3D 프린팅의 나노스케일제조 및 의공학응용
작성자 : nhk2050 분류 : 연구개발 | IT 작성일 : 2018.02.23 10:55:45 조회 : 769 키워드 : 4차산업혁명,3D프린팅,나노스케일제조,의공학응용
(질문배경)
3D 프린팅 기술은 AM(Additive Manufacturing Technology)을 기반으로 한층 한층 재료를 적층하여 구조물을 제작하는 방식이다. 3D 프린팅 기술은 다양한 산업 분야에서 쟁점으로 대두되고 있으며, IRS Global이나 Wohlers Associates와 같은 회사들의 보고서에 따르면 이미 200여 개에 달하는 3D 프린터 모델들이 출시·판매되고 있다. 3D 프린팅 기술은 앞으로 10년 이내 100억 달러 이상 규모의 시장을 형성할 것으로 예측하고 있다. 이러한 3D 프린팅 기술은 메크로 스케일의 제품뿐 아니라 나노/마이크로 스케일에서도 활용되고 있으며, 그 실례를 살펴보자.
( 마이크로 광조형 3D 프린팅 장치)
(3D 프린팅의 나노/마이크로 스케일 제조)
최근 3D 프린팅을 이용한 나노/마이크로 제작기술의 발달로 기능성 부품이나 제품이 점차 소형화, 집적화되어 그 활용 범위가 바이오산업에서 항공우주산업까지 다양하게 확대되고 있다. 이러한 기능성 마이크로 부품 제작에는 일반적으로 고분자 재료가많이 쓰이고 있으며, 고 강성 및 내 화학 성질이 필요한 부분에 대해서는 세라믹 재료가 주로 쓰이고 있다. 최근 나노미터 단위의 세부구조를 가진 마이크로 스케일 크기의 제품들이 다수 등장하고 있다. 신생기업 Nanoscribe는 미세하게 레이저를 조정하여 30나노 스케일 단위의 구조물을 생산할 수 있는 3D 프린터를 선보였다. 특히 기존에는 한 시간 넘게 걸리던 작업을 1분 이하로 단축시킬 만큼 빨라졌다는 장점도 있다. 정밀하게 소재를 가공할 수 있는 3D 프린팅은 기존에는 불가능하다고 여겨졌던 제품을 생산할 수 있는 기반이 될 수도 있다. 그리고 마이크로 스케일의 구조물을 제작하기 위해서는 레이저 가공이나 다른 가공방법을 채택하게 되면 많은 시간과 비용을 필요로 했다. 하지만 3D프린팅 기술을 이용함으로써 기존의 방식보다 빠른 시간에 경제적으로 마이크로 스케일의 구조물을 제작할 수 있다. 3D 프린팅 기술을 이용하여 마이크로/나노 스케일의 구조물을 제작하는 방식에는 광조형 방식이 대표적이다. 그중 나노 스케일의 제조 기술에 최근 광원의 회절한계를 극복하여 100nm급 정밀도를 지니고 3차원 마이크로 형상제작에 유리한 이광자 흡수 현상(Twophoton absorption)을 이용한 3차원 미세형상 제작에 관한 연구 또한 진행되고 있다. 금속의 경우 이광자 흡수 광환원 현상(Twophoton induced photoreduction)을 이용하여 원하는 위치에 금속이온을 환원시켜 3차원 마이크로 금속형상을 제작할 수 있다.
(3D 프린팅의 의공학응용)
마이크로 광조형 기술은 하나의 층을 경화시키는 방법에 따라 주사방식(Scanning method)과 전사방식(Projection method)으로 구분할 수 있다. 주사방식은 경화된 한 층을 만들기 위하여 하나의 점에 집속된 광의 점을 물체의 외곽모양에 따라 컨투어(Contour)를 주사한 후 내부를 격자 방식으로 드문 드문 채워서 경화시키는 방식이다. 주사방식의 장점은 광이 한 점에 고도로 집중되기 때문에 매우 높은 에너지를 일순간에 가할 수 있다는 점이다. 따라서 주로 출력이 낮은 레이저를 광원으로 이용하는 경우에 널리 사용되고 있다. 이 방식의 단점은 스팟의 크기가 작을수록 전체 형상을 다채워 경화시키는 데 많은 시간이 소요된다는 점이다. 반면에 전사방식은 일정한 크기의 면적을 한 번에 경화시키는 방법으로 경화되는 영역과 그렇지 않은 영역은 동적으로 생성되는 마스에 의해서 선택된다. 마스크의 생성을 위하여 기존에는 LCD(Liquid Crystal Display)가 주로 사용되었으나, 이 LCD 속에 광원으로 주로 상용되는 UV광선에 의해 열화가 되는 물질이 들어 있어서 오랫동안 안정적으로 활용하기는 어려웠다. 그러나 최근에는 픽셀별로 마이크로 미러를 설치하여 광의 반사유무를 결정할 수 있는 DMD(Digital Micromirror Device)가 보급되고 있으며, 점차 안정성이 높고 투과율이 높은 DMD를 이용하는 기술이 일반화되고 있다. 심장혈관에 삽입하는 금속 그물망인 스텐트(Stent), 위에서 언급한 통증없이 주사를 놓을 수 있는 마이크로 바늘(Microneedles), 수 마이크로 미터단위로 게코도마뱀(Gecko)의 발바닥을 모사한 접착제 등이 대표적이다.
( 3D 프린팅 자판기)
Tip
3D printing 기술은 기존의 산업적 응용을 넘어서 현재 제조업의 혁명을 가져올 차세대 기술인 3D 프린팅의 나노스케일제조 및 의공학응용을 알아 두자.
<참고자료>☞ 본문 답변과 관련된 사이트, 문헌자료
www.3dpkorea.co.kr/wp-content/uploads/2015/11/ksme-3dprinting.pdf
<전문용어>
3D printing 기술, 나노스케일제조, 의공학응용