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금속 3D 프린팅, 우주에서 비상 우주선·의료용품에 적용 가능
- 3D 프린팅은 지상에서 이미 우주 산업에서 로켓 엔진과 부품을 제작하는 데 많이 사용되고 있다. 전문가들은 3D 프린팅 기술을 지상뿐만 아니라 우주 공간에서도 활용하는 방법을 모색하고 있다. 전문 매체 디지털트렌드에 따르면, 유럽은 최근 국제우주정거장(ISS: International Space Station)에 최초로 금속 3D 프린터를 올려 보냈다. ISS에서는 지난 10년 동안 일반 3D 프린터를 사용해 왔다. 3D 프린터 기술이 더욱 발전함에 따라 과학자들은 최신 금속 3D 프린터가 우주에서도 사용될 수 있는지를 테스트하고 있다. 최근 캘리포니아 주립대학교 버클리 캠퍼스(UC 버클리) 연구팀이 버진 그룹의 우주 관광 프로젝트인 버진 갤럭틱(Virgin Galactic) 임무를 위해 새로운 금속 3D 프린터를 우주로 보냈다. 스페이스CAL(SpaceCAL)이라고 불리는 이 프린터는 극미중력 환경에서 작동할 수 있도록 특별히 설계됐다. 연구팀은 이 프린터로 우주 공간에서 단 몇 분 동안 4개의 테스트 부품을 인쇄해 냈다고 밝혔다. 만들어 낸 테스트 부품에는 PEGDA라는 액체 플라스틱 재료로 만든 작은 모형 우주 왕복선도 포함됐다. 연구팀의 구상은 필요한 도구나 소모품을 만드는 미래의 우주 임무에 금속 3D 프린팅 기술을 사용하겠다는 것이다. 연구원인 테일러 와델은 "언젠가 우주선용 부품과 도구는 물론 콘택트 렌즈나 승무원용 치아 크라운(치아 머리 부분 전체를 감싸는 보철)에 이르기까지 모든 것을 제조하는 데 3D 프린팅 기술이 사용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다. 그렇게 되면 우주선이 고장나더라도 3D 프린터로 O-링이나 기계식 마운트 또는 도구까지 인쇄할 수 있다. 우주인들이 사용하는 생활 도구의 제작이나 수리도 가능하다. 치과 교체품, 피부 이식편, 안경 렌즈, 응급 의료용 맞춤 물품 등도 만들어 낸다. 우주에서의 임무에서 이는 매우 중요하다. 금속 3D 프린터는 플라스틱 소재만 인쇄하는 것이 아니기 때문이다. 실리콘, 유리 합성물, 생체 재료로도 인쇄할 수 있기 때문에 승무원과 우주선을 위한 응급 대처가 가능해진다. 지상과 우주공간을 오가며 중요 부품이나 소모품을 조달하는 시대가 마감될 수 있다. 연구팀은 언젠가 인간 장기나 보조 기구까지 인쇄하는 시대가 올 것으로 예상한다. 이미 ISS에서 기술을 테스트하고 있다. 우주인에게 발생할 수 있는 사고와 이에 따른 상처를 봉합하는 도구 등을 프린팅하는 것이다. 이 기술은 지구상의 극한 환경이나 원격 환경에서도 다른 용도로 사용될 수 있다. 와델은 "우주뿐만 아니라 지구상에 거주하는 특수한 환경의 사람들에게까지 혜택을 줄 수 있는 솔루션으로 이어질 수 있다”고 기대했다.
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금속 3D 프린팅, 우주에서 비상 우주선·의료용품에 적용 가능
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美 캘텍, 바이러스만큼 작고 강력한 3D 프린팅 금속 개발
- 독감 바이러스보다 작고 내결함성이 크게 향상된 새로운 3D 프린팅 금속이 개발됐다. 현재의 3D 프린터는 완성된 모형의 품질이 기존 제품보다 떨어진다는 단점이 있었다. 과학기술 전문매체 톰스하드웨어(tom’s HARDWARE)는 최근 미국 캘리포니아 공과대학교(캘텍, Caltech) 연구자들이 독감 바이러스만큼 작은 금속재료로 3D 프린팅에 성공한 사례를 소개했다. 캘텍의 제조 방법에 따르면 150나노미터(독감 바이러스와 비슷한 크기)의 작은 금속재료를 비슷한 크기의 기존 재료보다 3~5배 더 견고하게 만들 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이 방법으로 금속을 3D 프린팅하는 것이 좋은 이유는 무엇일까. 작은 규모의 재료 제조는 원자 수준에서 복잡한 미세 구조를 가지며, 이는 큰 금속 물체에서 심각한 결함을 일으킬 수 있다. 그러나 나노 규모에서는 상황이 달라진다. 완벽하고 결함이 없는 나노 기둥은 자체적인 접촉으로 인해 무너질 수 있지만, 결함이 많은 나노 기둥은 오히려 결함에 대한 내성이 크게 향상된다. 이번 연구 논문의 주 저자인 웬싱 창(Wenxin Zhang)에 따르면, 나노 구조물 내부의 기공은 전체 구조를 약화시키기보다는 결함을 거의 즉시 중단시킬 수 있다. 이는 무엇을 의미할까. 나노 규모에서 물리학의 법칙이 매우 독특해지며, 이 분야의 기술 발전에 따라 우리는 이러한 비정상적이고 모순적인 현상을 더 자주 목격하게 될 것이다. 더 중요한 것은, 이러한 발견이 나노 크기의 센서, 열 교환기 등과 같이 매우 유용한 다양한 제품을 제조하는 데 사용될 수 있다는 점이다. 비록 기술적으로는 3D 프린팅의 일종이지만, 캘텍 연구소에서 사용되는 나노 스케일 재료의 특수 제작 과정은 소비자용 최고의 3D 프린터에서 구현하기는 거의 불가능할 것이다. 이 과정은 매우 복잡하며, 감광성 혼합물을 만드는 것부터 시작해, 이 혼합물을 레이저로 경화시키고, 니켈 이온이 함유된 용액을 주입하며, 물질을 굽고, 부품에서 화학적으로 산소 원자를 제거하는 단계를 포함한다. 3D 프린팅은 평면의 문자나 그림을 인쇄하는 것이 아니라, 입체적인 형태를 만들어내는 과정이다. 이 기술은 3차원 공간에 실제 사물을 생성하여 의료, 생활용품, 자동차 부품 등 다양한 물건을 제작할 수 있다. 3D 프린터에는 잉크 대신 플라스틱, 나일론, 금속과 같이 입체 도형을 만드는 데 사용되는 재료가 들어 있다. 이러한 재료를 활용하는 기술의 발전으로 이제는 고무, 종이, 콘크리트, 심지어 음식까지 다양한 재료를 이용한 3D 인쇄가 연구되고 있다. 한편, 한국의 정형외과용 임플란트 기업 오스테오닉이 자체 기술로 개발한 3D 프린팅 척추 임플란트 제품인 ‘지니아 3D 프린티드 케이지(ZINNIA 3D Printed Cage)’를 최근 출시했다. 이 제품은 인체 친화적인 티타늄 파우더로 3D 프린팅되어 척추 퇴행성 질환, 디스크 손상 또는 탈출 등의 치료에 사용되는 추간체 유합 보형재다. '지니아 3D 프린티드 케이지'는 인체 뼈의 해면골 구조를 모방한 다공성 설계로, 기존의 추간 유합 보형재와 달리 뼈 형성을 조기에 촉진하는 ‘생체 모방 다공성 스캐폴드’가 특징이다.
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美 캘텍, 바이러스만큼 작고 강력한 3D 프린팅 금속 개발
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