검색
-
-
[퓨처 Eyes(106)] 스위스 로잔 공대, 젤리로 20배 강한 금속 만드는 3D 프린팅 신기술 개발
- 말랑말랑한 젤리로 단단한 금속 부품을 만드는 공상과학 영화에서나 볼 법한 기술이 현실로 다가왔다. 스펀지처럼 말랑한 하이드로젤을 이용해 기존보다 20배나 강한 압력을 견디는 금속 부품을 만드는 3D 프린팅 신기술을 스위스 로잔 연방 공과대학교(EPFL) 연구진이 개발했다. 이들은 재료를 선택한 뒤 인쇄하던 기존의 틀을 깨고, 먼저 젤리 형태의 '틀'을 인쇄한 뒤 원하는 금속이나 세라믹을 '성장'시키는 혁신적인 공정으로 재료 공학의 새로운 지평을 열었다. 이 기술은 미래 에너지, 의료, 센서 같은 첨단 산업의 판도를 바꿀 핵심 기술로 주목받는다. 젤리로 틀 만들고 금속 채우는 '역발상' 기존 금속 3D 프린팅 기술은 흔히 '건포도 빵' 만드는 과정에 비유한다. 밀가루 반죽(레진)에 건포도(금속 분말)를 미리 섞은 뒤, 빵 모양을 만들며 레이저로 굳히는 방식이다. 하지만 이 방식은 반죽에 건포도를 너무 많이 넣으면 빵이 제대로 부풀지 않고 부서지듯, 금속 함량을 높이는 데 한계가 명확했다. 또한, 주로 폴리머 소재에 한정되며, 이렇게 만든 금속·세라믹 소재는 내부가 다공성이어서 강도가 약했다. 무엇보다 굳히는 과정에서 부피가 60%에서 많게는 90%까지 줄어, 10cm짜리 부품이 1~4cm 크기로 쪼그라드는 심각한 수축 문제도 안고 있었다. 이렇게 엄청난 수축률은 비현실적으로 큰 초기 모형을 요구할 뿐 아니라, 완성품에 심각한 뒤틀림(warping) 현상을 동반해 정밀 부품 제작의 가장 큰 걸림돌이었다. EPFL 연구진은 이 문제를 풀기 위해 완전히 새로운 접근법을 고안했다. 건포도 빵 대신, 먼저 아무것도 넣지 않은 '스펀지 케이크'를 굽는다는 역발상이다. 여기서 스펀지 케이크 역할을 하는 것이 바로 하이드로젤(hydrogel)이다. 연구진은 먼저 표준 '액조 광중합(vat photopolymerisation)' 3D 프린팅 기술로 빛에 반응하는 하이드로젤을 원하는 모양의 3차원 지지체(scaffold)로 만들었다. 지지체란 건축 현장의 '비계'나 우리 몸의 '뼈대'처럼 전체 구조를 받치는 틀을 뜻한다. 이렇게 완성한 말랑한 하이드로젤 지지체를 원하는 금속 성분이 녹아있는 특별한 용액, 즉 금속염 용액에 푹 담근다. 연구에 따르면 섭씨 65도 용액에서 60분간 담가두는 과정을 거친다. 그러면 스펀지가 물을 빨아들이듯 하이드로젤 지지체 전체에 금속염이 고르고 깊숙하게 스며든다. 구체적으로 철(Fe³⁺), 은(Ag⁺), 구리(Cu²⁺) 같은 금속 이온이 녹아있는 용액에 담그면, 금속 이온들이 하이드로젤 내부의 빈 공간과 고분자 사슬 사이로 균일하게 퍼진다. 이후 침전제를 써서 화학적 침전(coprecipitation) 반응으로 이 이온들을 금속 나노입자나 금속 산화물 입자로 바꾼다. 이 과정의 반응 속도, 온도, pH 등을 조절해 입자의 크기와 분산을 정밀하게 제어할 수 있다. 연구진은 이 '담그고 바꾸는' 주입-침전 과정을 5번에서 10번 반복해 지지체 내부의 금속 함량을 원하는 만큼 매우 촘촘하게 높였다. 마지막으로, 금속을 가득 품은 하이드로젤을 고온의 용광로에서 열처리하면 스펀지 케이크에 해당하는 유기물(하이드로젤)은 모두 태워 없애고, 그 안에 자리 잡고 있던 금속 나노입자들이 서로 엉겨 붙어 순수한 금속 구조물만 남긴다. 이 과정을 소결(sintering)이라 부르며, 작은 입자들이 서로 융합해 고밀도의 단단한 구조를 만드는 원리다. 강도 20배 높이고 뒤틀림 문제 해결 이 새로운 공정으로 만든 금속 구조물은 성능이 획기적으로 향상됐다. 이 연구의 제1 저자인 이밍 지 박사과정생은 "우리가 만든 소재는 기존 방법으로 생산한 것과 비교해 20배 더 강한 압력을 견딜 수 있다"고 밝혔다. 강도뿐 아니라 정밀도 문제도 해결했다. 그는 "수축률 역시 기존의 60~90%가 아닌, 20%에 불과했다"고 강조했다. 무엇보다 완성된 구조물이 열처리 뒤에도 뒤틀림 없이 거의 평평한 상태를 유지했다. 연구팀은 이 기술의 우수성을 증명하려고 철, 은, 구리 같은 다양한 금속으로 자이로이드(gyroid)라는 특수한 구조를 만들었다. 자이로이드는 산호나 해면처럼 매우 복잡하게 얽힌 3차원 격자 구조로, 가벼우면서도 모든 방향에서 가해지는 힘을 효과적으로 분산시켜 구조적 안정성이 매우 높다. '선 제작, 후 결정'…3D 프린팅 패러다임 전환 이번 연구는 3D 프린팅의 생각의 틀을 바꾸는 중요한 뜻을 지닌다. 스위스 로잔 연방 공과대학교(EPFL) 재료화학제조연구소의 대릴 이(Daryl Yee) 책임자는 "우리 연구는 접근하기 쉽고 저렴한 3D 프린팅 공정으로 고품질 금속 및 세라믹을 만들 수 있게 할 뿐 아니라, 3D 프린팅 전에 재료를 선택하는 것이 아니라 프린팅 뒤에 선택하는 적층 제조의 새로운 길을 제시한다"고 말했다. 즉, 값싼 하이드로젤로 수많은 '틀'을 미리 만들어 둔 뒤, 필요에 따라 어떤 틀은 금으로, 어떤 틀은 의료용 티타늄으로, 또 다른 틀은 특수 세라믹으로 바꿀 수 있는 '맞춤형 후처리'가 가능하다. 이 방식은 단순히 재료 선택의 순서를 바꾸는 데 그치지 않는다. 하나의 하이드로젤 출력물에 철, 은, 세라믹 등 전혀 다른 재료를 필요에 따라 선택적으로 적용하는 길을 열었다는 점에서 더욱 혁신적이다. 시제품 제작, 맞춤형 신소재 개발, 나아가 재활용 측면에서도 큰 잠재력을 보여준다. 첨단 부품부터 기능성 소재까지…무한한 가능성 이 기술은 강력함, 가벼움, 복잡한 설계라는 세 마리 토끼를 동시에 잡아야 하는 여러 첨단 분야에서 무한한 가능성을 보여준다. 단순한 격자 구조를 넘어, 실제 산업 부품 제작으로 그 가능성이 넓어졌다. 실제로 연구진은 이 기술로 머리카락 몇 올 두께의 아주 작은 평면 철제 기어(gear)와 혈관 내부에 삽입하는 관 모양의 스텐트(stent)를 만드는 데 성공했다. 실제 산업 현장에서 요구하는 정밀 부품을 만들 수 있다는 잠재력을 증명한 셈이다. 연구진은 여기서 한 걸음 더 나아가, 구조적 역할을 넘어 기능성을 갖춘 소재 제작에도 성공했다. 강력한 자석의 일종인 스트론튬 헥사페라이트(Strontium Hexaferrite, SrFe₁₂O₁₉)라는 세라믹으로 자이로이드 구조를 만든 뒤, 산화철 가루를 뿌려 그 주위에 형성된 자기장을 눈으로 보여주는 데 성공했다. 이로써 앞으로 고성능 모터나 데이터 저장 장치 같은 기능성 부품을 제작할 길도 열렸다. 다만 이 기술이 산업계에 널리 퍼지기까지 풀어야 할 과제도 남아있다. 금속 함량을 높이려고 주입과 침전 과정을 여러 차례 반복해야 하므로 전체 공정 시간이 기존 방식에 견줘 길다. 연구진은 이 문제를 풀기 위해 현재 자동화 로봇을 도입해 주입과 세척 단계를 서두르는 연구를 진행하고 있으며, 가까운 미래에 소재의 밀도를 더욱 높이면서도 처리 시간을 줄일 수 있을 것으로 기대한다. 국제 저명 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 발표된 이번 연구는 저렴한 하이드로젤과 간단한 후처리 공정으로 기존의 값비싼 장비와 복잡한 공정으로만 가능했던 고성능·고밀도 금속 및 세라믹 부품 제작의 대중화를 앞당겼다는 평을 얻었다. 젤리에서 강철을 뽑아내는 현대판 연금술이 미래 산업의 지도를 어떻게 바꿀지, 앞으로 자동화 공정 최적화를 통해 실용화의 문턱을 넘을 수 있을지 이목이 집중되고 있다.
-
- 포커스온
-
[퓨처 Eyes(106)] 스위스 로잔 공대, 젤리로 20배 강한 금속 만드는 3D 프린팅 신기술 개발
검색 결과가 없습니다.