KAIST, '광경화 3D 프린팅' 내구성 강화 기술 확보

국내 연구팀이 '광경화 3D 프린팅'의 내구성을 강화할 신기술을 확보했다. 기존에 광경화 3D 프린팅은 신속·정밀함을 강점으로 치과 치료부터 복잡한 시제품 제작에 이르기까지 다양한 분야에서 폭넓게 활용돼 왔지만, 충격에 쉽게 파손되는 단점도 함께 부각됐다.

KAIST는 기계공학과 김미소 교수 연구팀이 광경화 3D 프린팅의 내구성 한계를 근본적으로 해결할 수 있는 신기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

(앞줄) 남지수 박사과정, (뒷줄 왼쪽부터) 복신 첸 박사과정, 김미소 교수. KAIST 제공

광경화 3D 프린팅은 자유로운 형상 구현이 가능한 반면 내구성 부문에서 취약한 단점을 드러냈다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 충격과 진동을 흡수하면서 고무, 플라스틱 등 다양한 물성을 구현할 수 있는 신규 광경화 레진 소재와 구조물의 각 부위에 최적 강도를 자동 배치하는 머신러닝 기반의 설계기술을 결합하는 방식을 택했다.

먼저 연구팀은 동적 결합을 도입한 '폴리우레탄 아크릴레이트(PUA)' 소재를 개발해 기존 소재보다 충격·진동 흡수 능력을 획기적으로 높였다. 이어 빛의 세기를 조절해 하나의 레진 조성물에서 서로 다른 강도를 구현할 수 있는 '회색조 DLP' 기술을 적용, 구조물 내 부위별 맞춤 강도를 부여하는 데 성공했다.

이는 인체의 뼈와 연골이 다른 역할을 하며 조화를 이루는 원리에 착안한 결과물이다.

머신러닝 알고리즘은 구조와 하중 조건을 분석해 최적의 강도 분포를 자동으로 제안한다. 이를 통해 소재 개발과 구조 설계가 유기적으로 연결돼 맞춤형 강도 분배가 가능해졌다는 것이 연구팀의 설명이다.

경제성을 높인 점도 이번 연구에서 주목할 지점이다. 기존에는 다양한 물성을 구현하기 위해 고가의 '다중 재료 프린팅' 기술을 적용했지만, 연구팀이 개발한 기술은 단일 소재와 단일 공정만으로 동일한 효과를 발휘할 수 있어 생산 비용을 줄일 수 있다. 복잡한 장비나 재료 관리가 불필요해지고, 인공지능(AI) 기반의 구조 최적화로 연구개발 시간과 제품 설계비용을 함께 절감했다.

김 교수는 "이번 기술은 소재 물성과 구조 설계의 자유도를 동시에 확장했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "개발한 기술을 적용하면 환자별 맞춤형 보형물은 앞으로 강한 내구성과 착용 시 편안함을 갖게 되고, 정밀 기계 부품은 기존보다 견고하게 제작할 수 있을 것"이라고 말했다.

무엇보다 "단일 소재·단일 공정만으로 다양한 강도를 구현해 경제성까지 확보한 점은 향후 바이오메디컬, 항공·우주, 로봇 등 다양한 산업 분야로 활용 범위를 넓혀갈 요인이 될 것으로 기대된다"고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단 BRIDGE 융합연구개발사업, 중견연구자지원사업, 차세대 반도체 대응 미세기판 기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 연구 결과는 최근 재료과학 분야 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr