60초마다 정교한 3차원(3D) 마이크로 구조물을 연속으로 빠르게 찍어낼 수 있는 새로운 3D 프린팅 기술이 국내에서 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST)는 기계공학과 정임두 교수팀이 3D 인쇄를 한층 단위가 아닌 부피(볼륨) 단위로 하면서 동시에 연속 제조가 가능한 ‘디스펜싱 체적 3D 제조’ 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
이번에 개발된 3D 프린팅 기술은 피펫 끝에 맺힌 액체 원료 방울에 빛을 쏴 원하는 모양대로 경화시켜 형상을 만드는 방식이다. 액체 방울 자체가 하나의 인쇄 용기 역할을 하는 셈이다. 형상이 다 굳혀지면 공기압으로 피펫에서 액체 방울을 밀어내 곧바로 새로운 액체 방울을 만들 수 있다.
이에 대해 연구진은 “유리 피펫에서 분사되는 단일 수지 방울 내에서 인쇄와 배출이 이루어지는 DVAM 기술을 개발했다”며 “경화된 구조물이 기판 위로 배출되는 즉시 다음 방울이 공급돼 고속 연속 생산이 가능해졌다”고 설명했다.
회전 축 리소그래피(CAL)와 같은 기존의 체적 3D 프린팅 기술의 경우 작업 과정이 매우 어려워 연속적인 대량 생산에 한계가 있었다.
또한 이번 기술은 한 층(레이어) 단위로 쌓아올리는 일반적 3D 프린팅 기술과 달리 한 번에 형상 전체 볼륨을 만들 수 있어 제작 시간을 크게 단축할 수 있다는 것이 큰 특징이다.
연구의 최대 난관이었던 액체 방울 표면의 빛 굴절 현상은 인공지능(AI)으로 해결했다. 딥러닝 기반 AI가 액적의 곡률을 실시간으로 인식하면, 역 광선 추적 기술을 통해 빛의 왜곡을 미리 수학적으로 보정한 패턴을 투사하는 방식이다.
이 기술을 적용하면 ‘에펠탑’이나 ‘생각하는 사람’처럼 복잡한 구조물 10개도 각기 다른 모양으로 제작하는 데 10분이 채 걸리지 않는다. 개당 제작 시간은 60초 내외로, 기존 방식보다 생산 속도가 100배 이상 빠르면서도 층무늬가 남지 않아 별도의 후처리 작업도 필요 없다는 것이 연구진의 설명이다.
제 1저자로 참여한 전홍령 연구원은 “기존 3D 프린팅 원리와는 다르게 전체 형상을 볼륨 단위로 한번에 경화시키고, 또한 별도의 추가 공정없이 연속으로 바로 디스펜싱하도록 하여 3D 프린팅 속도를 백배 이상 향상 시켰다”며 “서로 다른 형상의 3차원 마이크로 부품을 쾌속으로 대량 생산할 수 있는 가능성을 보여주었다”고했다.
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 한번에 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 되었다”고 전했다.
한편 이번 연구 결과는 재료 과학 분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난달 21일 온라인으로 게재됐다.