3D 프린팅 ‘속도혁명’… UNIST, 연속 체적 프린팅 기술 개발

정임두 교수팀, 액적 디스펜싱 기반… 연속 체적 적층 제조 기술 구현

10분 안에 에펠탑, 알파벳 형상 10개 제조, Adv. Funct. Mater 게재

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 1분에 하나의 구조물을 만들어내는 초고속 마이크로 3D 프린팅 기술을 개발했다.

UNIST 기계공학과 정임두 교수팀은 3차원 인쇄를 한층 단위가 아닌 볼륨 단위로 하고, 연속 공정으로 다양한 형상을 빠르게 제조할 수 있는 '디스펜싱 체적 3D 제조(Dispensing Volumetric Additive Manufacturing)' 기술을 개발했다고 29일 전했다.

연구진, 정임두 교수(좌측)와 전홍령 연구원. UNIST 제공

개발된 디스펜싱 체적 3D 프린팅 기술은 피펫 끝에 맺힌 액체 원료 방울에 빛을 쏴 원하는 모양대로 굳혀(경화) 형상을 만드는 방식이다. 형상이 다 경화되면 공기압으로 피펫에서 액체 방울을 밀어내고, 새로운 액체 방울을 만든다.

한 층씩 쌓아 올려 형상을 만드는 일반적인 3D 프린팅 기술(layer-by-layer)과 달리 한 번에 형상 전체 볼륨을 만들 수 있어 제작 시간을 크게 단축할 수 있고, 층을 매끄럽게 다듬기 위한 별도의 후처리도 필요 없다.

기존에도 형상을 한 번에 만드는 체적 3D 프린팅 기술들이 있었지만, 체적 3D 프린팅 기술 중 하나인 회전축 리소그래피(Computed Axial Lithography, CAL)는 인쇄 주기마다 원통형 용기에 수지를 채우고, 균일한 조사를 위해 굴절률 매칭 용액을 사용하며, 인쇄된 물체를 용기로부터 꺼내야 하는 작업이 필요해 다수 부품을 연속적으로 대량 생산하기 어려웠다.

연구팀은 수지가 담긴 별도의 용기 대신 유리 피펫에서 분사되는 단일 수지 방울 내에서 인쇄와 배출이 이루어지는 DVAM 기술을 개발해 이 문제를 해결했다. 수지 방울 자체가 인쇄 볼륨 역할을 하며, 회전하는 동안 단면 조사를 통해 용기와 굴절률 매칭 매질 없이도 수지 전체를 균일하게 경화시킬 수 있다. 인쇄 후 경화된 구조물은 기판 위로 배출되며, 다음 방울이 즉각적으로 공급돼 고속 연속 생산이 가능하다.

기술 개발의 가장 큰 난관은 액적의 둥근 표면 때문에 생기는 빛의 굴절이었다. 연구팀은 인공지능과 역 광선 추적의 광학 계산 기술을 결합해 이를 해결했다. 딥러닝 기반 사물 인식 AI가 액적의 곡률과 윤곽을 실시간으로 인식하면, 이를 바탕으로 빛의 굴절 경로를 계산해 왜곡 과 경화에 필요한 에너지를 미리 수학적으로 보정한 패턴을 투사한 것이다.

이를 바탕으로 '에펠탑'이나 '생각하는 사람'과 같은 복잡한 구조를 프린팅할 수 있으며, 프린팅 시간과 프린팅 외 작업 시간을 포함해서 10분 안에 각기 다른 10개 형상들을 제조할 수 있다. 구조물 하나를 만드는 데 걸리는 시간은 60초 내외였다.

연구그림, 회전형 액적 기반 볼륨 프린팅 기술 원리와 연속 공정 개요.

제1 저자로 참여한 전홍령 학생은 "기존 3D 프린팅 원리와는 다르게 전체 형상을 볼륨 단위로 한 번에 경화시키고, 또한 별도의 추가 공정 없이 연속으로 바로 디스펜싱하도록 해 3D 프린팅 속도를 백배 이상 향상했다"며 "서로 다른 형상의 3차원 마이크로 부품을 쾌속으로 대량 생산할 수 있는 가능성을 보여주었다"고 했다.

연구를 총괄한 교신 저자인 정임두 교수는 "맞춤형 제조가 가능한 3D 프린팅 기술의 경우 느린 제조 속도가 항상 단점으로 지적되는데, 기존 광경화 방식에서 벗어나 전체 볼륨을 한 번에 생산하고, 이때 발생하는 광학적 왜곡 한계를 인공지능 기술로 해결함으로써 초고속 3D 프린팅의 가능성을 한 단계 끌어올린 사례"라며 "이제는 원하는 형상을 제조하기 위해 오래 기다릴 필요 없이, 즉석에서 수십초 내에 만들 수 있는 시대가 됐다"고 말했다.

연구 결과는 재료 과학 분야 세계적 학술지 (Impact Factor: 19.0, JCR 상위 5% 이내)인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 3월 21일 온라인으로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단과 정보통신기획평가원과 산업통상자원부의 기술개발사업 지원으로 이뤄졌다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr