조정호 교수팀, 성균관대 조새벽 교수와 친환경 바인더를 사용한 금속 3D 프린팅 기술 개발

데스크톱 3D 프린팅 기술에 적용 가능한 친환경 바인더 연구의 새로운 방향 제시

세계적인 학술지 ‘Nature Communications’ 게재

[사진. 조정호 교수(왼쪽), 성균관대 조새벽 교수]

공과대학 화공생명공학과 조정호 교수 연구팀은 성균관대 화학공학부 조새벽 교수와 금속 3D 프린팅 기술 중 하나인 바인더 제팅 3D 프린팅에 적용 가능한 새로운 친환경 수용성 바인더를 제시했다. 본 연구는 염 형태의 수용성 과일산 바인더가 금속 입자 간 안정적인 금속-킬레이트 결합을 형성하는 반응을 활용해 산업용 3D 프린터에서만 가능했던 금속 3D 프린팅을 개인용 데스크톱 3D 프린터에서 사용하기 위한 발판을 마련했다.

4차 산업혁명 흐름에 맞춰 3D 프린팅 기술이 발전함에 따라, 신속한 프로토타입의 설계와 개인 맞춤형 제품 제조가 가능해졌다. 여러 가지 3D 프린팅 기술 중에서도 바인더 제팅 3D 프린팅 방식은 고분자, 금속, 세라믹 등 다양한 파우더 재료를 사용할 수 있는 기술로, 빠르고 간단한 공정 등 많은 장점이 있지만 기존의 금속재료용 액상 바인더가 환경 유해성 및 유독성을 갖는 화학물질로 구성돼 있어 일반인이 사용하는 데스크톱 3D 프린팅에는 적용이 어려웠다.

이를 대중 접근성이 높은 기술로 발전시키기 위해서는 친환경적이고 인체에 무해하면서도 높은 기계적 안정성을 갖는 바인더 개발이 필요하다. 이에 세계 각국의 연구진이 수용성 친환경 바인더를 바인더 제팅 기술에 적용하기 위한 연구를 진행해 왔으나, 대부분 프린팅 직후의 결과물이 기계적 강도가 낮아 실제로 사용 가능한 결과물을 만들기 어려웠다. 이는 바인더가 파우더 입자들을 강하게 결합하지 못했기 때문이다.

본 연구진은 이러한 문제점을 해결하기 위해 분말상 바인더의 친환경성과 기계적 강도를 개선할 수 있는 금속 간 킬레이팅 반응을 일으키는 친환경 과일산 바인더를 도입했다. 킬레이팅 반응은 금속 이온과 하나의 리간드가 배위결합해 착이온을 형성하는 반응이다. 친환경 과일산의 일종인 시트르산 나트륨의 리간드인 카복실기는 금속 표면의 미세한 틈에서 금속 이온과 반응하는 킬레이팅 반응을 해 금속 간의 결합을 유도한다. 이러한 방법을 통해 프린팅 결과물의 공극률을 낮췄고, 금속 파우더 입자 간 표면 결합 부위의 낮은 결합력을 개선했다.

또한, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식은 잉크 카트리지에서 분사된 물이 금속 파우더에 모세관 현상에 의해 흡수되면서 부피 팽창을 일으켜 프린팅 결과물의 해상도를 낮추는 문제점이 있다. 본 연구진은 3D 프린팅 중 파우더에 열을 지속적으로 가해 파우더 내 부피 팽창 현상을 제거했으며, 이를 통해 더욱 정밀한 프린팅 결과물을 얻을 수 있도록 개선했다.

[그림. 친환경 바인더를 사용한 바인더 제팅 3D 프린팅 모식도와 프린팅 결과물]

이번 연구를 통해 제시한 결합 메커니즘은 알루미늄 외 다른 금속 파우더에도 적용할 수 있다. 본 연구결과는 친환경적인 과일산을 사용한 금속 표면 간 킬레이팅 결합 메커니즘을 통해 데스크톱 금속 3D 프린팅 기술 발전에 중요한 이슈인 기계적 강도 및 구조적 정확성 문제를 해결했다. 이를 통해 향후 데스크톱 금속 3D 프린팅 기술에 적용 가능한 친환경 바인더 연구의 새로운 방향을 제시했다.

조정호 교수는 “본 연구는 친환경 수용성 바인더를 사용해 바인더 제팅 금속 3D 프린팅의 핵심 이슈인 결과물의 낮은 기계적 강도 및 구조적 정확성 문제를 해결한 연구로, 향후 산업계를 넘어 개인용으로도 사용할 수 있도록 데스크톱 금속 3D 프린터 기술 확장 가능성을 제시한 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부가 주관하는 미래소재디스커버리사업, 기초연구실사업 및 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업의 지원으로 수행됐으며, 특히 우리 대학교가 교내 공동연구 진흥을 위해 신규 도입한 ‘연세 시그니처 연구클러스터 사업’의 지원이 있었다. 연구결과는 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 3월 7일(현지시간) 게재됐다. 우리 대학교 조수영 연구원, 호동해 박사가 공동 제1저자로, 조정호 교수와 성균관대 조새벽 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

논문정보

● 논문제목: A General Fruit Acid Chelation Route for Eco-friendly and Ambient 3D Printing of Metals

● 논문주소: https://www.nature.com/articles/s41467-021-27730-6

용어설명

● 3D 프린팅(3D printing): 적층 제조 기술(Additive manufacturing)이라고도 불리며, 3D 모델링 데이터를 바탕으로 수많은 layer를 쌓거나 재료를 결합해 하나의 입체적인 구조체를 제작하는 기술.

● 바인더 제팅 3D 프린팅(Binder jetting 3D printing): 다양한 적층 제조 기술 중 하나의 방식으로, 파우더 층 위로 액상 바인더를 선택적으로 분사하고 파우더 입자를 결합해 하나의 입체적인 구조체를 제작하는 기술. 

● 바인더(Binder): 파우더 입자들이 서로 결합할 수 있게 하는 물질로 액상이나 분말 형태로 사용된다. 프린팅 직후 결과물의 강도는 바인더에 의한 파우더 입자 간 결합에 의존하므로, 바인더의 결합력은 기계적 강도를 결정하는 매우 중요한 요소이다.

● 킬레이팅 반응(Chelation): 금속 이온과 하나의 리간드가 배위결합해 착이온을 형성하는 반응이다. 결합하는 자리가 많을수록 안정적인 화합물을 생성할 수 있다.