레이저 홀로그램과 광반응성 플라스틱 레진을 이용, 몇 초 이내 완전한 3D 대상물을 프린팅하는 기술
레이저 홀로그램과 광반응성 플라스틱 레진을 이용, 몇 초 이내 완전한 3D 대상물을 프린팅하는 기술
  • 금민호 기자
  • 승인 2019.11.15 23:02
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

[퓨처타임즈=금민호기자] 3D 프린팅은 전통적 제조방식으로는 불가능한 복잡한 구조를 만들어낼 수 있지만 적층방식이라 가장 단순하고 쉬운 해결책이지만 사실 시간이 오래 걸려 대량 생산에는 적합하지 않다는 단점이 있으며 프린트할 수 있는 모양에 제한이 있다. 이번에 새로 개발된 기술은 홀로그래픽 라이트 필드를 이용하여 전체 3D 대상물을 수 초 내에 만들어낼 수 있다.

로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 연구진에 의해 개발된 기술은 빛에 노출되면 응고되는 특수한 레진을 이용한다. 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)와 협력 기관인 캘리포니아 버클리대학교(UC Berkeley), 로체스터대학교(University of Rochester), 그리고 MIT의 과학자들은 3차원 레이저 홀로그램을 이용해서 역대 가장 빠른 속도의 3D 프린팅 기술을 선보였다.

볼류매트릭 3D 프린팅(Volumetric 3D printing)이라고 불리는 이 기술은 원료가 되는 광반응성 플라스틱 레진(photosetting plastic resin)을 투명 용기에 넣고 세 방향에서 레이저를 발사하여 3차원 구조물의 형태로 굳게 만드는 원리를 사용하고 있다. 이 기술은 제작 시간이 몇 초에 불과할 정도로 짧다는 것이 가장 큰 장점입니다.

대부분의 3D 프린팅 접근방법은 개별 소재와 필라멘트 또는 전체 레이어의 개별 점과 레이어를 쌓는 방식으로 만들어진다. 노즐이나 레이저를 이용하는 것은 점(point, 1D)을 선으로 만들어서 면(layer, 2D)을 만들고, DLP 방식은 한 번에 한 레이어 면(layer, 2D)을 만들어서 3D형상을 만들어 간다. 이번 기술 연구를 주도한 로렌스 리버모어 국립연구소의 엔지니어인 맥심 슈스테프(Maxim Shusteff)는 3D 구조는 실제로 2D 레이어를 적층한 것이라고 말했다.

지금까지의 방식으로는 특정한 구조물은 만들 수 없다. 바닥에서 위로 구축해나가면 상위 레이어에서 하부구조를 만드는 것이 어렵게 된다. 한 번에 전체 구조를 만드는 방식은 적층방식의 한계를 없애고 시스템의 속도를 크게 향상시킬 수 있다는 두 가지 장점이 있다.

볼류매트릭 3D 프린팅은 레이어 방식과는 달리 전통적인 가공방식인 절삭가공 방식과 유사한 점이 있다. 절삭가공은 덩어리 형태의 소재를 기계기구로 깎아서 원하는 3D형상을 만들어내는데, 볼류매트릭 3D 프린팅도 레진 탱크에 레진을 가득 부어놓고, 레이저를 기반으로 한 홀로그램 같은 3D 이미지로 원하는 곳만 경화시켜 출력물을 만들어내기 때문이다.

사이언스 어드밴스(Science Advances) 지에 실린 논문을 통해 연구진들은 3D 홀로그램 이미지를 세 부분으로 나누어 작동되는 시스템을 설명하고 있다. 정면, 밑면, 측면을 통해 들어오는 별도의 레이저 빔에 의해 레진 탱크에 투영되어 중첩되는 4D 라이트필드를 생성한다.

연구진이 사용하는 레진은 특정 에너지 임계값을 넘어서면 빛에 반응하여 응고되는 광중합체이다. 라이트필드에 몇 초간 노출된 후 레진 탱크를 비우게 되면 3D 구조만이 남게 된다.

로렌스 리버모어 국립연구소의 맥심 슈스테프는 ‘우리는 3D 프린팅의 중요한 문제를 극복하고 3D 부품 전체를 한 번에 출력하려고 노력해왔다. 레이어 층을 한 층씩 쌓아서 출력하는 것이 아니라, 3D형상 전체를 한 번에 출력할 수 있을까라는 질문을 해결하는 데 성공한 것이다’라고 말했다.

연구진은 이 기술을 이용하여 밀리미터 크기의 큐브와 피라미드, 격자 모양을 만들었다. 슈스테프는 이러한 접근 방법이 최적화된다면 수 마이크로미터의 해상도가 가능해져야 한다고 말했다.

큰 탱크에 들어 있는 레진에 균일한 광분포를 보장하려면 많은 전력이 필요하므로 이러한 접근방법이 커다란 구조물에는 적합하지 않을 수 있지만 슈스테프는 1,000㎤까지는 매우 적합하게 이용할 수 있다고 말했다.

연구진들이 특히 흥미를 가지고 있는 것은 생체의학 임플란트이다. 이는 생산방식의 높은 유연성과 함께 높은 해상도를 가져야 한다. 하이드로 겔과 같은 생체적합성을 가진 물질에 바이오 잉크를 사용하는 생체조직에 대한 연구가 늘어나고 있다. 이러한 소재는 부드럽고 쉽게 변형되기 때문에 많은 움직임이 포함되는 인쇄방법은 바람직하지 못하다. 따라서 볼류매트릭 3D 프린팅과 같은 정적인 접근 방식이 대안이 될 수 있다.

노스캐롤라이나 대학교의 화학교수이며 3D 프린팅 회사인 카본(Carbon)의 공동 설립자인 조셉 디시몬은 ‘광 중합체로 3D 가공속도를 향상시키는 이러한 방식은 매우 흥미롭다. 소프트웨어와 하드웨어, 레진 소재의 발전이 이러한 기술을 만들어냈다’ 라고 말했다. 노스웨스턴 대학(Northwestern University) 과학자들은 3D프린팅으로 매우 유연한 인공뼈를 만드는데 성공했다고 발표했다. 이렇게 만든 인공뼈가 원숭이와 쥐에게는 실제 뼈만큼 좋은 성능을 발휘한다는 것을 발견했다.

아직 인간에게 이식할 준비는 안됐지만, 바이오 엔지니어들은 암에 의해 손상된 뼈나 부러진 뼈를 치료하는데 3D프린팅으로 만든 인공뼈가 큰 도움을 줄 것으로 낙관하고 있다.

슈스테프는 아직 해결해야 할 문제가 많이 남아 있다는데 동의한다. 광중합체의 소재 특성이 제한되어 있으므로 첨가제 연구에 많은 노력이 필요하다. 그러나 이 분야는 빠르게 발전하고 있다. 연구진은 또한 홀로그래피보다 3D 라이트필드를 만들어내는 더 나은 방법이 있을 수 있다고 생각하고 있다. 3D 구조를 빛으로 구성하거나 기록하는 방식에 관한 연구는 매우 발전되어 있기 때문에 더 나은 방식이 채택될 가능성이 있다.

홀로그래피 기술은 비싸고 복잡한 광학장비가 필요하며 레이저 광이 스스로 간섭하여 레이저 스페클(Laser Speckle)을 발생시키기 쉽다. 연구진들은 홀로그래피 대신 LED를 광원과 진폭 변조로 사용하여 동일한 효과를 얻을 수 있어야 한다고 말한다. 연구진들은 LED 광원으로 실험을 하고 있다. 슈스테프는 기하학적 유연성은 향상되는 반면 시간은 늘어나 몇 초가 아닌 몇 분이 걸린다고 말한다.

미국 로렌스리버모어국립연구소 연구진들은 3D프린팅으로 기존 스텐레스 강철보다 몇 배나 더 강하면서도 유연한 상반된 특징을 갖는 스테인리스 강철을 만드는데 성공했다. 연구진은 이 기술을 활용하면 로켓엔진이나 원자력발전소 부품을 더욱 빠르고 저렴하게 만들 수 있다고 발표했다.

3D 프린팅 분야의 과학자들은 오랫동안 스테인리스 구조를 재생하려고 노력해왔다. 이들은 평평한 표면위에 합금 입자의 분말층을 조성한 뒤, 컴퓨터제어로 높은 출력을 가진 레이저빔이 분말층 표면을 왕복하도록 했다.

볼류매트릭 3D 프린팅 기술을 통해 품질이 우수한 플라스틱 소재를 신속하게 생산할 수 있다면 생산 속도 면에서 어떤 방식도 따라잡을 수 없을 만큼 빠르고 저렴하게 대량 생산이 가능하기 때문에 새로운 게임체인저가 될 가능성이 있다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.