3D 프린팅, 나노 기술과 만나다

[산업일보]
3D 프린터의 대중화가 일어나면서 산업계에서도 이에 대한 활용방안이 다양하게 제시되고 있는 가운데 3D 프린팅에 사용되는 소재에 대한 연구도 활발하게 이뤄지고 있다.

3D 프린팅 기술은 적층 방식이나 재료에 따라 다양한 종류가 있는데 그 재료로는 종이, 금속 분말, 플라스틱, 모래, 생체재료 등이 다양하게 사용되며 보통 한 번에 적층되는 층의 두께와 선폭은 약 10~100 마이크로미터(㎛) 정도이다.

‘나노 융합 2020사업단’의 발표에 따르면, 3D 프린팅 기술 중 3D 프린터와 프린팅 공정에 대한 개발은 어느 정도 이루어져 있으나 주요 수익원으로 알려져 있는 프린팅 소재에 대한 개발은 아직 성숙되진 못한 실정이다.

3D 프린팅 기술에 있어 고기능성 고분자 소재와 더불어 금속 소재 및 그래핀, 탄소나노튜브나 기능성 나노입자들을 이용한 고기능성 소재에 대한 개발이 요구된다.

나노소재를 이용한 3D 프린팅 소재의 개발은 주로 기존의 3D 프린팅 소재의 기능성을 향상시키는 목적으로 활용되고 있다. FDM 방식의 3D 프린터에 사용되는 소재는 PLA나 ABS가 주로 사용되는데 소재의 기계적 강도가 높지 않고 전기전도성이 없어서 활용도에 한계를 갖게 된다.

이러한 단점을 극복하기 위해서 기능성 나노소재를 충진제 형태로 복합화하는 연구가 진행 중이다. 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)나 탄소나노섬유(Carbon nanofiber, CNF)를
PLA나 ABS의 필라멘트를 제작할 때 같이 혼합해 사용함으로써 필라멘트의 기계적 강도를 높이는 것이 당면과제이다.

CNT가 1~3% 정도 PLA 내에 혼합됐을 때 기계적 강도가 20% 이상 향상됐다는 보고가 있다. 또한 CNF를 잘라(chopping) PLA에 혼합한 보고가 있는데 기계적 강도와 전도성을 같이 향상할 수 있음을 보였다. 하지만 이러한 나노물질을 혼합하게 되면 열가소성 소재의 경우 유리전이 온도의 변화가 발생하고 프린팅하는 과정에서 프린터 노즐에 막히는 현상이 발생하게 돼 프린팅 된 구조체의 내구성이 나빠질 수 있다.

최근 2년 사이에 그래핀(graphene)을 혼합한 3D 프린팅 소재가 FDM 방식에 적용할 수 있도록 상용화되고 있다. 그래핀 기반 필라멘트의 경우 판매사에 따라 다르지만 기존 소재 대비 전도성이 향상됨을 알 수 있다.

그래핀 연구에 있어서 획기적인 결과들이 많이 나오고 있어서 그래핀이나 산화그래핀 등의 대량 생산이 가능해 그래핀을 이용한 3D 프린팅 소재의 상용화가 가속화되고 있다. 탄소계 나노소재 이외에도 나노스케일 금속 합금을 이용한 3D 프린팅 소재의 개발도 활발하게 연구가 진행되고 있다.

또한 3D 프린팅 기술은 나노소재가 갖고 있는 고유의 기능성을 유지하면서 나노소재 기반의 메조스케일 구조체를 제조하기 위한 공정 기술이다.

지금까지 개발된 나노소재의 적용은 대부분 1차 가공된 구조물에 코팅이나 증착을 통해 표면에 기능성을 부여하는 방식이 대부분이었다.

따라서 나노소재를 3D 프린팅 소재로 활용하기 위해서는 3차원 구조물 자체를 기능성 나노소재를 사용해 성형할 뿐 아니라 표면적을 극대화할 수 있는 다공성 구조를 설계해야 한다.

문명운 연구원은 이러한 개발과정에 대해 “이처럼 3D 프린팅 기술을 이용한 나노소재의 스케일업을 통해 관련 부품소재 가공 및 시스템 최적화를 이룰 수 있다면 에너지·환경·바이오 및 미래 첨단 과학 분야에 적용 시 경제적 파급 효과는 엄청날 것으로 예상된다”고 전망했다.