국내 유일의 전문 집적단지 으로 오십시오!!! 위 치 : 전남 목포시 대양로 26 준공일자 : 분양면적 : 17필지 80,920m2 분양가격 : 268,316원/m2(평당 887,000원) 필지당 면적 : 1,000평 ~ 1,500평 육 해 공

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2 국내 유일의 전문 집적단지 으로 오십시오!!! 위 치 : 전남 목포시 대양로 26 준공일자 : 분양면적 : 17필지 80,920m2 분양가격 : 268,316원/m2(평당 887,000원) 필지당 면적 : 1,000평 ~ 1,500평 육 해 공의 편리한 광역 연계 교통망 구축 - 무안국제공항(20분), 목포역까지 3km(5분), 서해안고속도로 목포IC 인접, 목포신항만까지 8km(10분), 대일 대중 컨테이너 항로 구축 각급 공공기관 및 국가 일반산단 밀집지역 - 전남도청, 전남교육청, 법원 등 170개 유관기관 목포권 밀집 - 대불국가산단, 삽진산단, 산정농공단지, 대양산단(조성중) 인접 주거 교육 의료 쇼핑 등 편리한 정주여건 - 사원주택용 아파트 : 용해2지구(2,762세대), 대성지구(1,391세대) - 각급 교육기관 49개소, 의료기관 31개소, 4개의 대형쇼핑센터 대학과 연계한 양질의 산업인력 양성 배출 - 목포대학교(신소재공학과), 목포해양대학교, 한국폴리텍V대학 등 입지 구 분 수도권 이전기업 신 증설기업 지원대상 수도권에서 3년 이상 사업 영위 상시 고용인원 30인 이상 기업 투자금액 10억원 이상 상시 고용인원 10인 이상 기업 보조금 지 원 토지매입비 설비투자비 30% 이내 12% 이내 기업당 3억원 지원 12% 이내 조 세 감 면 법인세 소득세 취득세 재산세 7년간 100%, 3년간 50% 감면 면 제 5년간 100%, 3년간 50% 감면 5년간 50% 감면 면 제 5년간 면제 금융지원 중소기업 발전자금 3억원까지 융자 알선(별도 1년간 이자 5% 지원) 토지매입비의 80%까지 융자 알선 분양문의 : 목포시청 투자통상과 ( ~4)

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6 C.O.V.E.R News in brief 046 Ceramic & Advanced Material News Special_3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 052 3D Printing 기술의 개요-최근 재료 및 응용 문명운_KIST 다원물질융합연구소 책임연구원 외 2인 063 3D 프린팅 기술과 고온 에너지소자 김병국_KIST 고온에너지재료연구센터 책임연구원 외1인 072 세라믹 소재를 이용한 바이오메디컬용 3D프린팅 윤희숙_재료연구소 분말/세라믹연구본부 책임연구원 Focus 084 세라믹 분야 직무능력표준 개발 사업 국제나노상용화 포럼 정책동향 090 미래성장동력 실행계획(안) 확정 세라믹라이프 095 세라믹스 아트숍 연구개발 096 전해질이 필요 없는 단순한 구조의 전기변색소자 개발 099 초미세 두께 소재의 열전에너지 변환 효율 측정 기술 국산화 성공 세라미스트광장 엔지니어링 세라믹스 심포지움 104 제20회 유리기술인 모임 비즈니스 106 세기원, 국가인적자원개발 컨소시엄 사업 성과 110 미래지향적 가치투자처 찾는다면 1 ceramic korea

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8 Solar Technology Brief 112 태양광 해외기술정보 Technology Brief 118 세라믹스 해외기술정보 문화 131 이달의 신간소개 전시회 132 Inside 3D Printing Conference & Expo 국제 LED & OLED 엑스포 2014 과학터치 138 강한 금속 만들기 : 단결정 초내열합금 단신 동정 142 단신 및 동정_취재부 Patent Information 144 세라믹스 원적외선 특허 공개목록, 내용 세라믹스 자료실 150 신설법인 캘린더 151 이달의 국내외 주요 행사 세라믹스 자료실 152 통 계 도자기류 수출실적(2014년 4월) 시멘트 수요 공급 현황(2014년 4월) 위생도기 업체별 생산 출하 현황(2014년 4월) 위생도기 품목별 생산 출하 현황(2014년 4월) 내장타일 생산업체별 생산 출하현황(2014년 4월) 바닥타일 생산업체별 생산 출하현황(2014년 4월) 유리품목별 생산 출하현황(2014년 4월) 내화벽돌 생산 출하현황(2014년 4월)

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10 광고목록 표지1 _ CERAMIC KOREA 표지2 _ 목포시청 표지3 _ 대호CC 표지4 _ 룩스커뮤니케이션 강원테크노파크 경동세라텍 고베스틸 대청세라믹 대한히타 대화프레스 동진기연 디엔텍 맥테크 백상기계 벤호 비전뉴세라믹 삼양세라텍 삼조실업 삼화제도 세라빌인터네셔널 신명 신성열연 아세아연마제 발행인 겸 편집인 Publisher 상무이사 CFO Executive Director 편집국 Editorial Dept. 편집국장 Editor in Chief 기자 Editor 디자이너 Designer 광고사업부 AD & Event Dept. 부장 Advertising Manager 대리 Assist. Manager 사원 Staff 총무부 Managing Dept. 과장 Manager 황호연 Hwang Ho-Yun 서승종 Seo Seung-Jong 서승종 Seo Seung-Jong 양대규 Yang Dae-Gyu 오은지 Oh Eun-Ji 백진 Baek Jin 문향진 Moon Hyang-Jin 박수야 Park Soo-Ya 심미연 Shim Mi-Yeon 박자경 Park Ja-Kyung 박중규 Park Joong-Kyu 이광호 Lee Kwang-Ho 박세은 Park Se-Eun 정우석 Jung Woo-Suk 아전가열산업 열전사 인베스트세라믹 전남세라믹산업종합지원센터 진산IT 코페코 크레퓨 태영전열 퍼유산업 포세라 한국파인세라믹스협회 한국화인썸 해륭 통신원 Correspondent. 김상호 Kim Sang-Ho (대구TP 나노융합실용화센터 미래전략기획실 책임연구원) 김왕현 Kim Wang-Hyun (강원TP 세라믹신소재산업클러스터사업단 기획조정팀 책임연구원) 박윤현 Park Youn-Hyun (한국세라믹기술원 기업지원본부 창업보육센터 센터장) 방일환 Bang Il-Hwan (전남TP 세라믹산업종합지원센터 기업육성팀장) 백승우 Baik Seung-Woo (맥테크 부설기술연구소 소장) 이범재 Lee Beom-Jae (대전TP 바이오나노 융합산업본부 기획운영팀장) 출력 및 인쇄 (주)케이피알 인쇄인 김정운 발행처 (주)월간세라믹스 서울특별시 서초구 서초대로40길 42(서초동, 대호B/D 4층) (우) TEL : ~6 FAX : http : // ceramagazine@korea.com 홍경산업 AMC MDT YJC 본지는 한국 간행물 윤리위원회의 윤리강령 및 실천요강을 준수한다. 이 책에 실린 어떤내용도 무단으로 복제해서 사용할 수 없습니다. 또한 인터넷 홈페이지에 무단활용을 금합니다. 복제나 활용이 필요시 저작권자와 협의 바랍니다.

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20 한국화인썸 주식회사

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46 Ceramic & Advanced Material News 세라믹기술원, 내마모성 10배 향상된 그래핀-세라믹 복합소재 개발 한국세라믹기술원(원장 김민) 이천분원 조우 석 김종영 박사와 성균관대학교 윤대호 교 수 공동연구팀은 내마모성이 10배 이상 향상 된 그래핀-세라믹 복합소재 를 개발하였다 고 밝혔다. 이번에 개발한 그래핀-세라믹 복 합소재는 양 소재의 장점을 극대화하여 기능 성이 향상되고, 활용범위가 확대될 것으로 기 대된다. 결함밀도가 낮아 기계적 강도가 높은 그래핀 을 세라믹 소재 알루미나와 복합화함으로써 기존 소재대비 취성은 3배, 내마모성은 10배 이상 증가됨을 보였다. 지르코니아 등 기존 세라믹소재가 금속소재 에 비해 인성(외력에 의해 파괴되기 어려운 재료의 질긴 정도)이 낮아 높은 기계적 신뢰 성이 요구되는 공정에 제한적으로 사용되는 것과 비교할 수 있다. 따라서, 디스플레이, 반도체 등 고신뢰성과 장수명이 요구되는 고정밀 극한환경용 제 조공정에서 사용되는 노즐, 챔버 등 내마모용 부품과 대전방지 분야에서 매우 유용하게 활 용될 것으로 예상된다. 또한, 상압소결공정으로 제조가 가능하여 양 산성 및 경제성도 향상되어 조기 상용화가 가 능하다. 기존 플라즈마 가압소결공정에 비해 부품의 대형화가 가능하고, 제조원가가 대폭 낮아질 것으로 기대된다. 현재, 세계적으로 사용되고 있는 기존 고가 의 내마모용 세라믹 소재 지르코니아는 일본 의 스미토모, 교세라 등이 독점하고 있다. 세 계 시장은 약 4조원, 국내 시장은 약 2,500억 원 규모로 전량 수입에 의존하고 있으나, 이 번 개발로 저가의 세라믹 복합소재(그래핀- 알루미나)로 수입 대체가 가능할 것으로 기대 된다. 앞으로 반도체, 디스플레이, 자동차 등 국내 주력산업의 경쟁력 향상 및 관련 소재 부품산업의 수출 확대에 기여할것으로 예상 된다. 이번 연구개발 결과는 세계적 권위의 학술지 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 6월 5일자에 게재되었 다. 이 기술은 현재 국내특허 출원을 완료하 고, 국내 중소기업에 기술 이전을 통한 상용 화를 추진 중에 있다. 한화큐셀, 프랑스 남부지방에 태양광 모듈 공급 한화큐셀이 프랑스 태양광 시장에서 첫 성과 를 올렸다. 독일과 영국 등 기존 유럽 내 주요 태양광 시장과 더불어 신규 수요처 확보에 성 공했다는 평가다. 한화큐셀은 마티퍼솔라가 프랑스 남부지방에 준공한 11MW 태양광 발전소에 모듈을 공급했 다고 지난달 26일 밝혔다. 마티퍼솔라는 향 후 유럽 다른 국가에서 건설하려는 30MW 규 모의 태양광 발전소에도 한화큐셀의 모듈을 쓰기로 했다. 한화큐셀은 마티퍼솔라와 협력 으로 유럽 태양광 시장에서 영향력을 더욱 강 화할 수 있게 됐다. 마티퍼솔라는 큐셀코리아 에 포르투갈의 17.8MW 태양광 발전소 프로젝 트를 맡겼던 회사다. 이번 성과는 한화큐셀이 프랑스 남부지방에 사무소를 개설한 이후 나온 첫 성과다. 한화 큐셀은 지난 3월 프랑스 남동부에 위치한 엑 상 프로방스에 사무소를 개소했다. 현지 사무 소에서 유지보수 등 전국 서비스를 제공하고 태양광 장비 설치 업체들과의 장기적 파트너 십을 강화하고 있다. 프랑스는 유럽에서 떠오르는 신흥 태양광 시 장이다. 남부 지역 일조량은 3.7시간 시간으 로 유럽 내에서도 성장 가능성이 높은 지역으 로 평가 받는다. 시장 조사기관 솔라버즈는 독일, 영국, 이탈리아 다음으로 프랑스 시장 의 수요 회복세가 빠를 것으로 예상했다. 한화큐셀은 국제 인증평가기관 서티솔리스 로부터 유럽산 제품임을 증명하는 메이드인 EU(made in EU) 인증을 취득했다. 프랑스 는 유럽산 인증 태양광 모듈에 보조금을 최대 10%까지 더 받을 수 있는 제도를 운영하고 있다. 향후 프랑스 태양광 시장에서 추가 수 주를 확보할 가능성이 크다는 평가다. 김희철 한화큐셀 대표는 태양광 시장에서 고 품질 프리미엄 제품 수요 확대로 한화큐셀 태 양광 제품 판매도 늘고 있다 며 유럽 일본 등 고품질 제품 수요가 활발한 지역에서 마케팅 을 계속 강화하고 있다 고 말했다. 친환경 에너지 수소 생산 쉬워진다 재료연구소, 3차원 구조를 이용한 수소 발생 광 전극 개발 친환경 에너지원인 수소를 쉽게 생산할 수 있 는 기술이 개발됐다. 재료연구소(소장 강석 봉)는 표면기술연구본부 임재홍 박사팀과 한 양대학교 유봉영 교수팀이 폴리머 구체를 이 용해 태양광 흡수를 극대화하여 수소를 발생 시키는 3차원 산화구리 광 전극 개발에 성공 했다고 밝혔다. 이번에 개발한 기술은 태양에 너지 이용을 극대화한 것으로 저비용, 친환경 적인 방법으로 수소를 제조할 수 있다. 기존의 광 전극은 평평한 평면구조로 만들어 져 빛의 반사로 인한 광 효율 손실이 많고 물 과의 표면 접촉 면적이 적어 수소 발생이 한 46 ceramic korea

47 Ceramic & Advanced Material News 정적이었다. 이에 연구팀은 금속 기판위에 300나노미터 크기의 작은 구슬과 같은 폴리 머 구체를 쌓은 물속에서 전해증착법을 이용, 용액 내에서 산화구리를 2~3마이크로미터 의 얇은 막으로 증착해 3차원의 광 전극을 만 들어냈다. 위 기술을 적용하면 빛의 흡수율과 접촉 면적이 극대화되어 광 전극의 효율이 2 배 정도 향상시킬 수 있다. 이번에 개발된 기술은 전기화학공정 및 풍부 한 구리 자원을 이용한 것으로 비교적 간단하 고 저렴하게 고효율의 3차원 광 전극을 제조 할 수 있는 장점이 있다. 또한 산화구리뿐만 아니라 다른 물질에도 적용 가능할 만큼 안정 적이기 때문에, 연구팀은 다양한 광 전극 개 발에 더욱 박차를 가할 것으로 보인다. 임재홍 박사는 이번 기술은 태양광을 이용해 저비용으로 효율이 높은 수소 생산에 큰 역할 을 할 것 이라고 말했다. 본 연구는 각각 글로 벌프론티어사업과 신재생융합원천기술사업 을 수행중인 두 팀이 협력하여 이뤄낸 결과로 Journal of Materials Chemistry A 에 게재 됐다. 산업부, 섬유 융 복합 첨단 기술인력 양성에 앞장 산업통상자원부(장관 윤상직, 이하 산업부) 가 섬유 융 복합 첨단 기술인력을 양성한다. 산업부는 지난달 11일 서울 섬유센터에서 충 남대학교, 경북대학교, 전북대학교, 효성, 휴 비스, 산업기술평가관리원, 한국섬유개발원, 다이텍연구원, 한국산업기술진흥원, 한국섬 유산업연합회, 한국화섬협회 등 20여명 참석 해 하이브리드와 슈퍼섬유 소재 전문인력 양 성을 위한 간담회 를 개최했다. 간담회에서 관련 업계와 학계의 의견수렴을 통해 14년도 하이브리드 및 슈퍼섬유소재 전문인력 양성 사업 발전방향을 논의했다. 최근 섬유산업은 아라미드, 탄소섬유 등 산업 용 섬유의 개발 확대로 산업구조가 의류용에서 산업소재로 전환되고 있으나, 업계에서는 수요 산업에 대한 이해도가 높은 첨단 섬유소재 관 련 전문인력의 부재와 고급 기술인력 양성 프 로그램이 없다는 애로사항을 제기해왔다. 이번 간담회에서는 기업과 학계의 애로사항 의 해소차원에서 탄소섬유나 슈퍼섬유 등이 기존소재보다 가볍고 강하여 자동차, 조선, 항공기, 전자재료, 국방 등에 폭넓게 사용되 고 있는 점에 주목하고, 변화하는 산업수요에 맞게 섬유융합 기술인재 양성을 대폭 확대해 나가야 하는데 의견을 같이 했다. 또한. 섬유융합 산업발전에 적합한 기술수요 예측 분석, 업계에서 필요로 하는 전문 기술 분야 조사, 미국 독일 등 산업용섬유 선진국 과의 기술협력 등을 통해 섬유융합 기술인재 양성을 체계적으로 추진해 나가기로 의견을 모았다. 산업부 관계자는 미래 첨단산업의 핵심소재 인 하이브리드와 슈퍼섬유소재가 국내외적 으로 중요해지고 있다. 라고 강조하고 앞으 로 이를 이끌어갈 첨단기술 인재양성에 산학 연 모두가 인식을 같이하고, 유기적인 협력 체계를 구축해 고급인재양성은 물론, 이를 통 한 관련 산업의 발전을 선도해줄 것을 당부하 고 향후 정부차원의 다양한 지원책도 강구해 나갈 것 이라고 설명했다. 산업부는 작년 7월 발표한 4대 전략산업 전문인력 양성방안 의 섬유분야 후속조치로 주력산업과 연계한 섬 유분야 첨단 기술인재 양성을 추진하고 있다. 이에 따라 하이브리드 및 슈퍼섬유소재 전문 인력 양성사업을 시행하고 섬유 소재군의 특 성에 따라 하이브리드 및 슈퍼섬유소재 융합 설계, 아라미드계 제조기반, 탄소섬유계 제조 기반으로 구분하였으며, 하이브리드/슈퍼섬 유소재 석박사급 연구개발 전문인력 양성을 위한 기술별 특성화 프로그램 운영 및 타 산 업과의 수요연계를 통한 맞춤형 인재 양성을 추진하고 있다. 김창수 박사팀, 은 나노와이어를 이용한 차세대 투명전극 개발 휘어지는 것을 넘어 종이처럼 구기거나 섬유 처럼 꼬아도 정상 작동하는 전자소자용 투명 전극을 제조할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 세계적인 관심을 받고 있다. 재 료연구소 소자기능박막연구실의 김창수, 김 동호 박사와 경북대학교 조성진 교수, 부산대 학교 진성호 교수팀이 공동으로 은 나노와이 어를 이용한 투명전극 제조 기술을 개발해 웨 어러블 전자소자(Wearable electronics) 상 용화를 앞당길 것으로 전망했다. 연구팀은 성형성이 뛰어나고 빛을 받으면 굳 는 성질을 가진 광경화성 폴리우레탄 기판 내 부에 은 나노와이어를 함몰시켜 웨어러블 전 자소자용 투명전극을 제작했다. 이 기술을 적 용해 제작한 투명전극은 1,000회 이상 접거 나 꼬아도 여전히 기능이 유지될 뿐만 아니라 태양전지에 접목시킬 경우 구겨진 상태에서도 태양빛을 충전할 수 있다. 간편한 인쇄 및 전 사공정으로 제작 가능해 상용화도 용이하다. 또한 이번 기술에 사용된 폴리우레탄 기판은 형상기억특성을 지니고 있어 구기거나 꼬아 도 원래 모양으로 쉽게 회복된다. 이를 이용 하여 향후 웨어러블 전자소자와 의료, 스포 츠, 섬유 및 식품산업과 같은 다양한 분야에 도 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 김창수 박사는 이번 연구개발을 통해 손목에 차는 스마트폰, 플렉서블 디스플레이 및 태양 전지, 웨어러블 컴퓨터와 같은 차세대 전자소 July

48 Ceramic & Advanced Material News 자의 상용화가 앞당겨지길 것으로 기대한다 며 현재 은 나노와이어 투명전극의 상용화 를 위한 연구개발과 더불어 휘어짐을 뛰어넘 어 잡아당겨도 문제없는 신축성 있는 투명전 극을 개발하기 위해 추가 연구를 진행하고 있 다 고 밝혔다. 웨어러블 전자소자는 인체에 착용 가능한 전 자소자로 단순히 액세서리처럼 몸에 착용하 는 것이 아니라 사용자 신체의 가장 가까운 위치에서 사용자와 소통할 수 있는 장치로 첨 단 기술로 주목받고 있다. 웨어러블 전자소자 시장은 현재 초기 단계 에 있으나 관련 연구개발이 가속화되고 글로 벌 기업들도 신제품을 속속 출시하고 있어 빠르면 2016년에는 약 67억불(한화 약 6조 8400억원) 이상의 시장을 형성할 것으로 전 망된다. 향후 스마트폰을 대체하는 미래 고부가가치 산업으로 전자분야 업체뿐만 아니라 나이키, 아디다스와 같은 스포츠 관련 업체 등 다양한 영역에서 시장선점을 위한 기술경쟁이 치열 해지고 있다. 한편 이번 연구결과는 미래창조과학부와 한 국연구재단이 추진하는 미래융합기술 파이어 니어 사업으로 수행되었으며, 네이처 자매지 인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 에 게재됐다. 인피니언테크놀로지스, 5세대 1200V SiC 쇼트키 다이오드 출시 인피니언테크놀로지스코리아(대표 이승수) 는 5세대 1200V 실리콘카바이드(SiC) 쇼트 키(Schottky) 다이오드 신제품 thinq! 를 출 시했다고 지난달 25일 밝혔다. 전류가 급격하게 증가하는 서지 현상 이 다 이오드에 미치는 영향을 줄이기 위해 일반적 으로 바이패스 다이오드를 따로 쓴다. 이 제 품은 150 온도에서 순방향 전압이 1.7V에 불과해 바이패스 다이오드 없이도 쇼트키 다 이오드가 작동할 수 있게 했다. 초소형으로 셀(cell)을 설계, 차동 저항을 줄 여 전력을 가장 많이 부하했을 때 이전 세대 에 비해 에너지 손실을 최대 30% 절감해 열 특성이 좋다. 전력 부하량이 높은 태양광 인버터, 무정전 전원장치(UPS), 3상 SMPS(Switch Mode Power Supplies) 등에 적합하다. 한전기술과 기계연, 해양 부유식 발전플랜트 개발 바다 위에 떠서 전기를 생산하는 발전소가 국 내 기술로 개발된다. 한국전력기술(대표 박 구원)과 한국기계연구원(원장 임용택)은 지 난달 25일 해양 부유식 발전플랜트 사업화에 관해 공동협력키로 하고 양해각서(MOU)를 교환했다. 해양 부유식 발전플랜트는 발전설비를 바지 (Barge)선에 얹어 전력이 필요한 곳에 공급 하는 방식이다. 자유롭게 이동이 가능하기 때 문에 전력망 연결이 어려운 도서 지역이나 전 력수요가 급증하는 지역에 탄력적으로 운용 할 수 있다는 게 장점이다. 게다가 육상 송전설비 건설에 따른 사회적 갈 등문제를 해결할 수 있어 최근 주목받고 있 다. 협정을 통해 한전기술은 상부 발전설비 계통설계와 육상 계통연계 등의 기술개발을 담당한다. 기계연은 해양 부유구조물 설계와 발전 주요기기 등의 기술개발을 맡는다. 박구원 한전기술 사장은 이번 MOU로 육상 발전소 한계를 극복하고 해양공간을 활용함으 로써 화력과 원자력 발전의 다양한 시장을 창 출하는 시발점이 될 것 이라며 양 기관 공동 협력으로 기술 융합 시너지는 물론이고 사업 화가 성공적으로 이루어질 것 으로 기대했다. 자동차부품연구원, 전기차 하이브리드 배터리 개발 세계 최초로 전기자동차 전용 하이브리드 배 터리가 국내에서 개발된다. 자동차부품연구 원은 리튬이온(Li) 이차전지와 납축(Pb) 이차 전지를 물리적으로 조합한 하이브리드 전지 를 8월에 선보인다고 밝혔다. 개발 막바지로 국제특허 출현까지 마친 상태 의 하이브리드 배터리는 리튬이온 장점을 부 각시키면서, 가격 등의 단점을 납축전지로 상 쇄해 제품 경쟁력을 높였다. 가속과 등판 등 의 고성능 리튬이온 전지의 장점과 함께, 주 행은 납축전지에 저장된 전기에너지를 이용 하는 방법이다. 납축전지는 리튬이온 전지에 비해 부피와 무게가 두 배가량 더 나가기 때 문에 에너지 밀도가 50% 가량 낮다. 그러나 절반 이하의 가격과 장시간 사용에 따른 방전 속도 기울기가 완만해 저속이나 근거리용 전 기차에 유리할 것으로 전망된다. 이번 개발로 배터리 수급과 연구 개발 등이 힘들었던, 중 소기업의 전기차 개발에도 많은 도움이 될 것 으로 예상된다. 자동차부품연구원이 이번에 개발한 배터리는 7MWh 용양으로 리튬이온 전지 30%와 납축전 지 70%, 배터리관리시스템(BMS) 등으로 구 성했다. 물리적으로 조합한 배터리 특성은 전 48 ceramic korea

49 Ceramic & Advanced Material News 기차 성능에 따라 납축과 리튬이온 구성 비율 조절도 가능하다. 이명훈 책임연구원은 하이 브리드 전지는 저속이나 근거리 전기차에 최 적화된 배터리로 다음달 실제 차량에 적용해 시범 테스트할 예정 이라며 틈새시장이지만 중소기업의 접근이 어려웠던 소형 근거리 전기차 기술개발이 보다 쉬워질 것 으로 기대 했다. 네오엔비즈, 세계최초 다이아몬드 연마재 개발 네오엔비즈(대표 이규태)는 사파이어 웨이퍼 용 나노 다이아몬드 연마재를 세계 최초로 개 발했다고 지난달 25일 밝혔다. 나노 다이아 몬드의 특성을 활용한 독자적인 분산 기술로 틈새시장을 개척할 수 있을 것으로 기대된다. 미세 소자용 연마재에 이어 이 회사가 만들어 낸 두 번째 나노 다이아몬드 연마재다. 네오 엔비즈 관계자는 연내 양산을 목표로 해외 고객사들과 협의 중 이라며 미세 소자용 연 마재를 포함, 나노 다이아몬드 연마재 시장을 적극 개척할 것 이라고 밝혔다. 이 회사가 내놓은 사파이어 웨이퍼용 연마재 는 웨이퍼 표면을 나노 다이아몬드로 고르게 갈아내 연마제거율(MRP)을 높여 생산성을 향상시킨다. 지구상에 있는 광물 중 가장 단단 하다는 다이아몬드의 고유 특성 덕에 다른 연 마재로 갈았을 때보다 표면거칠기(Ra)가 낮 다. 발광다이오드(LED)나 사파이어 글라스 등 고부가 완성품의 성능을 개선할 수 있다. 이 회사는 독자 기술로 나노 다이아몬드의 분 산성을 개선했다. 나노 다이아몬드 입자에 일 정 정도의 전하적 성격을 부여, 전기적 성질 이 같은 물질끼리 서로에게서 떨어지려 하는 성질(척력)을 이용했다. 물 알코올 오일 등 여러 용매에 적용, 다양한 재질의 물체를 연 마할 수 있다. 구현할 수 있는 최소 입자 크기 는 20나노(nm)다. 지난해 이 회사는 미세 소자용 나노다이아몬 드 연마재 NEOMOND-PM 을 출시했다. 미 세 소자는 마이크로(μm) 크기의 부품으로 반 도체 칩과 기기를 연결하는 커넥터가 대표적 인 예다. 소자의 표면이 거칠면 도금해도 전 기 전도성 효율이 낮다. 표면에 이물질이 낄 가능성도 있어 그 소자가 탑재되는 전자기기 의 성능이 떨어지고 제품 안정성이 저하된다. 그간 미세 소자 전문 업체들은 자체 기술로 이 를 극복해왔으나 소요되는 비용과 시간이 많 았다. 작은 크기 때문에 다루기 까다로워 아 예 연마를 하지 않는 때도 다수였다. 이 회사 관계자는 비용 시간을 쉽게 줄일 수 있어 연마를 피하던 업체는 물론이고 독자적으로 연마하던 업체들에서도 좋은 반응을 얻고 있 다 고 덧붙였다. 주성엔지니어링, 식각장비 미국 올버니 나노텍에 납품 주성엔지니어링(대표 황철주)은 차세대 반도 체 공정 장비를 미국 올버니 나노텍 캠퍼스에 공급한다고 지난달 23일 밝혔다. 올버니 나노텍 캠퍼스는 앤드류 M 쿠오모 뉴 욕주 주지사가 차세대 반도체 산업을 위해 집 중 육성하는 곳이다. 주성엔지니어링은 신소 재 금속층을 제거하는 식각 장비를 공급한다. 또 공간과 시간 분할을 동시에 할 수 있는 반 도체 증착 장비도 납품한다. 이 제품은 기존 화학증착(CVD)과 원자층증착(ALD)뿐 아니 라 질화(Nitridation), 산화(Oxidation), 도핑 (Doping)과 금속(Metal) 전극 증착 기능 등 다양한 공정에 적용할 수 있다. 주성엔지니 어링은 뉴욕주립대 나노스케일 과학 공학대 (CNSE)와 차세대 반도체 공정용 식각 및 봉 지 장비를 공동 개발하기로 합의했다. 황철주 사장은 우리가 공급한 장비는 새로운 금속물질을 식각하는 공정에 적합한 솔루션 이라며 미국 유명 대학과 협력해 차세대 반 도체 장비 시장을 선점할 수 있는 기반을 마 련할 것 이라고 말했다. 서울시, 미니태양광 보급사업 신청 7월말까지 연장 서울시가 베란다 등 일반 가정집에 설치하는 미니태양광 보급사업 신청기간을 늘린다. 서 울시는 미니태양광 보급사업 신청기간을 지 난달 20일에서 7월말까지 연장한다고 지난 달 24일 밝혔다. 미니태양광은 전격용량 200~260W의 태양 광 모듈과 인버터 등 설비를 말한다. 공동주 택 베란다 등에 설치할 수 있어 기존 가정용 태양광의 가장 큰 문제인 공간문제를 해결할 수 있다. 설치 가격은 65만~68만원 수준이 며 설치를 원하는 시민은 각 자치구 환경과에 신청하면 30만원의 보조금을 지급받는다. 한 달 최대 3000원 정도 전기요금을 절약할 것 으로 예상된다. 서울시는 총 8000가구에 대 July

50 Ceramic & Advanced Material News 해 보조금을 지원한다. 신청은 서울지역 공동 주택 거주자라면 누구나 가능하다. 특히 공동 주택은 1개 단지에서 30가구 이상 단체로 제 출하거나 에너지 자립마을로 지정돼있으면 우선 선정 대상이 된다. 일반 개인 신청자도 전체 8000개 중 5% 이내, 에코마일리지 가 입자 등을 우선으로 선정한다. 서울시는 한솔테크닉스(260W), 신성솔라 에너지(250W), 제이에스피브이(255W), 마 이크로발전소(200W 210W), 이앤에이치 (255W)가 생산하는 6개 제품을 대표 모델로 선정한 상태다. 현재 신청자를 대상으로 다음 달 초부터 설치에 들어간다. 서울시는 아파트 등에 미니태양광을 설치하면 홍보 효과가 발 생, 수요가 늘어날 것으로 기대하고 있다. 권민 서울시 녹색에너지과장은 미니태양광 사업은 초기 투자비 부담을 크게 줄일 수 있고 아파트 등에도 설치할 수 있어 앞으로 보급이 빠르게 늘어날 것으로 예상된다 며 아직 설 치 현장이 없어 신청에 나서지 못하는 가구가 많지만 실제 설치된 모습을 보거나 전력 생산 으로 인한 이익을 경험한 시민이 많아지면 수 요가 빠르게 늘어날 것 으로 예상했다. 비손테크, 산업용 마이크로웨이브 건조기 시장 진출 대용량 마이크로웨이브 장치 전문업체인 비 손테크(대표 정연실)가 산업용 마이크로웨이 브 건조기 시장에 본격 진출한다. 비손테크는 지난달 식품제조업체 P사를 비롯 해 산업용 소재업체인 S사, 특수농산물 제조 사인 K사와 대용량 산업용 마이크로웨이브 건조장치 공급계약을 잇달아 체결, 6월부터 9월까지 순차적으로 공급한다고 지난달 23 일 밝혔다. P사에는 하루 20만톤의 식품을 건조할 수 있 는 400kW급 마이크로웨이브 건조장치를 공 급하기로 했다. K사에는 50kW급 장비를 오는 9월까지 공급한다. 하루 6톤을 처리할 수 있 는 규모다. S사에는 가축사료와 건축자재 건 조처리용 마이크로웨이브 건조장치를 공급할 예정이다. 비손테크가 개발한 산업용 마이크로웨이브 건조장치는 기존 열풍 건조방식 장비에 비해 건조시간을 대폭 줄일 수 있는 것이 특징이 다. 기존 열풍 건조방식은 40시간정도 걸리 던 건조시간이 마이크로웨이브 컨베어 연속 방식으로 건조하면 몇시간이면 된다. 에너지 효율도 높아 생산량 증대 효과도 뛰어 나다. 마이크로파 가열은 피가공물 분자 가운 데 쌍극자나 이온 등을 진동시켜 내부에서 발 열시키는 방식이라 외부 가열과 비교해 급속 가열이 가능한 덕분이다. 마이크로파의 고주 파 전계가 살균작용까지 해주기 때문에 가열 과 동시에 살균과 곰팡이 방지 효과도 볼 수 있다. 특히 식품 포장 과정에서 발생할 수 있 는 오염요소도 포장 후 마이크로파를 조사하 는 것으로 97% 이상의 살균 효과를 제공한 다. 구운 과자나 포장한 떡 등 식품 살균 및 곰 팡이 처리 과정으로 활용, 안정성을 높일 수 있게 해준다. 정연실 비손테크 사장은 앞으로 마이크로웨 이브 기술을 이용해 음식물 슬러지와 바이오 매스 에너지 등 다양한 산업 분야에 진출할 계획 이라며 스리랑카 현지 업체와 구체적인 사업 협의를 진행하고 있다 고 말했다 탑전지, 대만에 전기스쿠터 배터리팩 공급 탑전지(대표 노환진)는 대만 정부가 정한 전 기스쿠터 전기자전거 충전인프라 구축사업 자 시티파워와 신서플러스에 배터리팩을 공 급할 예정이라고 밝혔다. 자사의 512W급 리 튬이온 이차전지 팩이 최근 두 회사의 제품 테스트를 통과돼 최종 협상만을 앞두고 있다. 대만 정부는 올해 300개 충전소를 시작으로 매년 300개씩 앞으로 10년간 국가 전역에 3000개 충전소를 세울 계획이다. 충전소당 90개 팩이 적재돼 올해만 약 2만7000개 팩 이 투입된다. 특히 이 충전소는 대규모 에너 지저장장치(ESS) 인프라도로 활용된다. 충전 소에 저장된 약 50kW의 전기를 국가전력망으 로 보내 전력피크나 비상전원으로 활용한다. 약 20가구가 하루 동안 사용할 수 있는 전기 를 충전소가 보급하는 셈이다. 무인으로 운영되는 충전소는 전기스쿠터 전 기자전거 이용자가 직접 배터리를 교환하는 방식이다. 사용한 배터리팩을 충전소 내 충전 박스에 삽입한 후 충전이 완료된 다른 배터리 팩을 자신 스쿠터에 장착하도록 설계됐다. 대 만 전기스쿠터는 출력용량에 따라 512W급 배터리팩 2개, 4개, 6개씩 장착하도록 규격 화됐다. 6개를 장착한 전기스쿠터 주행거리 는 110km로 배터리팩 한 개당 교환비용은 약 800원이다. 탑전지 배터리는 고온에서도 안정적인 충 방전 성능을 지원하는 리튬 코발트 마그네 슘(NCM) 리튬이온전지로 삼성SDI, LG화학, 50 ceramic korea

51 Ceramic & Advanced Material News SK이노베이션, 코캄 등과 함께 배터리 셀 개 발 생산력을 갖춘 국내 몇 안 되는 업체다. 이기수 탑전지 상무는 대만의 스쿠터 등록대 수가 1300만대 이상으로 스쿠터 한대가 배 출하는 탄소가스는 자동차 3배에 달할 만큼 환경오염이 심각하다 며 대만 정부의 주도 로 10년간 배터리 교환소를 3000~4000개 설치할 계획이서 배터리 공급물량은 점차 늘 것 이라고 말했다. 나노리소스, 순수 나노 다이아몬드 제조 공정 개발 나노 다이아몬드 전문업체 나노리소스(대표 권명택)는 자체 강화 화학 기계공정 기술로 불순물 투입 없이 순수 나노 다이아몬드 입자 를 분리했다고 지난달 22일 밝혔다. 공정 비 용 절감은 물론이고 적용할 수 있는 애플리케 이션도 늘어나는 계기가 될 것으로 보인다. 기존 나노 다이아몬드보다 순도가 높아 성능 이 좋고 금속코팅제 방열소재 등 다양한 분 야에 활용 가능하다. 나노 다이아몬드는 통상 고성능 폭탄을 터트 려 만든 원재료(Soot)에 금속 금속수산화물 등을 반응시켜 추출한다. 이 과정에서 금속 이온을 포함한 불순물이 나노 다이아몬드와 함께 빠져나와 이를 제거하기 위한 추가 공정 이 필요했다. 순도가 낮은 탓에 다른 소재와 반응도가 떨어져 만들 수 있는 응용 제품에 한계가 있거나 만들어도 품질이 좋지 않았다. 나노리소스는 원료에 화합물을 넣지 않고 순 도 99%의 나노 다이아몬드를 생산할 수 있는 공정을 자체 개발했다. 이 회사의 공정으로 생성된 나노 다이아몬드는 순도가 높기 때문 에 잘 퍼지고(고분산성) 여러 소재와의 반응 성 결합력이 뛰어나다. 나노 다이아몬드 분 말 용액은 물론이고 유도체(유사화합물)도 만들 수 있어 바이오 제약 등 다양한 산업과 접목시키는데 용이하다. 나노 다이아몬드 용 액 기준 평균 입자 크기는 20nm로 최소 5nm까 지 구현 가능하다. 나노 다이아몬드는 열 전도성이 높고 경도(표 면의 굳기)가 10으로 지구상에 있는 광물 중 가장 단단하다. 탄소나노튜브(CNT) 그래핀 (Graphene)보다 전기전도성이 낮다. 에너지 를 주입했을 때 자체적으로 빛을 내고 인체에 무해하다는 특성을 가져 차세대 소재로 주목 받는다. 전기차 시장 키우겠다 테슬라, 보유특허 무료 공개 테슬라가 보유한 특허를 모두 무료로 공개한 다. 완성차 업체가 보유 특허를 무료로 공개 하는 것은 사상 처음이다. 지난달 12일(현지시각) 로스앤젤레스타임스 에 따르면 머스크 CEO는 기술적으로 앞서 나가는 것은 특허 보유와 상관없으며 가장 뛰 어난 기술자를 끌어오고 그들에게 동기를 부 여하는 데 달렸다 면서 특허 공개를 선언했다. 그는 공개할 특허는 테슬라 전기차의 전기 구 동장치와 동력 전달 장치 등 핵심 기술과 관 련된 것이라면서 특허 공개는 전기차 산업 발 전을 촉진할 획기적인 진전이라고 밝혔다. 다 른 전기차 업체가 테슬라의 특허 기술을 마음 대로 가져다 사용해도 절대 소송을 걸지 않겠 으며 심지어 짝퉁 테슬라를 만들어도 상관 없다고 머스크는 덧붙였다. 테슬라는 또 미국 전역에 건설 중인 초고속 충전 기술과 충전소 네트워크 구축 기술도 공 개한다. 테슬라는 이미 충전소 네트워크를 BMW와 공유하는 방안을 논의 중이다. 테슬 라의 특허 공개라는 기발한 카드는 전기차가 미국 자동차 시장에서 고작 1%도 안 되는 소 규모이기 때문에 가능했다는 분석이다. 머스크는 우리 경쟁자는 소규모 전기차 제조 업체가 아니라 매일 수많은 자동차를 쏟아내 는 내연기관 자동차 업체 라고 말했다. 이번 결정은 전기차 생산을 촉진해 소비자들이 점 점 내연기관 자동차에서 벗어날 기회를 만들 어 줄 것이라고 그는 전망했다. 에너지관리공단, 주택용 태양광 대여사업 5개 컨소시엄 선정 에너지관리공단은 태양광 보급 활성화를 위 해 올해 시행하는 태양광 대여사업의 사업자 로 에스이아이비, LG전자, 한빛이디에스, 솔 라이앤에스, 한화큐셀코리아 5개 컨소시엄을 선정했다고 지난달 23일 밝혔다. 대여 사업자는 AS 우수성과 고객만족도, 사 업운영능력, 경영상태 등에 대한 전문가 평가 를 거쳐 선정했다. 소비자에게 대여기간(15 년-기본 7년, 연장 8년) 동안 안정적 유지보 수 서비스를 제공하기 위해 대여사업자, 제조 기업, 전문시공기업 간 컨소시엄 형태로 운영 된다. July

52 Special 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 3D Printing 기술의 개요 - 최근 재료 및 응용 - 조 원 진_ 한국과학기술연구원 다원물질융합연구소 Post-Doc 이 헌 주_ 한국과학기술연구원 다원물질융합연구소 선임연구원 문 명 운_ 한국과학기술연구원 다원물질융합연구소 책임연구원 1. 서 론 등 인터넷을 기반한 3D Printing 관련 시장의 급속 케익 제작부터 달표면에 집짓는 프로젝트까지 최근, 한 확대가 이루어지고 있다. 3D 프린터의 활용 가능성에 많은 국민들이 큰 관심 을 보이고 있다. 3D 프린터는 이제 막 개발이 시작 D Printing 산업의 국내외 현황 된 새로운 기술이 아니다. 1984년 최초로 개발된 이 3D 프린터와 관련된 시장은 매년 높은 성장률과 래 2000년대 초반까지 제품 모형이나 시제품을 제 함께 향후 제조업과 각종 산업 분야에서 혁신 동 작하는 범위에서 계속적으로 사용되어 왔다 (그림 력이 될 것으로 예측되고 있다. 세계 각국에서는 1). 최근 들어, 미국을 비롯한 국가들에서 제조업의 표 1에 제시한 것과 같이 3D Printing을 통한 혁신 글로벌 메가트렌드를 이끌 생산기술로 3D Printing 을 꾀하기 위해 국가 차원의 대대적인 지원 및 육 을 발표하면서 3D Printing의 맞춤형 다품종 소량 성이 이루어지고 있다. 미국의 경우 버락 오바마 대 생산의 특징이 크게 주목 받게 되었다. 단순한 제 통령이 2013년 공식석상에서 미국의 제조업 부흥 조 공정을 뛰어 넘어 스포츠, 문화, 생명, 나노과학 과 선도 및 새로운 일자리 창출을 위한 방안으로 등과의 융합 기술이 이루어져, 보석류, 완구류, 패션 3D Printing을 언급하면서 국가 주도적 산학연 중 및 엔터테인먼트 산업과 기술적 난이도가 높은 자 심의 로드맵을 작성하였다. NASA와 국립과학재 동차, 항공/우주, 방위산업 및 의료기 등 다양한 산 단, 국방부, 에너지상무부의 재정지원으로 국립 적 업 분야에서 제품 개발에 활용되고 있다 (그림 2). 층 가공(Additive Manufacturing, AM) 혁신연구 또한, 전 세계적으로 3D 프린터 시장을 양분하고 소(National Additive Manufacturing Innovation 있는 Stratasys사의 원천기술 특허가 2007년 만료 Institute, NAMII)를 개설하여 3D Printing 개발 및 되었고, 3D Systems사의 특허도 2014년 2월 만료 실용화에 집중 투자를 하고 있다 [2]. 한 분야에 치우 되면서 영국의 RepRap과 같은 오픈소스 프로젝트 치기 보다는 기술 개발을 세분화하여 디자인, 공정 가 시작되었으며 프린터 제작을 위한 중요한 기술적 모델링과 제어, 재료와 설비, 응용, 교육, 연구개발과 자료들이 인터넷에 공유되면서 폭발적으로 이 분야 센터 설립에 이르기까지 전분야에 걸쳐 체계적인 시 가 활성화되고 있다. 특히 Shapeway이나 Thingi- 스템을 갖추는 범위에서 진행하고 있다. 유럽연합은 verse 등 3D 소프트웨어 및 디자인 데이터의 거래 첨단기술 육성을 통해 현재 제조업이 총 GDP에서 52 ceramic korea

53 그림 1. 3D Printing 역사 및 발전 현황 [1] 그림 2. 3D Printing 기술 적용분야 (출처: Frost & Sullivan analysis, 2013) 차지하는 비중을 2020년까지 16%에서 20%까지 표하고 2018년 완성 시기를 목표로 소재 개발에 5 늘리는 프로젝트에 3D Printing을 중점과제로 내세 년간 총 30억엔(약 330억 원) 투자를 결정하였다. 우고 있다. 일본에서는 국가 산업 경쟁력 향상을 위 중국에서는 전자산업 연구를 포함해 항공, 고정밀 해 2013년 경제 산업성 3D 프린터 개발 계획을 발 부품 제조 연구개발 분야에 총 4,000만 위안(약 72 July

54 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 억 원)의 대대적인 투자를 하고 있다 [3]. 이러한 흐 라인 서비스에 대해 살펴보고 기대효과 등에 대 름과 경쟁 가치를 반영하듯 정보 기술에 대한 연구 해 다루고자 한다. 와 자문을 전문적으로 하는 가트너(Gartner, Inc)는 2014년 올해의 10대 전략기술 에 3D Printing을 선 정하였으며 특히 미래 혁신적 파괴 기술(disruptive 2. 3D Printing 개요 technology)로 구분하였다(그림 3). 3D Printing은 한 층씩 재료를 쌓아 올려 3차원 [4] 한국에서도 국내 3D 프린터의 활용 수요는 해가 입체를 만들어 내는 적층가공 기술의 일종으로 거듭될수록 고성장을 이루고 있다. 3D Printing의 서, 스캐닝이나 모델링을 통한 3차원 이미지 데이 순회 국제행사인 Inside 3D Printing Conference 터 정보를 기반으로 매우 복잡한 형상을 빠르고 용 & Expo 의 국내 1회차 행사 (2014년. 6월)에 약 9 이하게 구현할 수 있다. 3D Printing 과정은 크게 천명, 25개국 이상의 글로벌 및 국내 500대 기업이 참여했다는 보고는 한국에서도 3D 프린터의 활용 수요와 관심이 점차 증가하고 있음을 보여주는 일례 이다. 최근 들어, 박근혜 대통령의 3D printing 기 술의 언급과 더불어 국내에서도 3D Printing에 대 한 관심이 높아지는 가운데 2013년 산업통상자원 부는 산학연과 함께 3D Printing 산업 발전 전략 포럼 발대식을 개최하여 육성 방안을 고려 중이다. 또한, 2014년 1월 국가중점과학기술로써 3D Printing을 선정하는 등 (그림 4) 세계적 흐름 속에서 경 쟁력을 갖기 위한 시도를 점차 넓혀가고 있는 추세 이다. 하지만 주요 국가들이 3D 프린터 제조 및 관 그림 3. 가트너, 2014년 10대 전략기술 트랜드 련 기술에 대대적인 지원을 가하는 반면 국내 연구 나 투자는 미미한 수준이어서 제품 개발은 미약한 수준이다. 그로 인해, 3D Printing 관련 기술을 보 유한 업체는 양산체계를 구축한 캐리마와 로킷, 인 스텍을 비롯한 일부 중소/벤처기업과 조립형 판매 방식에 의존하고 있다. 본 논문에서는 전 국내외 로 급속한 확대가 이루어지고 있는 3D Printing 산업의 전반적인 동향과 소재, 응용 및 온 표 1. 3D Printing 산업에 대한 주요 국가들의 관련 보도 및 움직임 그림 4. 국가중점 과학기술전략로드맵 (2014/1/21) 54 ceramic korea

55 그림 5. KIST 다원물질융합연구소 연구진이 FDM 3D 프린터로 만든 beetle의 제작 과정 그림 6. 3D Printing 산업에 있어서 응용-기술-소재의 관계도 (출처: Frost & Sullivan analysis, 2013) 표 2. 3D 프린터의 조형방식에 따른 분류 분류 재료 기술명 고체 기반 압출 적층 열가소성 플라스틱, 나일론, 나무 FDM: Fused Deposition Modeling 와이어 또는 필라멘트 타입의 열가소성 소재를 열을 통해 녹인 후 노즐을 통해 압출되는 재료를 적층하여 제작함 SLS: Selective Laser Sintering 분말형태의 재료를 가열한 후 결합하여 조형함. 재료형태에 따라 접착제를 사용하거나 레이저를 사용함 파우더 기반 광경화성 액체 기반 라미네이트 열가소성 플라스틱류 파우더, 금속류 파우더, 세라믹 파우더 광경화성수지 (액체 형태의 포토폴리머) 종이류, 금속류 호일, 플라스틱 필름류 조형방식 3DP: Powder Bed and Inkjet Head Printing 석고타입의 분말 파우더가 도포된 층 위에 접착제(바인더)가 잉크젯 헤드를 통해 분사되어 형상을 제작함 EBM: Electron Beam Melting 고진공 상태에서 전자 빔을 이용해 금속 파우더를 용해하는 방식으로 적층함 SLA: Stereolithography 광경화성 수지가 담긴 수조 안에 레이저 빔을 투사하여 조형하고, 수조 안에 있는 조형물이 한 층씩 만들어질 때마다 층 두께만큼 수조가 하강함 DLP: Digital Light Processing 광경화성 수지에 조형하고자 하는 모양의 빛을 순간적으로 투사하면서 수지를 층층이 경화시키면서 제작함 Polyjet: Photopolymer Jetting 광경화방식과 잉크젯 방식의 혼합형으로, 프린터 헤드에 있는 수백개의 미세 노즐에서 재료를 분사함과 동시에 자외선으로 경화시켜 조형함 LOM: Laminated Object Manufacturing 칼이나 레이저로 종이, 플라스틱, 금속 라미네이트를 절단하고 각각의 층 들을 접착제로 접합하여 조형함 자료: 참고문헌 [2]의 자료를 기반으로 편집 July

56 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 Modeling-Printing-Finishing 단계로 구분된다. Modeling 과정에서는 CAD와 같은 컴퓨터 그래 [1] 픽 설계 소프트웨어를 통해 3차원으로 형상을 디 자인하고 3D 프린터에서 사용되는 STL 파일 포맷 으로 변환되어 저장된다. 다음의 Printing 과정에서 는 STL 파일을 각각의 3D 프린터에 포함된 전용 프 로그램에서 불러들이고 프린터 해상도에 따라 가 로 방향으로 레이어를 분할한다. 3D 프린터는 이 정 보를 입력 받아 단일 층(layer)을 적층하여 입체적 인 형상을 완성시킨다. 마지막으로 Finishing 과정 에서는 사용된 재료와 프린터 타입에 따라 경화 및 부산물 제거 등의 후처리 작업을 거치게 되어 최종 적으로 원하는 3D 출력물이 제작된다 (그림 5). 3D Printing을 통한 제조방식은 기존 공정에 비해 조립 비용을 크게 낮출 수 있으며, 제작에 소요되는 에너 지가 약 50% 이상, 소재는 약 90% 이상 절감할 수 있다고 알려져 있다 [5]. 그림 7. 다양한 열가소성 필라멘트와 FDM 프린터로 제작된 형상들 (출처: 대한 보급이 활발해지고 있다. 이러한 흐름의 중심 3D Printing 기술 방식에는 다양한 종류가 있으며 에는 저가형 3D 프린터의 대표 방식인 FDM의 확산 사용되는 재료에 있어서도 여러 가지로 분류된다 보급이 크게 기여했기 때문에 주 소재인 열가소성 (그림 6). 아래의 도표 2는 3D Printing의 주요 기술 플라스틱 필라멘트에 대한 개발이 가장 보편적으로 방식과 그에 따라 사용 가능한 재료를 보여준다. 대 이루어지고 있다 (그림 7). 각 소재의 특성에 따라 표적으로, 플라스틱 소재를 기반으로 하는 압출 적 출력물에 사용되기도 하고 출력물을 서포트하는 지 층방식과 파우더 기반 방식, 광경화성 액체 기반 방 지대로 사용된 후 특정 용액에 의해 제거되는 데에 식 등으로 분류되며 각각의 방식도 세세한 공정의 이용되기도 하며, 다양한 색상으로 염색이 가능하 차이로 다양하게 구분이 된다. 한 번에 적층되는 층 여 폭넓은 색상 구현이 가능한 이점들 때문에 건축, 의 두께와 선폭도 3D 프린터에 따라 약 16~100 μm 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 광 (0.016~0.10 mm) 정도로 다양하다 [6-11]. 범위한 분야에서 사용되고 있다. 1) ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 3. 3D Printing 소재 및 응용 ABS는 강도가 높고 융해온도가 도로 열에 강한 특성을 가지고 있다. 또한 가격이 저렴하고 압 3.1. 플라스틱 계열 소재 출 시 낮은 힘을 필요로 하여 작은 부품을 만들기 3D 프린터의 급성장과 더불어 소재산업 또한 커지 에 적합하기 때문에 대표적인 필라멘트 소재로 사 고 있으며 제품의 조형방식에 따라 사용되는 재료 용되고 있다. 하지만, 가열 시 강한 냄새가 발생하여 가 다르기 때문에 다양한 소재개발에 집중적인 투 반드시 환기가 필요하고 열수축 현상으로 인해 형 자가 이루어지고 있다. 그 중에서도 데스크탑 형태 상에 따른 변형이 동반되는 경우가 있어 초반 사용 의 저가 3D 프린터의 개발 확산과 오픈 소스 프로 에 비해 요즘에는 PLA 소재에 대한 관심이 더 대두 젝트 시스템이 가능해지면서 개인용 3D 프린터에 되는 추세이다. 56 ceramic korea

57 2) PLA (Polylactic acid) 제작에 용이하다. PLA와 비슷한 유지력을 가지고 FDM 방식에서 가장 보편적으로 사용되는 소재로 있다. 서 옥수수와 같은 작물에서 추출할 수 있는 생물 7) HIPS (High Impact Polystyrene) 분해성 고분자이다. ABS에 비해 가격이 다소 비싸 리모넨(Limonene)이라는 용매에 녹는 특징으로 인 지만 생체친화적 소재라는 강점과 열수축 현상이 해 주로 출력물의 지지대로 사용된 후 제거된다. 상대적으로 약하다는 점에서 이용이 점차 확대되고 8) HDPE (High Density Polyethylene) 있다. 융해온도는 도이며 유연성을 조절할 110도의 낮은 녹는점과 우수한 내구성을 보유한 저 수 있다. 렴한 필라멘트 소재로 알려져 있다. 쉽게 잘 뭉치는 3) PC (Polycarbonate) 성질과 변형으로 인해 사용이 까다롭다. 충격방지에 강한 특성 때문에 우주항공, 전기부품, 자동차 등 높은 강도의 제품 생산에 사용되고 있다 액상기반의 열경화성 수지 소재 생체친화적이며 내구성이 좋고 융해온도는 150도 SLA나 DLP 방식의 3D 프린터는 포토폴리머 액상 정도이다. 소재를 기반으로 레이저 조사에 의한 광경화를 특 4) Nylon 징으로 형상을 출력한다. 포토폴리머(Photopoly- 고정된 형상 제작에 한정적이었던 다른 소재에 비 mer)는 보통 모노머에 증감제나 중합개시제를 가 해 신축성이 있어 변형이 가능한 제품을 출력할 수 한 것으로 빛의 조사에 의해 모노에서 폴리머로 변 있다는 장점이 있다. 우수한 면 접착성과 염료 흡수 화하는 고분자 화합물이다. 액상소재를 사용하기 성을 보유하고 있고 높은 내구성과 강도를 가진다. 때문에 파우더나 분말 소재를 사용하는 프린터에 5) PA (Polyamide) 비해 출력물의 표면이 부드럽고 매끄러운 편이다. 하 PA의 출력물은 내마모성이 좋으며 충격강도가 상당 지만, 제작시 형상을 위로 매달고 올라가는 오버행 히 강하고 유연하다. 출력물의 표면은 모래와 같고, 구조일 때 파트가 무너지거나 떨어지는 현상을 방 과립 형태를 띠며, 약간 구멍이 많다. 지하기 위하여 지지대가 생성되는데, 정밀하거나 복 6) Laywood 잡한 형상일 경우 지지대를 제거하기가 용이하지 목재로 구성되어 있으며 40% 정도의 재활용 목재 않다. 또한, 레이저가 액상수지에 접촉할 때 액체상 를 사용하고 있어 나무 느낌을 구현하기 위한 형상 태에서 고체상태로 변화되는 과정에서 수평방향과 수직방향으로 경화 수축이 발생하기도 한다. 1) UV 레진 광 합성수지, 광 중합체 등으로 불리며 액체에서 경화되기 때문에 표면이 고르고 매끄럽다. 가격은 FDM 방식의 플라스틱 소재보다 현저히 고가이며 출력 후 표면에 남아있는 미끄러운 레진을 제거하 기 위해 후처리 공정이 요구된다. 그림 8은 광경화 성 수지를 사용하여 제작된 형상들을 보여준다 금속 분말 소재 금속 재료는 활용 범위가 매우 넓어 시장 규모가 큰 그림 8. 광경화성 수지를 사용하여 만든 형상들 편이지만 현재 상용되고 있는 3D 프린터의 경우 장 July

58 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 비 및 소재 가격이 고가일뿐더러 가공방법, 소결온 도 및 공정과정이 섬세하여 다른 열가소성 필라멘 표 3. 대표적 금속 분말 소재 및 특성 Type 트 소재에 비해 실질적인 사용은 특정 분야에 국한 되어있다. 금속 파우더를 레이저로 가공, 소결하여 Applications Drawbacks Titanium Alloy Light weight Biocompatible Bioadhesion Biomedical implants Aerospace Motor sport Expensive Stainless Steel Corrosion resistance Sterilisability High toughness High ductility Functional prototypes Engineering Medical Expensive 적층하는 SLS 방식이 대표적으로 주로 자동차, 산 업용 공구, 항공/우주, 에너지 및 금형 분야에까지 Properties (Positive points) 사용될 수 있다 (그림 9). 티타늄으로 항공용 부품 인 Bracket 제조 시 기존의 machining 가공법으로 는 buy-to-fly 비율이 33:1로 큰 원가상승을 가져 오지만, 3D Printing을 적용하면 1:1로 줄일 수 있 어 원가비를 크게 낮출 수 있다고 보고되었다 [3]. 한 Nickel Alloy High temperature resistance Functional prototypes High ferromagnetism High temp. turbine parts Expensive Cobalt/ Chrome High specific strength Biocompatible High corrosion resistance Gas turbine Medical Dental (implant) Expensive Aluminum Alloy Light weight High thermal conductivity Functional prototypes Automotive Expensive Easy to finish Fast build rate Injection mold tooling Test prototype Expensive 층씩 금속 분말을 갈아가며 레이저로 가공하면 파 우더 베드가 낮아지고 다음 층에 열을 가해 조형을 하는 프로세스가 반복된다. 높은 열의 레이저로 금 속 분말을 선택적으로 녹이기 때문에 접한 면에서 Bronze 분말들 사이에 접합이 이루어지거나 일부가 증착하 여 서로 연결되어 결합하게 된다. 대표적인 업체로 는 독일의 EOS와 스웨덴의 Arcam이 있으며 EOS 의 경우 세계 시장의 46%를 차지하고 있다. 주로 사 용되는 금속 분말 소재로는 티타늄, 알루미늄, 코발 트-크롬 합금 등의 고부가가치 소재가 연구 및 활용 되고 있다. 타입에 따라 우수한 기계적 성질과 부식 에 대한 내성, 낮은 비중량, 생체 적합성 및 가벼움 등을 특징으로 하며 표 3애서 보여지는 것처럼 자 동차 및 항공분야, 임플란트를 비롯한 다양한 분야 에서 사용빈도가 점진적으로 높아지고 있다. 그림 9. 금속 분말을 이용하여 만든 형상들 (출처: EOS) 3.4. 세라믹 소재 세라믹으로 만들어진 출력물들은 알루미나 실리카 세라믹 파우더를 사용하며 3DP방식과 유사하게 제 작된다. 롤러를 이용해 얇은 층의 세라믹 파우더를 도포한 뒤 프린트 헤드가 유기 결합체를 분출하며 형상을 따라가게 된다 [12]. 이와 같은 반복적인 공정 에 의해 완성된 형상은 3D 프린터에서 제거된 후 강 도를 높이기 위해 건조 오븐에서 구워진다. 세라믹 은 600도까지 열을 견딜 수 있으며 첫 번째 굽기 이 후 선 유약 코팅을 바른다. 이후 몇 번의 반복적인 유약 코팅과 건조 과정을 거친 후 최종적으로 빛나 58 ceramic korea 그림 10. 세라믹 소재를 이용하여 만든 형상들 (출처: i.materialise)

59 고 매끄러운 표면을 가진 형상물을 얻게 된다. 아직 4.2. 의료 업계 까지 고온의 건조 과정이 요구되고 물리적 손상이 3차원 스캔 이미지를 기반으로 맞춤형 제작이 가능 약하다는 취약점으로 인해 세라믹 소재에 대한 개 하다는 3D Printing 기술의 핵심이 가장 크게 적용 발과 응용이 낮은 편이지만 식기류 및 미술품 등의 될 수 있는 부분은 의학분야이다. 그로 인해, 인공 용도로 사용되고 있다 (그림 10). 혈관, 인공 장기, 보청기, 임플란트, 인공 뼈, 의학 보 조기 등의 다양한 분야에서 활발하게 연구가 진행 중이며 가장 큰 시장 중의 하나로 개발 및 투자가 4. 응용 분야 이루어지고 있다. 로봇팔: 미국 델라웨어 병원은 희귀성 근골격계 4.1. 자동차 분야 질환인 관절만곡증을 안고 출생한 환자를 위해 자동차의 대시보드, 바디패널 및 부품의 시제품에 3D 프린터를 이용해 의료용 로봇 팔을 제작하였 3D 프린터를 사용하고 있는 추세이다 [12]. 다. 어깨와 팔 등의 신체 크기에 맞게 제작된 로 고급 스포츠카 람보르기니는 Aventador 시제 봇 팔은 팔의 움직임을 도와줌과 동시에 성장 속 품 제작에 3D 프린터를 사용해 기존에 4달 동 도에 따라 제작 및 교체가 가능해졌다 (그림 12). 안 기존 40,000달러의 소요 비용에서 20일 동 인공 귀: 미국 코넬 의대에서 살아있는 세포로 안 3,000달러 수준으로 제조단가를 줄일 수 있 만들어진 주입용 겔과 3D Printing 기술을 사용 었다. 해 실제 귀와 동일한 모양의 인공 귀를 제작하였 비슷한 사례로 GM은 2014년 중형 세단 말리브 다 (그림 12). 제작시 3D 프린터를 사용하여 2년 정도 제작 시 간을 단축시켰다. 기존의 클레이 조각으로 만들 던 방식에서 SLS와 SLA를 혼합한 공정을 통해 비용과 시간을 줄이는 효과를 얻었다 (그림 11). 국내 회사인 현대모비스는 부품의 디자인 확인, 기류평가와 기능성 테스트를 위해 FDM 프린터 에 ABS 플라스틱 필라멘트를 사용해 주요 파트 들을 제작한 후 적합성을 확인하였다. 이를 통해 디자인 오류를 빠르게 발견하고 수정할 수 있어 3D 프린터에 대한 추가 보유 계획을 가지고 있다. 그림 12. (좌) 미국 델라웨어 병원에서 제작한 로봇팔 (출처: (우) 미국 코넬 의대에서 3D Printing 기술을 이용하여 만든 인공 귀 (출처: 교육 분야 그림 11. GM의 말리브 업데이트 시 제작된 3D Printing 사례 (출처: Chevrolet) 3D Printing을 이용한 수업은 학생들의 수업 이해 력과 창의력을 향상시킬 수 있으며, 더 나아가 학생 July

60 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 여 인터넷과 SNS등을 통해 소셜 매뉴팩처링을 더 욱 가속화하고 있으며 전세계를 대상으로 생산, 유 통, 소비가 가능케 하고 있다. 창의적인 아이디어를 구현의 실현이 가능하게 하는 클라우드 펀펀딩 혹 은 소셜 펀딩의 대표 주자인 Kickstarter나 indiegogo 등이 활발한 활동을 하고 있다. Kickstarter 그림 13. 본 연구진이 제작한 3D Printing 기술로 만든 초등학교 5학년 시각장애학생들의 사회 촉각 교재 (좌로부터 성덕 대왕 신종, 발해 치미, 발해 돌사자상, 2014) 의 경우 개인이나 소규모 업체에서 좋은 아이디어 들이 직접 프린터를 제작하고 디자인을 설계, 형상 원을 모아서 프로젝트를 가능하게 하는 펀딩을 하 제작에 이르기까지 여러 각도에서 참여할 수 있어 여 창업으로 연결되게 도와주는 프로그램이다. 물 교육에서의 활용 분야는 무궁무진하다. 론 후원자들은 나중에 아이디어가 제품화되면 그 본 연구진은 시각장애학생들의 교과서 상에서 제품을 받을 수 있는 일종의 예약 구매가 가능하다. 생략되어 있는 그림들을 3D Printing 기술을 이 또한 Shapeways, Thingiverse, Thebobbleshop, 용하여 3차원 형상의 촉각 교재로 제작 및 보급 Cubify 등과 같은 온라인에서 3D 모형의 데이터파 하고 있다 (그림 8의 지도, 그림 13). 사회 교과 일을 사고 팔고 있는 마켓플레이스 (marketplace, 과정에서 배우는 역사 시대 유물과 유적, 지도 시장)가 생겨나고 있다. 또한 주문한 파일을 출력하 등을 초등학교 시각장애학생들의 인지력을 고려 여 배달하는 다양한 서비스 모델을 제시하고 있으 하여 적합한 크기와 형상의 정밀도를 맞춤형 방 며 온라인 마켓플레이스는 다양한 형태로 진화하고 식으로 제작하여 이를 실제 수업 시간에 사용하 있다. 고 있다. (프로젝트)가 제안되었을 때 일반인들을 상대로 후 이러한 3D 프린팅 서비스 모델을 제시하는 대표 적인 기업인 Shapeways는 네덜란드 회사로, 뉴욕 D Printing On-line Service 에서 3D 프린팅 마켓플레이스 및 서비스를 하는 회 이제 3D 프린터는 이제 단순한 제작 장치가 아니 사이며, 사용자가 디자인을 하고 이를 프린팅 가능 다, 이를 구동하기 위한 소프트웨어 또한 핵심 기술 한 파일로 Shapeways 웹사이트에 업로드를 한다 이다. 3D 스캐닝 및 창의적인 설계가 가능한 소프 (그림 14). 이후 Shapeways를 통해서 실제 모형 프 트웨어 등에서부터 프린팅을 통해 나온 제품의 부 린팅이 가능하며 이를 다른 사용자에게 팔 수도 있 가가치를 극대화하기 위한 ICT와 3D프린팅 서비스 다. 특히 3-D 프린팅 팩토리가 뉴욕에 설립되어 사 를 연계한 새로운 비즈니스 모델 개발이 이루어져야 용자가 디자인한 제품을 직접 프린팅하여 1년에 수 할 것이다. 최근 3D 프린팅 기술이 차세대 제조업에 백만 개의 유저 디자인을 만들어내고 있다. 중요한 역할을 할 것으로 기대하는 이유는 최근 급 속도록 발전하고 있는 ICT와의 결합 및 융합 가능 성 때문일 것이다. 현재는 스마트 네트워크나 클라 5. 3D 프린팅 기술의 발전 방향 우드 컴퓨팅 환경 그리고 3D 프린팅 기술에 의해서 3D Printing 기술 중 프린터 개발과 시스템 자체에 다양한 분야에서 디지털화가 이루어지고 있으며 이 대한 개발은 어느 정도 이루어졌다고 알려져 있다. 를 기반한 제조업의 디지털화가 빠르게 진행되고 있 하지만 이에 비해서 프린터에서 주요 수익원으로 알 다. 여기에서 새로운 비즈니스 모델과 생산/유통/소 려져 있는 소재에 대한 개발은 전 세계적으로도 아 비의 패턴들이 새롭게 형성되고 있다 직까지 미비한 실정이다. 3D 프린터 기술은 새로운. [13] 3D 프린팅 기술의 발전은 제조업을 디지털화하 60 ceramic korea 제조 산업에 있어서 획기적인 발전 가능성을 잠재

61 그림 14. 3D 프린팅 관련 인터넷 서비스 마켓플레이스 하고 있지만 기존 방식과의 경쟁력에서 앞서기 위해 기술에 있어 금속 소재 및 기능성이 추가된 특수 서는 현실적으로 당면하고 있는 문제점에 대한 혁신 소재에 대한 앞으로의 개발 및 투자는 크게 확대될 적인 솔루션 마련이 시급하다. 여러 가지 제약사항 전망이다 (그림 15). 많은 사람들이 지금 당장에는 이 산재하고 있지만 우선적으로 3D 프린터는 제작 기대치에 미치지 못할 지라도 적어도 10년 내에 하는 방식에 따라 사용되는 소재의 타입과 종류가 는 다양한 분야에서 혁신적인 아이템들을 쏟아 다를 뿐만 아니라 크기와 정밀도에 있어서도 상당 낼 것으로 기대하고 있다. 히 제한적이다. 이 또한 3D Systems (미국)와 같은 따라서 전통적으로 우리나라가 강점을 가지는 소 대표적인 해외 3D 프린터 업체들이 독점하고 있어 재 분야에서의 노하우를 3D Printing 기술에 접목 동일 회사의 프린터에 동일 판매 소재만을 사용하 한다면 이 분야에서의 주도권을 얻을 수 있을 것이 게 제작되어 새로운 타입의 연구 소재를 적용하는 다. 더불어 한국이 3D Printing의 세계 시장에서 주 데에 한계가 있다. 그럼에도 불구하고, 3D Printing 도권을 얻기 위해서는 국가 차원의 연구개발 투자가 지속적으로 이루어져야 한다. 또한, 산업계의 목소 리를 담아서 소재, 시스템, 서비스에 대한 기술적 요 구에 대응할 수 있어야 할 것이며 소재, 프로세스, 검증 및 응용 분야의 집중화와 다양화의 균등한 분 배를 통해 기술융합과 수요산업이 발전할 수 있는 그림 15. 3D 프린팅 재료의 한계 및 경쟁력 확보 방안 기반 구축이 필요하다. July

62 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 참고문헌 [1] S. Koskins, 3D printing for artists, designers and makers, Bloomsbury, [12] 3D 프린팅 (프린터, 소재) 시장, 기술 전망과 국 내외 참여업체 사업전략, Market Report, IRS Global, [2] 3D 프린팅산업 시장/기술동향과 주요 산업분 [13] 문명운, 3D 프린팅, 단순한 제조를 넘어 소셜 야별 활용사례분석, R&D정보센터, 지식산업정 메뉴팩처링으로, 융합4casting, 융합정책센터, 보원, 호, pp , [3] 장웅성, 이상훈, 정창용, 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략, 한국산업기술 평가관리원 PD issue report, Vol. 13-6, [4] Gartner, Top 10 strategic technology trends for 2014, 조원진 박사 newsroom/id/ 전북대학교 기계항공시스템공학부 학사 [5] P angaea Blog, posted by Matthew 전북대학교 기계설계학부 석사 Cohen on Monday, Drexel University 기계공학과 박사 pangaeaventures.com/blog/additive 재미한인과학기술자협회 (KSEA) 정회원 manufacturing-printing-a-better-and 대한여성과학기술인회 회원 cleaner-world 2013-현재 한국과학기술연구원 다원물질융합연구소 Post-Doc 재직 [6] The material jetting system as used by Objet. Picture source: 이헌주 박사 고려대기계공학과 학사 com/objet-3d-printing-technology.asp Texas A&M Univ. 기계공학과 석사 [7] The binder jetting process. Picture source: MIT 기계공학과 박사 2013-현재 한국과학기술연구원 선임연구원 현재 융합정책연구소 NT-IT 전문위원 printing [8] Principle of Laminated Object Manufacturing (LOM) using rolls of product material (left) 문명운 박사 and a cutting laser. Picture source: 서울대학교 금속공학과 학사 서울대학교 재료공학부 석사 서울대학교 재료공학부 박사 [9] University of Utwente, Overview of major RM Processes 서울대학교 신소재공동연구소 선임연구원 opm/research/design_engineering/rm/ Harvard 대학교, 응용과학부 박사후 과정 RM%20processes.docx Brown 대학교, 기계공학부 방문연구원 [10] C. K. Chua, K. F. Leong, C. S. Lim, Rapid 한국과학기술연구원 선임연구원 2013-현재 한국과학기술연구원 책임연구원 Prototyping. World Scientific, p.124, 현재 한국과학기술연합대학(UST) 부교수 [11] Kalpakjian, Serope and Steven R. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology, 5th edition, pp , Pearson Prentice Hall. Upper Saddle River NJ, ceramic korea 공동기획

63 Special 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 3D 프린팅 기술과 고온 에너지소자 김 형 철_ 한국과학기술연구원 고온에너지재료연구센터 선임연구원 김 병 국_ 한국과학기술연구원 고온에너지재료연구센터 책임연구원, 센터장 1. 서 론 3차원 프린팅 (3-dimensional printing) 기술은 고갈되어 가는 화석연료와 증가하는 환경규제는 지 이와 같은 고온 에너지 소자의 실용화에 나타나는 금 현재 인류가 겪고 있는 심각한 에너지 위기와 미 기술적 난제들에 새로운 돌파구를 마련해줄 수 있 래 에너지 기술에 대한 불안을 대변하는 현상으로 는 공정기술의 하나로 최근 큰 관심을 끌고 있다. 생각할 수 있다. 이러한 에너지 위기 상황에 대응하 최근 수년간 3차원 프린팅은 제조업과 정보통신 기 위해 전 세계적으로 다양하고 새로운 형태의 에 기술 (information communication technology, 너지 변환 및 저장 소자의 개발이 진행되고 있다. ICT)과 융합으로 시제품 (prototype) 생산이나 소 그 중에서 고효율, 청정의 차세대 에너지원으로 관심을 끌고 있는 많은 에너지 소자들은 대부분 세 량 맞춤형 주문 생산의 대중화를 통해 새로운 산업 의 형태 창출이라는 목표에 집중해 오고 있었다1-4. 라믹 소재 기반의 고온 작동 시스템이라는 공통점 하지만 기존 제조공정으로는 구현할 수 없었고 을 가지고 있음은 아주 흥미로운 사실이다. 대표적 생산성이 떨어지는 제품의 생산과 성능 향상을 가 인 예로 고체 산화물 연료전지 (solid oxide fuel 능하게 함으로써 정체에 빠진 기존 산업이나 신기 cells, SOFC), 세라믹 전해셀 (ceramic electroly- 술의 개발에 큰 기회를 제공할 수 있음은 주지의 사 sis cells), 열전소자 (thermoelectric devices), 그 실이다. 실시간 설계 및 생산 특성을 통해 기존 전 리고 세라믹 멤브레인 소자 (ceramic membrane 자, 자동차, 항공 산업이 재도약을 꿈꾸는 것이나 인 device)를 고려해 볼 수 있으며, 모두 무기물 소재 공 뼈, 관절, 장기의 제작과 같이 이전에는 존재하지 기반의 전기화학, 고체 물리학, 이온공학의 원리를 않던 새로운 의료 및 교육 산업의 제품들은 이러한 활용한 고온 에너지 변환 및 저장 소자라 분류할 3차원 프린팅 기술의 잠재성을 여실히 보여주는 사 수 있다. 하지만 이러한 세라믹 소재 기반 고온 에너 례라 할 수 있다1-4. 지 소자들은 기반 소재가 가지는 열-기계적 물성의 또한 세라믹 소재는 다양한 분야에서 차세대 기 특수성, 공정의 어려움, 그리고 고온 운전에서 나타 능성 소재로 주목 받고 있고, 3차원 프린팅 기술에 나는 낮은 소자 신뢰성 및 복잡한 반응 기구 등의 접목 가능한 스마트 세라믹을 개발하고 활용하는 기술적 어려움들이 그 실용화를 가로막고 있는 것 것은 그 가능성을 더욱 극대화 할 것으로 기대되고 도 사실이다. 있다. July

64 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 이러한 세라믹 3차원 프린팅 기술에 대응하는 스 마트 소재 및 혁신적인 공정기술의 개발은 세계적 인 3차원 세라믹 프린팅 수요를 미래 원천기술의 선 점과 이익 창출의 기회로 활용할 수 있어 차세대 글 로벌 성장 동력으로 예상된다. 본 3차원 세라믹 프린팅 심층 기술동향 보고서에 서는 이러한 3차원 세라믹 프린팅 기술이 가지는 특 징과 기술 개발 동향을 간단히 살펴보고, 현재 개발 그림 1. 고체산화물 셀의 기본 개념도. (a) 고체 산화물 연료전지. (b) 세라믹 전해셀. 중인 다양한 고온 에너지 소자의 연구 개발에의 응 만, 본 보고서가 다루는 세라믹 기반 고온 에너지 용 가능성을 타진해 보도록 하겠다. 덧붙여 기존 세 소자라는 영역에서는 주로 SOFC가 그 핵심 범주에 라믹 산업이 앞으로 3차원 프린팅 기술을 활용하여 있다고 할 수 있다. SOFC는 이름 그대로 고체상 산 차세대 에너지 기술분야에 기술적 주도권을 확보할 화물을 그 구성요소로 하여 제작된 연료전지를 통 수 있는 다양한 접근법도 함께 소개하고자 한다. 칭하는 말이다. 일반적으로 이트리아 안정화 지르코니아 (yttria- 2. 고온 에너지 소자의 이해 stabilized zirconia, YSZ)라는 고성능 산소이온 전 세라믹 기반 고온 에너지 변환기술은 전세계적으로 도물질을 전해질로 사용하고, 니켈 (nickel) 과 YSZ 서서히 각광받기 시작하는 차세대 에너지 기술이 를 연료극 그리고 란타늄 코발타이트 (lanthanum 다. 특히 고효율, 청정 이라는 핵심어로 대표되는 cobalitite)계와 같은 페롭스카이트 (perovskite) 산 고온 에너지 변환기술은 여러 가지 항목에서 저온 화물을 공기극으로 사용하여 구성한다. 형 기술과 차별화 되고 있다. 사용되는 대부분의 구성원소가 세라믹계 산화물 고온형 변환기술은 주로 높은 에너지 변환 효율과 인 만큼 대부분의 공정이 일반적인 세라믹 공정들 다양한 에너지원의 사용, 귀금속 원소의 불필요함, (분말 분쇄 및 과립화, 가압성형, 스크린 인쇄, 소결) 그리고 대용량 에너지원으로의 확장성과 같은 장점 의 조합으로 이루어진다. 최근에는 다양한 조성과 들을 가지고 있다. 하지만 고온 운전이라는 특수성 미세구조 제어를 활용하여 셀 성능을 비약적으로 으로 인해 재료의 제한성, 공정 비용의 상승, 그리고 향상시키기 위해 솔-겔 (sol-gel) 또는 진공기반 박 소자 신뢰성 문제가 경쟁기술에 뒤져 있다. 막공정, 정전분무 (electrospray)와 같은 신공정들 이와 같이 특장점이 다양한 고온형 에너지 변환 도 다각도로 SOFC 기술에 편입되고 있다. 기술은 전세계에 걸쳐 미래 에너지 기술로 주목을 받고 있다. 하지만 고온 운전이라는 원천적인 기술 2.2. 세라믹 전해셀 적 어려움과 재료적 한계로 인해 아직 연구개발 초 고온형 세라믹기반 전해셀은 앞서 설명한 SOFC와 기 단계에서 기술적 성숙도를 높이고 있는 단계이 거의 동일한 구조로 셀을 구성한다. 연료전지 반응 다. 본 단락에서는 주요 고온형 에너지 변환소자의 이 전기분해 반응의 역반응임을 고려하면 동일한 원리와 특징에 대해 간단히 알아보고자 3차원 프린 SOFC 셀을 역반응으로 운전하는 경우 (즉, 전기와 팅 기술에의 응용 가능성을 타진 하고자 한다. 수증기를 공급) 전기분해 반응이 활성화되는 전해 셀이 탄생하게 된다 고체 산화물 연료전지 고온형 세라믹 전해셀은 사용되는 연료가스에 따 지금까지 다양한 소재와 서로 다른 작동원리를 가 라서 수증기 전해 (steam-electrolysis), 이산화탄 진 여러 가지 연료전지가 개발되고 연구되고 있지 소 전해 (CO2-electrolysis) 또는 수증기 및 이산화 64 ceramic korea

65 탄소 즉, 동시-전기분해 (co-electrolysis)로 구분하 기도 한다. 료는 Bi2Te3와 PbTe, SiGe 등이 있다. 하지만 이런 재료들은 모두 유독성 소재가 포함 되어 있고, 고온 산화 환경에 취약하고 낮은 열전변 2.3. 열전 소자 환효율을 가지고 있기 때문에 전세계적으로 새로운 열전소자는 제벡효과 (Seebeck effect)라 불리는 고효율 세라믹 재료에 기반을 둔 열전소자를 개발 현상을 활용하여 열 에너지 (온도 차이)를 전기 에 하고자 하는 다양한 연구가 시도 되고 있다. 너지로 직접 변환하는 에너지 변환 소자를 통칭한 다. 각 단위 셀은 아래에 도식화된 그림 2와 같이 서 2.4. 세라믹 멤브레인 소자 로 다른 타입의 반도체 조합으로 구성된다. 일반적인 멤브레인 기술은 가스나 액체에 포함된 이 두 가지 반도체 물질로 이루어진 열전 소자는 어떤 성분을 선택적 투과성의 막을 활용하여 서 온도 차이가 있는 두 영역에 놓여 있고 이것은 전자 로 다른 농도의 농축액과 투과액으로 분리하는 것 와 같은 하전입자의 흐름을 일으켜서 전위차를 발 을 말한다. 세라믹 기반 멤브레인 소자는 알루미나 생 시키게 된다. 즉, 열이 반도체에 유입되면 셀 내 (Al2O3), 타이타니아 (TiO2), 지르코니아 (ZrO2)와 부 전자의 에너지 준위가 올라가고 높은 에너지 준 같은 무기물로 이뤄진 인공의 멤브레인을 사용하여 위의 전자는 자유롭게 움직일 수 있게 된다. 주로 가스 분리 공정과 같이 서로 다른 비율을 가 그림과 같이 전자는 n-타입 반도체를 통하여 뜨 진 물질의 전달 현상 (농축액과 투과액)에 많이 활 거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르고 회로의 한쪽 끝 용된다. 에서 전자들은 셀로 다시 들어가고 p-타입 반도체 또한 높은 이온전도도를 가진 세라믹 물질을 기반 의 정공을 만난다. 이와 같은 원리를 가진 열전소자 으로 산소이온이나 프로톤 (proton) 전달 특성을 는 가격이 비싸고 변환효율이 낮아 산업 전반에 걸 활용하여 가스의 분리와 정제에 활용하기도 한다. 친 폭넓은 응용에는 분명히 한계가 있다. 가장 기본적인 원리는 다음과 같다. 하지만 높은 신뢰성, 열에너지 직접 회수, 무진동 적절한 운전 조건 (즉, 온도, 압력 및 전기화학적 소자, 정밀한 온도 제어 및 쉬운 소형화이라는 특별 포텐셜)하에서 이온형태의 원소 성분은 아주 치밀 한 장점들로 인해 제한적이지만 특수한 응용 분야 하고 불투과성의 세라믹 멤브레인에 침투될 수 있 (예를 들어 자동차 폐열 회수, 마이크로 냉각장치, 으므로 초고순도의 투과 및 분리를 통한 가스 정제 우주용 방사성원소 발전기 등) 에서 이미 널리 사용 가 가능한 것이다. 이와 같은 세라믹기반 멤브레인 되고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 열전소자용 재 소자는 아주 우수한 선택적 분리 및 정제 성능 (> 99%)을 달성할 수 있음이 널리 알려져 있어 현재 전세계적으로 많은 관심을 불러 일으키고 있다. 3. 세라믹 3차원 프린팅 기술 3.1. 기술 개요 3차원 프린팅 기술은 수평의 얇은 층으로 나뉜 디 지털 디자인 데이터를 사용하여 레이어 (layer) 를 적층하는 방식으로 3차원 물체를 만들어내 그림 2. 에너지 변환 열전소자의 작동원리. (a) 발전 모드. (b) 가열/냉각 모드. 는 공정을 통칭한다. 다른 이름으로 적층 가공 July

66 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 표 1. 세라믹 소재를 위한 주요 3차원 프린팅 기술5 분류 원리 특징 선택적 레이저 소결법 (selective laser sintering, SLS) - 파우더 (powder) 기반 세라믹 원료에 레이저를 조사하여 고형화 시키는 과정으로 막을 생성함. - 경우에 따라 함께 사용한 폴리머 바인더는 전기로에서 탈지하고 세라믹 결함을 이룸. - 파생 기술로 전자빔 용융법과 선택적 레이저 용융법이 있음. - Carl Dekard를 비롯한텍사스 대학 연구진과 DTM 기술진에 의해 1980년대에 개발됨. - 빠른 조형속도와 높은 정밀도 및 소재 다양성을 가지고 있어 실제 부품, 공구 제작에 다양하게 사용중임. 융합 증착 모델링 (fused deposition modeling, FDM) - 압출 (extrusion) 기반 공정으로 세라믹 원료를 가진 고상 필라멘트를 가열된 노즐을 통해 분사하여 막으로 형성. - 노즐은 원료를 녹일 수 있을 정도의 고열을 발산하며 노즐을 통과한 원료는 신속히 경화되어 쌓이게 됨. - Scott Crump가 창업한 미국 STRATASYS 사에 의해 1980년대에 개발됨. - 제작비용은 저렴하지만, 조형속도가 느림. - 다양한 폴리머 소재에 대해서는 상당한 상업화가 진전되어 있음. 리소그래피 기반 세라믹 제조법 (lithography-based ceramic manufacturing, LCM) - 설계된 디자인을 세라믹 파우더와 폴리머로 구성된 슬러리를 사용하여 리소그래피 공정을 복합화하여 성형체를 제조함. - 그린바디 (green body)는 전기로에서 후속 열처리 공정을 수행하여 최종 세라믹 제품으로 완성됨. - 세라믹 전용 3차원 프린팅 기술로 오스트리아 LITHOZ사가 최초 상용화. - 높은 치밀성 (이론 밀도의 99% 이상), 정밀성을 가지지만 제한적인 크기와 소재의 부품에 국한됨. (additive manufacturing) 또는 쾌속 조형 (rapid 3.2. 기술 특징: 고온 에너지 소자로의 응용 prototyping) 이라고 불리기도 한다1-4. 앞 절에서 살펴본 것처럼 세라믹 기반 고온 에너지 1980년대 초에 최초로 3차원 프린팅 기술이 개발 소자들은 다양한 형상, 치수, 소재의 조합으로 이루 된 이래로 2000년 초반까지 주로 제품의 모형이나 어 진다. 따라서 소재 제한성이 큰 현재의 3차원 프 견본 제작용으로 사용되어 왔었지만, ICT와 융합된 린팅 기술은 분명한 한계가 있고, 미래의 기술적 진 제조업이라는 트렌드 속에서 다양한 시장에서 그 보가 반드시 수반되어야 함은 자명한 사실이다. 본 영역을 넓히고 있다. 더욱이 주요 3차원 프린팅 기 절에서는 3차원 프린팅 기술이 세라믹 기반 고온 에 술의 특허권이 2015년 전후로 만료가 예정되어 있 너지 소자로 활용될 때 선행되어야 하는 몇 가지 기 어 학문적, 산업적 관심은 그 어느 때 보다 크다고 술적 요구 조건을 간단히 검토해 보고자 한다. 할 수 있다. (1) 형상 및 밀도 제어 기술: 선천적으로 3차원 프 세라믹 분야에 범위를 좁혀서 살펴보면, 다른 소 린팅 기술은 탁월한 형상 및 밀도 제어 기술을 가지 재 분야에 비해 이 분야의 3차원 프린팅 기술은 여 고 있다. 하지만 이것은 현재 복잡한 추가 치밀화 과 러 가지 이유로 인해 기술적 성숙도나 산업적 활성 정이 필요 없는 수지상 소재에 국한되어 있다. 특히 화가 상대적으로 부족한 상황이다. 현재까지 접근 소결 공정이 수반되어야 하는 세라믹 소재는 소결 가능한 세라믹기반 3차원 프린팅 기술은 공정적 접 수축에 의한 치수 및 밀도 변화가 제품의 품질에 절 근법에 따라 크게 세가지로 분류해 볼 수 있다. 대적인 영향을 준다. 우리가 다루는 고온 에너지 소 본 보고서에서는 현재 주류 세라믹 3차원 프린팅 자에서도 다양한 기공 변화를 제어하고 구속된 소 기술이라고 할 수 있는 선택적 레이저 소결법 (se- 결 공정을 적용하여 형상 치수를 제어하는 기술이 lective laser sintering, SLS) 과 융합 증착 모델링 반드시 필요하고, 3차원 프린팅의 슬러리와 같은 원 (fused deposition modeling, FDM), 리소그래피 료 소재 및 후속 공정의 정밀한 제어가 반드시 동반 기반 세라믹 제조법 (lithography-based ceramic 되어야 한다. manufacturing, LCM) 방식에 집중하여 기술하도 그림 3(a)와 (b)는 이러한 형상 및 밀도 제어 기 록 하겠다. 각 기술의 원리와 공정 별 특징 및 역사 술을 3차원 프린팅 기술로 구현하기 위한 기초 실 를 표 1에 간략하게 정리하여 독자들의 이해를 돕 험 결과로서 다양한 공정 기법으로 경사 기공 구조 고자 한다. (gradient pore structure), 수축 억제 기술을 이룰 66 ceramic korea

67 그림 3. 고온 에너지 소자 구현을 위한 새로운 기술적 난제들에 도전하는 3차원 프린팅 기술. (a) 세라믹 기반 경사형 기공 구조의 가능성을 제안한 메사추세츠 공과대학교 기술진6. (b) 치밀화 과정의 형상 치수 제어 기술7. (c) 전기영동법을 활용한 금속과 세라믹으로 이루어진 이종 소재 소자의 구현8. (d) 이종 수지상 소재의 복합 조성을 통해 구현한 광학 특성 변화9. (e) SOFC 소자의 단면 전자 현미경 사진. 수 있음을 보여주고 있다. (2) 이종 상 (heteroge- 또한 있지만 3차원 프린팅 기술을 활용한 이종 상 neous phase) 및 다종 재료 (multiple materials) 과 다종 재료의 복합 구조체 제조는 혁신적 소자 의 융합 기술: 기계적-화학적 성질이 전혀 다른 이 개발을 위해 반드시 구현해야 할 요소 기술이므로 종 상 및 이종 재료의 물질들을 동시에 고려하여 구 그 가능성과 가치는 크다고 할 수 있다. 조체를 만드는 것은 전통적인 공정에서 조차 아주 널리 알려진 바와 같이 3차원 프린팅 기술은 금 어려운 문제이고, 이것을 3차원 프린팅 기술로 실시 형의 한계나 절삭공정이 고려되지 않아 복잡한 형 간 구현하는 것은 3차원 프린팅 기술의 차세대 목 상을 실시간에 생산하고 원재료 손실이 적어 제조 표라 할 수 있다. 원가가 싸다는 장점을 내세우고 있다1-4. 하지만 세 하지만 세라믹 기반 고온 에너지 소자를 위한 3 라믹 소재는 후속 치밀공정의 필요성, 소재 제한성 차원 프린팅 기술은 이러한 목표를 반드시 필요로 으로 인해 이와 같은 기본적 장점들을 전면에 부각 하고 있다. 앞서 설명한 기본 소자들의 원리에서처 하기 힘들뿐만 아니라 수많은 2차적 난제를 가지고 럼 다양한 이종 상과 다종 재료의 조합은 이런 세 있어 그 경제성을 현재로서는 담보하기 힘들다. 라믹 기반 고온 에너지 소자의 당연한 개념이었다. 그림 3(e)에 제시된 SOFC의 단면 전자현미경 사 그림 3(a)는 3차원 프린팅 기술로 새롭게 고려하고 진에서 나타나는 것처럼, 실제 세라믹기반 고온 에 있는 변형된 전기영동 성막 (electrophoretic de- 너지 소자들은 모두 복합소재 다층 구조를 기반으 position) 기술을 활용하여 금속성 재료인 텅스텐 로 하고 있어, 앞서 정리한 두 가지 기술적 선결 과 (tungsten)과 산화물 세라믹인 알루미나로 만든 복 제가 반드시 해결되어야 한다. 긴 안목을 가지고 3 합 구조체를 보여주고 있다. 차원 프린팅에 사용되는 원료 소재부터 공정 및 프 또한 그림 3(b)는 3차원 프린팅 기술 기반으로 두 가지 재료의 조성 비율을 다르게 하여 혼합-제작 린팅 시스템 기술까지 체계적인 점검과 검토, 논의 를 거쳐야 할 것이다. 하였을 때 극적인 광학 및 열기계적 특성 변화의 가 능성을 보여주는 결과이다. 이와 같은 결과들은 아 직 실험실 스케일의 기초적 단계이고 소재의 한계 4. 국내외 연구 동향 July

68 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 4.1. 국외 1981년 나고야 산업연구소의 Hideo Kodama가 처음 인쇄된 3차원 물체를 만들어 보였고, 1984 년 Charles Hull이 디지털 데이터에서 3차원 물체 를 프린팅 하는 기술을 개발하여 발표한 것이 3차 원 프린팅 기술의 시초이다. 이후 지속적으로 산업 용 3차원 프린터를 전세계에 걸쳐 개발하고 있으 며 STRATASYS, 3D SYSTEM, OBJECT GEOMETRIES 같은 회사들이 주도하고 있다1-4. 미국을 위 시한 중국, 일본, 유럽의 주요국들은 3차원 프린팅 기술을 자국이 글로벌 제조업 패권을 회복하고 지 속적으로 유지하는 핵심기술로 인식하고 국가차원 의 지원사업 (예를 들어 관련법 정비, 산업 클러스 터의 형성, 산학연계 연구사업 지원)을 적극적으로 진행하고 있다. 특히 미국의 경우 오바마 정부가 의회 연두교서 에서 3차원 프린팅 기술의 허브를 증설하고 제조업 혁신을 이루겠다는 비전을 제시하였고, 이를 수행 그림 4. 국외에서 수행된 세라믹 3차원 프린팅 기술의 여러 사례들. (a) LCM 공정으로 제작된 알루미나 (Al2O3) 소재의 마이크로트러스 (microtruss)10. (b) 3차원 레이저 리소그래피 방식으로 제조한 나노스케일 마이크로트러스 구조11. (c) FDM 공정으로 제작중인 세라믹 3차원 구조체12. 할 제조업 혁신을 위한 컨소시엄 의 설립을 발표하 였다. 또한 민관합동연구소인 국립 적층 가공 혁신연구 소 (National Additive Manufacturing Innovation Institute, NAMII)를 설립하고 15개 관련 허브를 증 설할 계획이다. 2012년 발표자료에 의하면 산업용 3 차원 프린팅 시장의 64.4%를 미국이 장악하고 있 지만, 미국은 자국이 큰 강점을 보이는 의료, 제약업 계에서 3차원 프린팅을 활용한 응용 연구를 더욱 활발히 진행되고 있다1-4. 중국은 국가발전 연구계획 및 2014년 국가과학 기술 프로젝트 지침 에 3차원 프린팅을 포함시키고 총 4,000만 위안을 연구개발에 투자하고자 한다. 또 한 쿤산지역에 20여개 3차원 프린팅 기업이 밀집시 키고, 다양한 군수산업 응용분야에 3차원 프린팅 기술을 적용하는 연구를 수행하고 있다. 그림 5. 오스트리아 LITHOZ 사에서 출시한 세라믹 3차원 프린팅 장비인 CeraFab 있다. 일본은 미국과 유럽에 뒤쳐진 형태이지만 다양한 유럽지역에서는 영국과 독일, 오스트리아가 3차 소재를 활용한 3차원 프린터를 개발하는데 집중하 원 프린팅 기술을 선도하고 있다. 영국은 2010년 노 고 있으며, 정부차원의 기술 로드맵과 3차원 프린터 팅엄 및 셰필드 대학교에 3차원 프린팅 연구조직을 기술의 교육 인프라 구축을 통해 그 기초를 다지고 설립하고 연구개발 자금을 지원하였고, 이를 토대로 68 ceramic korea

69 임피리얼 대학을 중심으로 3차원 프린팅 기술을 활 용한 SOFC 제작 프로젝트를 시작했다. 최근 국가과학기술심의회에서 3차원 프린팅 산업 육성 발전전략 안을 마련하고 국내외 동향 파악 및 독일의 경우 프라운호퍼 레이저연구소와 칼스루 추진전략에 대한 논의가 구체적으로 실시된 것은 3 헤 연구소를 핵심 허브로 3차원 프린터를 활용한 차원 프린팅 기술 발전을 위한 큰 첫걸음이라 할 만 소재 및 구조체 연구를 진행 중이다. 하다. 세라믹 3차원 프린팅 기술의 경우 포항공과대 년 오스트리아 비엔나 공대에서 시작된 학교, 서울대학교, 한국기계연구원과 같은 대학 및 LITHOZ 사는 이론밀도의 99.4% 이상의 치밀도와 정부출연연구소를 대상으로 개인연구사업 규모의 430 MPa에 이르는 강도, 40 μm급 해상도를 가지는 소규모 산발적 지원이 이루어지고 있는 실정이다1-4. CeraFab 7500 장비를 22만 유로의 가격으로 시판 주제를 구체적으로 살펴보면 주로 바이오 및 나노 하기 시작하였다. 비록 소재 제한성이나 제품 치수 분야의 응용 기술 연구와 프린팅 장비 개발 사업이 한계성이 있지만, 현재 전 세계에서 유일하게 상용 병행되고 있다. 몇 가지 주요 연구결과를 소개하면 화된 세라믹 3차원 프린팅 장비라는 것이 이 장비 다음과 같다. 13 가 가지는 중요한 의의이다. 세라믹 분야 3차원 프린팅 기술 연구개발 분야 에서 서울대 연구팀이 세라믹과 금속 적층형 3차 4.2. 국내 원 소자개발 과제를 진행하고 있고, 2014년 2월 한 국내는 3차원 프린팅 산업에 대한 준비와 활성화가 국세라믹기술원에서 잉크젯 (inkjet) 공정에 기반한 아직 미흡하고, 정부의 지원과 대응도 전무한 실정 Al2O3, BaTiO3를 60% 충진률로 3차원 구조체를 형 이었다. 2013년 한국경제신문의 보고에 따르면 국 성하여 PAM, 캐패시터등의 부품소자를 제작하여 내 3차원 프린팅 산업은 2012년 기준으로 약 300 발표한 성과가 있다. 덧붙여 세라믹 분야 3차원 프 억원 시장으로 추정되지만, 앞서 살펴본 주요 국외 린팅 국내 시장은 현재 전무한 실정이지만, (주)에이 기업들이 주도하고 있는 실정이다. 엠솔류션즈가 LCM 공정에 기반한 세라믹 3차원 프 1991년 삼성전자 생산기술센터에서 일본 미쯔 린터인 CeraFab 7500을 국내에 수입하여 독점판매 비시 (Mitsubishi) 의 고체 자외선 플로터 (solid object ultraviolet plotter) 장비를 도입한 것을 시 작으로 현대자동차, 손오공 같은 국내 제조업체에서 시제품 제작을 위해 부분적으로 3차원 프린터를 활 용하기 시작하였다. 하지만 3차원 프린터 시장은 주 로 외산 제품들이 대부분의 시장을 장악하고 있고 국내기업 중에는 2011년 양산체제를 구축한 캐리 마 (Carima)가 거의 유일하다고 할 수 있다1-4. 메닉스 (Menix) 와 인스텍 (Instec) 같은 일부 중 소 벤처기업들도 시제품을 개발하고 양산 초기단계 에 진입한 것으로 파악되지만 실제 보급까지는 시일 이 걸릴 것으로 판단된다. 하지만 2013년 박근혜 대 통령의 ICT 기반의 신산업을 육성 계획 발표를 기 점으로 국무회의, 과학기술인 신년 인사회에서 3차 원 프린팅 산업 육성과 발전전략에 대한 고려가 조 금씩 시작되고 있다. 그림 6. 국내에서 수행된 세라믹 기반 프린팅 주요 성과물. (a) 한국세라믹기술원에서 Al2O3, BaTiO3로 형성한 부품소자. (b) 서울대 연구팀의 세라믹 적층형 3차원 구조체. July

70 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 하기 시작함으로써 새로운 시장이 열릴 것으로 기 해 대형 국책사업의 발굴과 지원이 필요하다고 판 대한다. 단된다. 그 이유는 크게 세 가지로, 먼저 차세대 기 능성 소재인 세라믹을 에너지 소자에 적용하는 3 차원 프린팅 기술을 개발하여 세계적 수요창출과 5. 요약 및 전망 미래 원천기술의 선점 효과를 누릴 수 있어 글로벌 세라믹 소재는 다양한 분야에서 차세대 기능성 소 성장 동력으로 기대된다. 두 번째 단일 혹은 이종의 재로 주목 받고 있고, 3차원 프린팅 기술에 접목 가 세라믹 또는 금속-세라믹의 복합 다층구조를 활 능한 스마트 세라믹을 개발하고 활용하는 것은 그 용하여 산업, 사회, 문화 등 여러 분야에 접목, 확산 가능성을 더욱 극대화 할 것으로 기대된다. 특히 이 을 통한 고부가가치 융합형 신산업을 이루고 새로 종 세라믹 복합 다층구조를 필요로한 세라믹 에너 운 일자리 창출에 기여할 수 있을 것이다. 마지막으 지 소자 분야 (예를 들어 SOFC)는 세라믹 공정기 로 셀 신뢰성과 단가 문제로 실용화에 어려움이 있 술이 총망라되는 고도의 세라믹 공정기술 분야로 3 는 세라믹 에너지소자에 획기적이고 중대한 돌파구 차원 프린팅 기술이 도입되면 셀 신뢰성과 단가 문 를 3차원 프린팅 기술을 통해 확보할 수 있고, 이는 제로 실용화에 어려움을 겪는 SOFC 산업에 획기적 실용화의 기틀이 될 것임은 자명하다. 이를 통해 획 이고 중대한 돌파구를 확보할 수 있을 것으로 생각 득한 미래 에너지 변환 및 저장 기술은 국내의 미래 된다. 에너지 수요와 온실 가스 규제에 대응하고, 화석 연 차세대 고온 에너지 소자를 위한 세라믹 기반 3 차원 프린팅 핵심 기술은 초정밀 프린팅 제어 기술, 료 수입을 대체하는 핵심 에너지 기술로 발전할 것 으로 예측된다. 성형소재 기술, 그리고 실시간 실형상 소성 기술로 구분할 수 있다. 재료 제한성이 큰 3차원 프린팅 기 참고 문헌 술의 한계를 기능성 세라믹에까지 끌어올리기 위해 1. 한병준, 김영철, 허정은 (편집위원), 3차 산업혁 서는 계산과학기법을 도입하여 기존 세라믹의 열- 명, 3D 프린터 기술 현황과 시사점 한국연구재 기계적 특성의 한계를 극복할 수 있는 새로운 소재 단 Research Front 4 (2013). (결정질 혹은 비정질 단일상 또는 복합구조)를 설 2. 장웅성, 이상훈, 정창용, 3D 프린팅 제조 혁명 계하고, 개선된 세라믹 공정 기술을 활용하여 3차 에 대한 한국 금속 산업의 대응전략 KEIT PD 원 프린팅에 적합한 성형 소재, 즉 스마트 세라믹을 Issue Report 13-6, (2013). 개발해야 할 것이다. 또한 차세대 고온 에너지 소자 3. 김봉진, 3D 프린팅 기술의 발전과 광주의 정책 의 3차원 프린팅 구현을 위해 필요한 다종 세라믹 대응 전략 FOCUS 광주, 13-19, 1-25 (2013). 의 실시간 실형상 소성 기술은 초정밀 프린팅 제어 4. 조은정, 제조업 공정혁신의 기폭제 3D 프린팅 기술과 나노 구조 소재기술을 적극 활용하여 최소 한의 에너지로 최소한의 부피수축을 이루는 계면화 학 기술을 적용하고, 다종 세라믹의 특성에 따라 다 양한 파장의 에너지 전달 소성 기술을 고려하고 활 용할 필요가 있다. 산업 KIET 산업경제, 14-3, (2014). 5. 웹사이트, w w.me.utexas.edu/ news/2012/0712_sls_history.php 6. 웹사이트, 현재의 세라믹 3차원 프린팅의 국내 기술 수준은 7. A. Winkel, R. Meszaros, S. Reinsch, R. 선도국가에 비해 매우 미미한 수준으로 정부차원의 Muller, N. Travitzky, T. Fey, P. Greil, and L. 적극적인 투자와 지원이 절실한 시점이다. 이를 위 Wondraczek, Sintering of 3D-Printed Glass/ 해 원천기술의 확보와 산업기반의 육성 마련을 위 Hap Composites J. Am. Ceram. Soc., 95, 70 ceramic korea

71 (2012). 13. 웹사이트, 8. A.J. Pascall, F. Qian, G. Wang, M.A. Worsley, Y. Li, and J.D. Kuntz, Light-Directed Electrophoretic Deposition: A New Additive Manufacturing Technique for Arbitrarily Patterned 3D Composites Adv. Mater., 26, 김형철 박사 (2014). 서울대학교 기계항공공학부 학사 9. 웹사이트, 서울대학교 대학원 기계공학과 석사 미국 University of Michigan 기계공학과 박사 Printing/3DPrintingArticles/ArticleID/6696/ 현재, 한국과학기술연구원 고온에너지재료연구센터 선임연구원 USC-Researchers-Speed-Up-Multi-MaterialPrinting.aspx 10. 웹사이트, w w.fabbaloo.com/ blog/2012/12/5/the-cerafab d- 김병국 박사 printer.html 서울대학교 무기재료공학과 학사 서울대학교 대학원 무기재료공학과 석사 11. J. Bauer, S. Hengsbach, I. Tesari, R. 서울대학교 대학원 무기재료공학과 박사 Schwaiger, and O. Kraft, High-Strength 미국 Pennsylvania State University, PostDoc Cellular Ceramic Composites with 3D 현재, 한국과학기술연구원 고온에너지재료연구센터 책임연구원, 센터장 Microarchitecture, Proc. Natl. Acad. Sci., DOI: /pnas (2014). 12. 웹사이트, d-printed-ceramic-bricksdeveloped-for-large-scale-construction. 공동기획 html July

72 Special 3D Printing 기술개발 동향 및 세라믹스산업 응용 전망 세라믹 소재를 이용한 바이오메디컬용 3D프린팅 기술 윤 희 숙_ 재료연구소 분말/세라믹연구본부 책임연구원 1. 서 론 접근법이 도입되어 DIY (Do-it-yourself) 상품군으 3D프린팅, ASTM에 의하여 정식명칭 Additive 로 일반 사용자들도 다양한 방법으로 손쉽게 창작 manufacturing (AM) 즉, 첨삭가공이라 규정된 이 활동에 참여할 수 있게 되었다. 즉, 3D프린팅이라는 기술은 전혀 새로운 개념이 아니다. 1981년 일본의 명칭으로 기술의 대중화가 이루어지고 있다. 이러한 나고야 시립연구소 히데오 코다마에 의해 최초로 3D프린팅 기술에 대한 관심이 최근 과도하리만큼 개념이 제안되어졌고, 1984년 미국의 Charles Hull 뜨거워지고 있다. 이 디지털 데이터로부터 물리적인 3차원 개체를 인 아마도 첫째, 3D프린팅 시스템 관련 주요 원천특 쇄할 수 있는 과정인 Stereolithography를 개발, 특 허 기간이 만료되기 시작한 것. 둘째, 미국정부가 자 허를 출원하고 이후 3D Systems사를 설립, 1992년 국의 침체되어 있는 경기를 살리기 위해 제조업 혁 에 첫 입체인쇄술인 Stereolithogrphic apparatus, 신 역량 강화의 일환으로 3D프린팅에 본격적인 투 SLA를 개발 상용화한 비교적 오래된 기술이다. 자를 실시하고 2013년 오바마 대통령이 국정연설에 3차원 모델링을 통하여 획득한 데이터를 이용해 서 거의 모든 것을 제조하는 방법의 혁신 으로 기 원하는 형상을 3차원적으로 손쉽게 재현 가능한 술을 언급하면서 전 세계적인 이슈로 부상하여 EU, 그 특성상 제품개발에 필요한 시간과 비용을 크게 일본, 중국 등 각국이 발 빠르게 대형 기술 육성정 절감할 수 있어 종래에는 Rapid prototyping (RP) 책을 쏟아낸 것. 셋째, 3D프린팅의 다양한 적용분 즉, 쾌속조형이라는 명칭으로 주로 모형이나 시제품 야 및 적용방법은 일반인과 전문가 모두의 관심을 제작에 이용되어져 왔다. 끌어내고 욕구를 만족시킬 수 있어 기술의 활용범 기술의 고도화와 더불어 출력물의 완성도가 높 위가 매우 넓은 것 등을 주요 원인으로 생각할 수 아지고 적용 가능한 소재가 다양화 되면서 기존 공 있다. 예측되는 3D프린팅 기술적용 가능분야는 자 정기술의 한계를 극복할 수 있는 기술로써 재조명 동차, 항공우주, 의료, 건축, 로봇, 패션, 예술, 음식, 받기 시작하였다. 즉, 단순한 RP기술이 아닌 다양한 R&D 및 개인맞춤형 등 무궁무진하다. 가능성을 지닌 AM기술로 새로이 인식되기 시작하 이 중 개인 맞춤형 다품종 소량생산 이 가능한 였다. 더불어 저가형 3D프린터의 공급, IT기술의 발 3D프린팅 기술의 특징을 가장 잘 활용할 수 있는 달 및 무료로 디지털 데이터를 공유하는 오픈소스 분야는 단연 의료 바이오 분야라 할 수 있다. 수 72 ceramic korea

73 술보조, 인공기관 및 조직재생용 디바이스 등 다양 (98%)되어 있으며 다음 금속 (1%) 그 외 소재 (1%) 한 의료분야에서 환자 맞춤형 기술을 통한 치료효 로 세라믹은 3D프린팅 시스템과 세라믹 소재 각각 과의 극대화를 기대할 수 있다. 이미 형성되어 활 의 특성상 활용에 한계를 보이고 있다 (그림 1). 용되어 지고 있는 시장부터 미래시장까지 광범위하 하지만 3D프린팅 기술의 적극적 활용을 위해서 게 분포되어 있으며 시장규모도 다양하다 (표 1). 소재의 제약이 풀어야할 가장 큰 과제로 남아있으 Frost&Sullivan analysis and market participants 며 특히 극한소재, 국방소재, 아트 및 의료 바이오 의 분석에 따르면 현재 전체 3D프린팅 시장의 16% 소재로 활용도가 높은 3D프린팅용 세라믹 소재개 를 의료분야가 차지하고 있으며 향후 그 비율이 증 발은 더욱 그러하다. 의료분야에 있어 세라믹소재는 가할 것으로 예상되고 있다 (그림 1). 즉, 2020년까 인체의 운동기능과 직접 관련된 경조직 관련 치료 지 전체 3D프린팅 기술시장에서 25%의 수익 (GSV 즉, 정형외과 및 치과치료용 소재로 주로 활용되며, Capital, 2013)을 창출하는 분야로 소비자 맞춤형 예상되는 기술시장이 매우 크다. 이에 본고에서는 (20%) 및 가전제품 (20%)보다 앞선 가장 큰 시장 3D프린팅기술의 일반 개론은 생략하고 의료분야에 형성이 예측되고 있다. 현재 3D프린팅용 소재는 대 서의 3D 프린팅, 그 중 이를 위한 세라믹 소재라는 부분 열경화 혹은 광경화 고분자 중심으로 형성 관점에서 3D프린팅 기술을 재조명하고 최근 연구 표 1. 3D프린팅 기술시장의 시장규모 및 실용화 단계별 분류 (GSV Capital 2013) 동향 및 활용분야를 소개하고자 한다. 2. 본 론 2.1. 의료 바이오분야에서의 3D프린팅 기술 3D프린팅 기술이 적용 가능한 의료 바이오 분야 는 크게 의료기기 (medical device), 의료삽입물 (medical implant), 조직지지체 (tissue scaffold), 세 포가 포함된 조직지지체 (cell-embedded scaffold) 로 분류할 수 있다. 그 외 3D프린팅 기술은 유전물질 합성 및 생체물 그림 1. 3D프린팅 시장 및 소재 (Frost&Sullivan, 2014, Advanced materials enabling 3D printing, technical insights) July