21세기 대표 혁신 기술로 널리 활용되고 있는 3D프린팅. 새로운 원료 개발의 필요성이 제기되고 있는 가운데, 우수한 화학적 특성과 독특한 질감을 가진 천연광물이 3D프린팅의 새로운 원료로 부각되고 있다.

한국지질자원연구원(원장 직무대행 김광은, KIGAM) 서주범 박사 연구팀은 고유하고 우수한 질감을 가지면서 내열성 및 절연성, 내화학성이 높은 천연광물을 3D프린팅의 원료로 사용하는 기술 개발에 성공했다.

서주범 박사팀은 BJ 접착제 분사방식 3D프린터(Binder Jetting, ‘BJ 3D프린터’)의 활용 방안 확대를 위해 ‘천연광물 기반 3D 프린팅 원료개발 연구’를 수행하고 있다.

특히 장석, 도석, 고령토, 규석, 납석, 운모 등 도자기 제조(요업 분야)에 사용되는  천연광물을 주요 연구대상으로 하고 있다.

3D프린팅에 투입되는 재료의 종류는 크게 고분자 플라스틱,  금속, 세라믹 또는 복합체로 구분된다. 광물로는 최근 석고(파우더), 모래(molding sand), 진흙, 석분이 사용되고 있으나 최근 적용 분야의 다양화를 위한 새로운 3D프린팅 원료 개발이 요구되고 있다.

천연광물은 전통 세라믹원료와 비교해 비용이 저렴하고 가공이 쉽다는 장점이 있다. 최근 3D프린팅의 제한된 원료와 높은 유지비용 때문에 원료의 다양화를 위한 소재개발의 필요성이 계속 강조되고 있다.

연구팀은 안정성과 친환경성을 갖춘 우리 주변의 다양한 광물을 BJ 3D프린터 원료로 활용하기 위해 선결 조건인 원료입자의 복합화와 원료파우더 결합방법의 기술적 어려움을 해결했다. 

개별 광물의 특성을 고려해 최적화된 복합기술을 확보했다. 분쇄된 개별 광물을 특정비율로 혼합한 후 분쇄장비를 이용해 추가 분쇄와 균일한 복합을 유도했다.

0.1mm 두께로 균일하게 원료를 도포하는 BJ 3D프린터의 특성상 최종 원료의 입자를 평균 45μm(마이크로미터) 크기의 둥근 형태로 구현했다. 이를 통해 BJ 3D프린터 내에서 입자의 유동성을 확보하고 적층제조가 가능해졌다.

또 구형입자의 결합을 위해 접착제로 작용할 수 있는 다양한 물질을 평가해 입자를 결합시킬 수 있는 기술을 확보했다.

연구팀은 개발한 원료를 BJ 3D프린터에 적용해 입체  형상을 출력하는데 성공했다. 특히 출력물을 고온으로 열처리할 경우 출력물의 강도가 증가할 뿐만 아니라 기본 형태가 유지되는 것을 확인했다.

연구책임자인 서주범 박사는 “첨단IT 및 AI기술의 구현이 가속화되고 있는 시점에서 구조적 안정성과 친환경성을 갖춘 새로운 3D프린팅 원료의 필요성이 다각적으로 제기되고 있다”며 “천연광물을 활용할 경우, 우리 생활에 밀접한 양질의 생활용품은 물론, 정교한 첨단 제품의 다품종 소량생산 등에 다양하게 활용될 수 있다”고 말했다.