쳐야하는 소결 공정에서의 크랙, 수축률 등의 제어 문제로 그동안 활성화에 어려움이 있었다.
㈜쓰리디컨트롤즈는 그러한 문제들을 극복할 수 있는 완전 소결체 세라믹 3D프린팅용 세라믹 복합소재를 개발했으며 또한 소재에 최적화된 3D프린터와 소결로 장비까지 국산화했다. 이를 통해 덴탈, 주얼리는 물론 반도체, 배터리 등 첨단산업에 세라믹 3D프린팅 적용이 확대될 것으로 기대되고 있다.
회사가 개발에 성공한 세라믹 전용 3D프린터와 소결로는 컴팩트하여 전통 방식의 가공 장비에 비해 일반 냉장고가 차지하는 실내 공간 정도만 있어도 되고 3D프린터는 본체 아래에 장착된 바퀴로 이동도 편리하기 때문에 언제 어디서나 최상급 품질의 최종 제품을 만들 수 있다.
이에 본지는 ㈜쓰리디컨트롤즈의 이상규 대표와의 인터뷰를 통해 세라믹 3D프린팅 기술에 대해 들어보고 향후 계획을 들어보는 자리를 마련했다.



▲ ㈜쓰리디컨트롤즈 서울 센터에 구축된 세라믹 3D 프린팅 설비


“완전 소결체 세라믹 3D프린팅 소재·장비 국산화, 첨단산업 경쟁력 강화 기여 할 것”



■㈜쓰리디컨트롤즈에 대한 소개를 부탁드린다

㈜쓰리디컨트롤즈는 지난 2014년 12월에 3D프린팅 소재 기반 연구 기업으로 부산에 설립됐다. 서울대에서 화학생물공학을 전공하면서 복잡한 형상의 세라믹 부품이 바이오, 덴탈, 의료 등에서 많은 수요가 있음을 느꼈고 이에 3D프린팅에 적합한 소재를 착안, 연구하면서 사업을 시작하게 된 것이다. 그동안 여러 대학교 및 연구 기관, 전문 치과 등에서 실증 테스트를 거치며 완벽한 기술로 구현되도록 꾸준히 완성도를 높혀왔다.


높은 정밀성이 중요한 요소 중 하나인 치과, 쥬얼리, 첨단 세라믹 분야 등에서 요구되는 각각의 특성과 정밀하고 복잡한 형상의 제품을 3D프린팅으로 만들기 위해 지르코니아와 알루미나 세라믹 재료 기반의 광경화 복합레진을 자체 개발했다. 또한 이를 활용할 수 있는 고성능 DLP 엔진 기반의 고정밀 3D프린터 장비와 소결 등의 후속 공정을 연속으로 이어나갈 수 있도록 전용 소결로도 자체 개발해 판매 중이다.


현재 보유하고 있는 기술 특허로는 국내외 총 19건이 있다. 기술력을 인정받아 2020년에는 산업통상자원부로부터 ‘자외선(UV) 에너지를 이용한 지르코니아 구조물의 정밀 3D프린팅 기술 소부장(소재·부품·장비) 핵심전략 기술기업’으로 인증받았고, 2023년 7월에는 조달청으로부터 ‘세라믹 부품 3차원 프린팅 시스템’이 혁신제품으로 지정받았다.


■회사가 독자 개발한 완전 소결체 세라믹 3D프린팅 기술의 특징은 무엇인가

세라믹 3D프린팅은 소재 공정기술, 출력 공정기술, 탈지(Debinding) 및 소결(Sintering) 공정기술 등 어느 하나만 잘되는 것이 기술의 성패가 아니라 각 공정들이 유기적으로 완벽하게 연속돼야만 최종적으로 완전한 세라믹 제품을 만들 수 있다. 기존에 세라믹 3D프린팅에 대한 연구가 쉽게 상용화 되기 어려웠던 것은 이러한 각 기술들의 상호 연관된 연속 공정이 갖춰지지 못했기 때문이다.


㈜쓰리디컨트롤즈의 완전 소결체 세라믹 3D프린팅은 소재 개발, 출력부터 탈지 및 소결까지 모든 과정을 하나로 연결하는 것이 특징이다.


㈜쓰리디컨트롤즈는 세라믹 소재를 3D프린팅으로 직접 형상을 구현하기 위해 알루미나나 지르코니아 등 세라믹 분말을 폴리머 결합체(Binder)를 활용해 광경화 복합레진 형태로 만든다. 만약 바인더를 많이 사용한다면 적층 이후 바인더를 완전히 제거(탈지)하기 어려워 수축, 크랙 등의 제품에 결함이 생기거나 바인더 제거에 필요한 공정 시간이 길어져 생산성이 떨어지게 된다. 반면 바인더를 덜 사용하면 오히려 적층 자체가 안되기 때문에 이를 절충할 수 있는 방법이 핵심 기술이다.


㈜쓰리디컨트롤즈는 출력 이후의 후속공정으로 바인더를 완벽히 제거할 수 있는 복합 소재에 대한 고온 탈지 및 소결 공정 기술을 확보했으며 이에 필요한 전용 소결로도 개발했다. 일련의 공정을 거친 세라믹 3D프린팅 결과물에는 바인더가 모두 제거되어 기존 제작 방식과 동일한 물성을 가진 최종 결과물로 구현된다.


현재 회사가 상용화한 세라믹 복합 소재는 알루미나(Al2O3) 제품 ‘3DCERA-A1 시리즈’와 지르코니아(ZrO2) 제품 ‘3DCERA-Z3 시리즈’다. 지르코니아는 높은 강도 특성 뿐 아니라 우수한 투과성, 높은 표면 경도, 뛰어난 광택 효과를 나타낼 수 있어 최종 쥬얼리 제품 제작 뿐 아니라 영구치아 보철물 제작에 바로 활용이 가능하며, 알루미나는 높은 내화학성과 우수한 전기 절연성, 우수한 단열성 등의 성질을 가지고 있어 반도체 부품과 같은 첨단 세라믹 중 기존 가공으로는 어려웠던 복잡한 부품 제작으로 활용이 확대될 것으로 기대되고 있다.


또한 개발 중인 다른 세라믹 소재로는 질화규소(Si3N4), 알루미나 강화 지르코니아(ATZ), 산화 이트륨(Y2O3) 등이 있다.



지르코니아·알루미나 기반 광경화 복합 레진 국산화 개발

CNC·CIM 동일 정밀성 구현 및 복합소재 고온 탈지·소결 문제 해결

덴탈·주얼리·반도체·배터리 등 적용분야 확대, 세라믹 공정 유연화·고부가화 촉진



▲ ㈜쓰리디컨트롤즈의 세라믹 3D 프린터 TD6(左)과 완전 소결체 세라믹 3D프린팅&소결 결과



■이번에 새로 출시한 세라믹 3D프린터 ‘TD6’에 대해 소개 부탁드린다

3D프린터가 상용화 된지 30년이 넘었지만 세라믹 3D프린터는 아직 걸음마 단계다. 소결 과정에서의 애로사항을 해결하기 쉽지 않았기 때문이다. 때문에 우리나라에서는 주로 수억 원대 고가의 외산 제품에 의존하고 있으며 소수의 기업과 기관만이 제한적으로 사용할 수 있는 상황이다.


이에 ㈜쓰리디컨트롤즈는 중소기업이나 연구기관들이 합리적인 가격과 국산 기술 대응력으로 보다 다양하고 도전적인 첨단 세라믹 응용 제품을 개발할 수 있도록 소재에 맞춰 장비를 국산화했다.


완전 소결체 세라믹 3D프린팅이 가능한 ‘TD6’은 Full HD 고해상도 DLP(Digital Light Processing) 엔진의 하향식 면 조사 기술을 적용해 빠르고 정밀한 부품 제작이 가능한 것이 특징이다. 출력물 최대 크기는 120x68x45mm(가로x세로x높이)다.


특히 특허기술인 재료 평탄화 시스템(재료 리코팅 블레이드)이 적용돼 프린팅 과정에서 재료의 분포를 균일하게 유지함으로써 고품질의 출력물을 얻을 수 있다. 사용자 편의성 향상을 위해 15.6인치 전면 LCD가 장착돼 손쉽게 조작할 수 있으며 이를 통해 원격 긴급 유지보수까지 가능하다.

최근 디지털 덴탈을 위해 미국 Steinfeld社의 치과 전용 인공지능 3D모델링 소프트웨어가 탑재된 치과 전용 제품도 출시하였다.


산업군에서 앞으로 기존 세라믹 가공에서 어려웠던 형상이나 미세 분진 등의 세라믹 재료 사용 환경으로 인해 평소 세라믹 부품 가공 및 제작에 애로사항이 있던 사용자는 회사의 ‘TD6’를 이용하면 원하는 디자인을 단지 3D 모델링 설계만 한 후 복잡한 기존 세라믹 제조 공정을 신경 쓰지 않아도 쉽게 제작할 수 있게 된다. 조달청 혁신제품으로 선정된 ‘TD6’는 현재 조달 혁신 장터를 통해 별도의 입찰 과정 없이 수의 계약으로도 구매가 가능하다.


■완전 소결체 세라믹 3D프린팅의 유망 적용 분야는

현재 바로 적용이 가능한 분야는 인공치아 등 의료분야와 쥬얼리, 교육, 연구, 첨단 세라믹 산업분야 등이 있다. 회사의 세라믹 소재 중 지르코니아 제품은 식약처 2등급 허가를 받았으며 환자 맞춤형 크라운 보철물 등 세라믹 응용제품을 제작할 수 있다. FDA Class I 등급은 연내 승인 예정이다.


기존에는 환자 치아 크라운 보철물 제작을 위해 본을 뜨고 기공사가 수작업으로 모델링하고 절삭가공하고 표면처리하는데 오랜 시간이 필요했지만 이젠 환자의 구강을 스캔해 미국 Steinfeld社와 공동으로 개발한 인공지능 프로그램으로 순식간에 최상의 3D모델링을 하고 치과에서는 직접 세라믹 3D프린팅으로 제작을 하면 되기 때문에 빠른 치료가 가능하다.


교육 분야에서는 무기물 재료인 세라믹을 이용한 복잡한 구조물, 모델 등을 세라믹 3D프린팅을 통해 손쉽게 제작할 수 있어 높은 수준의 교육과 새로운 분야에 대한 연구개발을 쉽게 할 수 있도록 기여할 것으로 기대한다.


최근 주얼리, 패션 등의 분야에서는 세라믹 재료를 이용한 개인 맞춤형 제작 등의 상품이 새롭게 떠오르고 있지만 기존 가공 방식으로 구현하기 어려웠던 복잡한 디자인의 적용이 난제였으나 세라믹 3D프린팅을 도입하면 제품 개발에서 상용화에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있다. 또한 고부가 디자인의 제품화가 용이해짐에 따라 디자인 산업 경쟁력이 높아지고 우수한 디자인 실력을 가진 여성 인력들의 경력 단절 문제를 해결할 수 있는 열쇠가 될 수 있다.


첨단 세라믹 분야에서도 나아가 반도체, 배터리 등에 널리 사용되는 세라믹 부품의 전통 제작 방식을 대체할 것으로 기대된다. 반도체 미세화 및 선진 패키징 기술개발로 인해 반도체 공정장비에서는 세라믹 부품 사용이 확대되고 있다. 리튬이온배터리의 안전성 문제를 해결할 것으로 기대되는 산화물계 전고체 배터리는 특히 이온 전도성을 높이도록 복잡한 구조의 세라믹 응용 고체 전해질을 3D프린팅으로 제작하는 등, 해외에서는 이미 전고체 배터리 셀을 3D프린터로 만드는 기술개발이 한창이다.


또한 세라믹 3D프린팅은 세라믹 업계가 고민하고 있는 ESG 경영에도 기여할 수 있다. 기존 세라믹 제조 방식은 에너지, 소재를 다량 소비하면서 분진 등으로 작업 환경도 좋지 않아 인력을 충원하기도 어려운 상황이다. 3D프린팅을 도입한다면 에너지·환경 문제를 해결함과 동시에 새로운 고부가 제품을 빠르게 개발하고 생산할 수 있어 기업 경쟁력을 한층 업그레이드 할 수 있다.


▲ ㈜쓰리디컨트롤즈는 기술개발에 매진한 결과 다양한 특허를 보유하고 있다.


■향후 사업계획에 대해 한 말씀 부탁드린다

신제품 개발과 신산업 발전 속도가 날로 빨라지면서 갈수록 금속, 화학, 세라믹, 복합소재 등 소재의 경계도 무너지고 있다. 소재의 융·복합이 중요해지면서 그동안 다른 소재에 비해 주목을 덜 받아온 세라믹에 대한 관심과 기술개발이 시급한 상황이다.


㈜쓰리디컨트롤즈는 세라믹 3D프린팅이 세라믹 산업에 혁신을 일으킬 수 있을 것으로 기대한다. 산업 대전환 시대에 대응하려면 무엇보다 생산 시스템이 유연해야 한다. 3D프린팅은 손쉽게 장비를 도입할 수 있고, 빠른 시설 구축이 가능하며, 큰 공정 변경 없이 다른 제품 제작으로의 빠른 전환이 가능하다. 무엇보다 적층 제조방식만이 가능한 사업 아이템을 발굴해 고부가화 할 수 있다.

이를 위해 ㈜쓰리디컨트롤즈는 향후 장비의 크기를 중·대형화 시키고 신소재 개발에도 박차를 가할 계획이다. 또한 전시회, 학술대회 등을 통한 국내외 신소재 연구 분야에서의 산학연 학술 활동도 적극 확대할 계획이다. 회사는 서울 등 수도권 시장에서 고객이 직접 세라믹 3D프린팅을 눈으로 확인하고 체험할 수 있도록 서울 마포구 서울창업허브 2층에 데모센터를 구축했으며 무료 출력 서비스도 진행 중이다. 국내외에 소재 및 장비 판매를 협력할 파트너사도 찾고 있다.


국산화에 성공한 완전 소결 세라믹 3D프린팅 기술을 통해 대학, 연구 기관 및 기업들이 혁신적인 첨단 세라믹 제품을 개발하고 대한민국 제조업 경쟁력 강화로 이어질 수 있도록 쓰리디컨트롤즈 임직원 모두가 노력하겠다.



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