<세라믹 3D프린터 TD6, 이미지:(주)쓰리디컨트롤즈>

 

 

<본 기사는 (주)쓰리디컨트롤즈에서 작성한 글입니다.>

 

"세라믹, 인류의 과거에서 미래까지 연결하는 재료"

 

대표적인 비금속 계열의 무기질 재료인 세라믹은 금속과 함께 인류의 오랜 역사와 함께하였으며, 다양한 분야에서 인류의 과거에서 미래까지 이어지는 중요한 재료입니다.

 

19세기부터 본격적으로 발전한 플라스틱 합성 기술로 생산 기계 설비의 발전과 함께 대량 생산에 적합한 고분자 플라스틱과 달리 세라믹은 인류 문명 시작인 기원전 15000년 석기 시대부터 토기와 도기 등의 형태로 사용되었으며, 시간이 흐름에 따라 기술이 계속 발전하여 근세기에는 식기 및 쥬얼리 뿐 아니라 높은 내열성, 내식성, 전기 절연성, 고경도 등의 그 독특한 특성으로 고분자 플라스틱이나 금속으로 사용하기 어려운 고온 및 극한 환경이 요구되는 반도체, 디스플레이, 기계 부품 등의 첨단 세라믹으로 사용되며, 생체 친화적인 특성의 바이오 세라믹은 의료 분야에서 인공 관절 임플란트, 치아 보철물 등으로 사용되는 등 활용 범위가 꾸준히 확장되고 있습니다.

 

"세라믹 3D 프린팅, 새로운 제조 패러다임으로 주목받아"

 

정밀하고 복잡한 첨단 세라믹 가공물 제작을 하는 데에는 전통의 가공 방식으로는 한계가 있었지만, 혁신적인 제조 기술인 세라믹 3D 프린팅이 새로운 패러다임으로 떠오르며 업계의 주목을 받고 있습니다.

4차 산업혁명이 본격화된 현재, 3D 프린팅은 중요한 기술 중 하나로 주목받고 있으며 세라믹 분야에서도 기존의 전통 방식인 절삭 가공 및 CIM(세라믹 분말 사출 성형) 방식에 비해 시간과 비용을 효과적으로 줄일 수 있는 혁신적인 방법으로 평가받고 있습니다.

 

세라믹 3D 프린팅은 정밀하고 복잡한 가공물을 전통 가공 방식보다 쉽게 제작할 수 있는 혁신적인 기술로써, 기존 가공 방식 대비 가공 시간과 비용을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

또한 전통 가공 방식보다 손쉽게 장비를 도입할 수 있고, 빠른 시설 구축이 가능하며, 별도의 공정 변경에 어려움이 없어도 다른 제품 제작으로의 빠른 전환이 가능하여, 향후 일선 제조 환경에서의 3D 프린팅 기술의 도입은 일대의 변화가 예상됩니다.

 

 

세라믹 3D 프린팅 기술은 매우 얇은 20~50㎛ 수준으로 한층 씩 적층하여 3차원 형상을 만들어 내는 기술로써 기존의 전통적인 절삭 가공에 비해 재료 낭비를 크게 줄이고, 설비 구축이 감소하며, 공정 전환이 쉬운 등 기존 방식에 비해 상당한 혁신성을 가지고 있어 기업의 개발 및 제조 경쟁력 확보에 크게 이바지할 것으로 봅니다.

 

3D 프린팅을 통한 다양한 품종의 소량 시작품 제작뿐 아니라 반복 재연성이 요구되는 소량 및 중량 생산에도 적용할 수 있으며, 이는 새로운 제조 방식으로써 기업의 제조 경쟁력을 높여줄 수 있습니다.

지금까지 전통 가공 방식에서 제작비의 80% 정도를 차지하는 복잡한 난 성형성 구조에 대한 높은 가공비도 3D 프린팅 방식을 이용하면 혁신적으로 줄일 수 있으며, 정밀한 출력물을 만들어 낼 수 있으므로, 기업은 제조 원가 경쟁력을 확보할 수 있습니다.

이로써 그동안 가공 장비의 크기 및 사용 환경 등으로 인해 도입이 어려웠던 다양한 연구 및 제조 분야에서 활용이 더욱 확대되고, 우수한 생산성 향상과 새로운 제품 혁신에 크게 이바지할 것으로 기대됩니다.

 

3D 프린팅 재료는 성형성이 우수한 고분자 플라스틱 재료가 대부분을 차지하고 있으며, 금속 재료는 항공우주, 의료, 방산 등의 특수 환경에서 조금씩 사용되고 있으나, 세라믹 소재는 그간 기술 발전의 한계로 상대적으로 늦게 시작되었습니다.

 

반도체와 디스플레이 분야뿐만 아니라 차세대 배터리에 사용되는 첨단 세라믹은 대한민국이 그 분야에서의 기술 종주국임에도 불구하고, 3D 프린팅과 관련된 기술 개발은 여전히 부진하여 전통적인 방식에만 의존하고 있습니다. 이러한 높은 가공 비용과 고가의 생산 설비 시설 등은 일본, 중국, 프랑스, 오스트리아, 독일 등 이미 세라믹 3D 프린팅을 상용화한 국가들에 비해 경쟁력과 시장 선점이 위협당할 수 있습니다.

 

 

 

국내 세라믹 시장 및 정부 정책

 

2015년 산업통상자원부는 첨단 세라믹 분야의 해외 의존성 문제를 해결하고자 첨단 세라믹, 희소 지원형 기능성 세라믹, 융합 바이오 세라믹, 에코에너지 세라믹, 나노/융합 세라믹 등의 5대 세라믹 주요 사업을 육성하기로 했습니다.

 

이러한 세라믹 산업을 적극 육성하기로 한 정부의 정책은 국가 주력 산업이 섬유, 기계, 조선, 자동차, 반도체·디스플레이 등에서 스마트카, 차세대 반도체·디스플레이, 이차전지, 로봇, 항공우주, 첨단바이오 등으로 옮겨가기 때문이고, 산업 구조 재편에 따라 핵심 산업 소재 역시 철강, 비철, 화학, 섬유 소재에서 세라믹 융·복합 소재로 바뀌기 때문입니다. 정부는 적층세라믹콘덴서, 첨단 초소형 센서류, 고체산화물 연료전지 등을 대표적인 세라믹 적용 분야로 선정했습니다.

 

 

㈜쓰리디컨트롤즈는 누구인가

 

2014년 12월에 설립된 ㈜쓰리디컨트롤즈는 대한민국의 대표적인 3D 프린팅 소재 기반 연구 기업으로서, 2020년 산업통상자원부로부터 UV 에너지를 이용한 지르코니아 구조물의 정밀 3D 프린팅 기술 소부장(소재·부품·장비) 핵심 전략 기술 기업으로 인증받았고, 2023년 7월 조달청으로부터 혁신제품(세라믹 부품 3차원 프린팅 시스템)으로 지정받았습니다. (물품 목록번호-식별번호 : 23261507-2520564)

세라믹 3D프린터 TD6는 조달 혁신 장터를 통해 별도의 입찰 과정없이 수의 계약으로도 구매 가능합니다.

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㈜쓰리디컨트롤즈는 외산의 기술에 의존하지 않고 소재와 장비 모두 직접 개발하여 국산화에 성공하였으며, 보유하고 있는 기술 특허로는 국내/외 총 19건이 있습니다.

㈜쓰리디컨트롤즈는 치과, 쥬얼리, 첨단 세라믹 분야 등에서 요구되는 각각의 특성과 정밀하고 복잡한 형상의 제품을 만들기 위해 지르코니아와 알루미나 세라믹 재료 기반의 광경화 복합 레진을 자체 개발하였습니다. 또한 이를 활용할 수 있는 고성능 DLP 엔진 기반의 고정밀 3D 프린터 장비와 전용 소결로도 자체 개발하여 국산화에 성공하였습니다.

 

세라믹 3D 프린팅은 출력부터 소결 공정까지 완벽하게 연속되어야만 최종적으로 완전 소결체 세라믹 가공물이 만들어지는데, ㈜쓰리디컨트롤즈의 완전 소결체 세라믹 3D 프린팅은 출력부터 탈지 및 소결까지 모든 과정을 하나로 연결하는 것이 특징이며, 서울 창업 허브 내 데모 센터에서 그림 2의 예시와 같이 회사의 최신 기능과 세라믹 제작 과정 전주기를 직접 체험해볼 수 있어 많은 관심을 받고 있습니다.

 

사용자는 원하는 디자인을 단지 3D 모델링 설계만 하면 될 뿐, 별도의 크기가 크거나 복잡한 설비 없이도 연구소 수준에서 최상급 품질의 최종 제품을 만들어 낼 수 있게 되었으며, 이는 전통적인 제조 가공 과정에서 겪던 여러 어려움과 불편을 해소할 수 있습니다.

 

 

 

㈜쓰리디컨트롤즈의 세라믹 3D 프린팅 역시 기존 절삭 및 사출 성형 가공 장치에 비해 도입 및 설치가 쉽고, 별도의 기능자가 없어도 운용이 간편하고, 대규모 공장 시설과 열악한 환경의 전통 방식의 세라믹 가공에 비해 연구소 단위의 소규모 공간에 경제적인 가격으로도 완전 소결체 세라믹 가공이 가능하게 해줍니다.

이로써 앞으로 꾸준히 수요가 요구되는 지역 사회에 더 가까이 접근하여 공공 및 기업 서비스가 가능하며, 재료의 낭비와 간소화된 시설 운영 및 금속과 플라스틱을 대체하는 극한 환경에서의 세라믹 사용으로의 전환을 통해 친환경적인 ESG 경영의 기초를 제공합니다.

세라믹 3D 프린팅 기술은 공공 서비스 개선 효과와 사회적 가치를 창출하며, 지속 가능한 발전을 통해 대한민국의 첨단 세라믹 시장 선도에 크게 이바지할 것으로 보입니다.

 

본사는 부산에 있으며, 서울 마포 공덕역 서울 창업 허브 별관 2층에 데모 센터를 구축하였습니다.

 

 

 

 

㈜쓰리디컨트롤즈의 세라믹 3D프린터 , TD6

 

㈜쓰리디컨트롤즈는 치과, 쥬얼리, 첨단, 의료 등의 다양한 세라믹 분야에서 요구되는 매우 정밀하고 복잡한 형상을 3D 프린팅으로 구현하기 위해 지르코니아 및 알루미나 세라믹 재료 기반의 광경화 복합 레진을 자체 개발하였으며, 이를 사용할 수 있는 고성능 DLP 엔진 기반의 고정밀 3D 프린터 장비 및 전용 소결로까지 자체 개발, 국산화에 성공했습니다.

 

광경화 방식의 세라믹 3D 프린팅은 재료로 레진 복합제를 사용하기 때문에 3D 프린터 출력 이후 탈지 및 소결 공정까지 완벽하게 연속되어야 최종적으로 완전 소결체 세라믹 가공물로서 만들어질 수 있습니다.

㈜쓰리디컨트롤즈의 세라믹 3D 프린팅은 출력부터 탈지 및 소결까지의 과정을 하나의 연속 공정으로 이어주어 사용자가 3D모델링 설계만 하면 별도의 공장 시설이 없는 연구소 수준에서도 최종 세라믹 가공물을 제작할 수 있으며, 이는 기존 가공 공정에서의 어려움과 불편함이 크게 개선될 수 있습니다.

 

 

 

가. 세라믹 3D 프린팅의 특징 및 도입 효과

① 고정밀의 세라믹 3D 프린팅은 3D 프린터로 출력 후 완전 소결체 세라믹 가공을 위해 전용 소결 장치를 사용하여 소결하는 과정으로 완성됩니다.

② 기존 절삭 가공 및 사출 성형에서 구현하기 어려웠던 복잡한 난 성형성 구조의 제작이 가능하고, 맞춤형 디자인 또는 쉽게 복제하기 어려운 고부가의 디자인 구조에 대한 제작 및 생산을 할 수 있습니다.

③ 4차 산업혁명의 핵심인 3D 프린팅 기술의 국산화에 성공함으로써 고가의 외산 장비에 비해 합리적인 가격으로 도입할 수 있으며, 고가의 외산 장비 대체로 기업 및 기관의 연구 개발 경쟁력을 제공합니다.

④ 3D 프린팅 적층 방식을 통해 전통적 세라믹 가공 대비 복잡한 형상도 쉽게 제작되며, 이에 따른 높은 가공 비용이 극복될 수 있습니다.

⑤ 단순 구조 설비와 재료 재회수 사용 시스템을 도입함으로써 ESG 경영을 실천할 수 있습니다.

 

나. ㈜쓰리디컨트롤즈 세라믹 3D 프린터 활용 분야

① 바이오 세라믹 분야는 ㈜쓰리디컨트롤즈에서 개발한 식약처 2등급 허가의 우수한 인체 적합성을 갖는 ZrO2(지르코니아) 기반 3D 프린팅 재료를 사용하여 의료 치과용 환자 맞춤형 임플란트 등 세라믹 응용 제품을 제작할 수 있습니다. (FDA Class I 등급은 연내 승인 예정입니다.)

이를 통해 환자들에게 더 나은 치료 결과와 짧은 회복 시간을 제공할 수 있습니다.

② 교육 분야는 세라믹 3D 프린팅 기술을 이용하여 학교나 연구소에서 복잡한 구조물, 과학 모델 등을 손쉽게 제작할 수 있어 교육과 연구의 질이 향상될 수 있습니다.

③ 보석 및 패션 분야는 복잡한 패턴이나 개별화된 주문형 맞춤 디자인 구현 과정에서 시간과 비용, 개발 기간을 단축하여 빠른 시장 진입을 가능하게 해주며, 이러한 디자인 과정의 혁신은 부가가치가 높은 지식 기반의 디자인 산업의 육성 및 주도권 확보를 할 수 있고, 나아가 우수한 디자인 실력을 보유한 여성 인력들의 경력 단절에 대한 사회적 활동을 이어주는 등 사회적 가치를 확대해 줍니다.

④ 반도체, 이차전지용 전고체 분야는 ㈜쓰리디컨트롤즈에서 개발한 높은 내화학성과 높은 표면 경도, 우수한 전기 절연성, 우수한 단열성 등의 성질을 갖는 Al2O3(알루미나) 기반 3D 프린팅 재료를 사용하여 첨단 신소재 파인 세라믹 응용 제품을 제작할 수 있습니다.

⑤ 환경 보호 측면에서는 전통적인 세라믹 제조 방식에 비해 에너지 소비와 자원 낭비가 줄어들며, 필요한 부분만 3D 프린팅으로 제작함으로써 폐기물을 감소할 수 있습니다.

 

다. ㈜쓰리디컨트롤즈 TD6의 주요 특징

① 자체 개발, 국산 세라믹 3D 프린터, 식약처 2등급 재료 사용, 조달청으로부터 혁신제품 인증 (혁신제품 전용 몰에서 구매 가능합니다.)

② Full HD 고해상도 DLP 엔진의 하향식 면 조사 기술로서 빠르고 정밀한 3D 프린팅 제작이 가능합니다.

③ 재료 평탄화 시스템(블레이드 리코팅) 자체 기술 개발에 대한 국내/외 특허를 보유, 이 기술로써 프린팅 과정에서 재료의 분포를 균일하게 유지하여 고품질의 출력물을 얻을 수 있습니다.

④ 15.6인치 전면 LCD를 통해 손쉬운 조작, 화면을 통해 긴급 유지보수를 할 수 있는 설명서 제공합니다.

 

총평

㈜쓰리디컨트롤즈의 국내 자체 개발 세라믹 3D 프린터 및 재료는 정부의 세라믹 산업 육성정책에 발맞추어 급변하는 기존 산업 구조에서 차세대 소재 및 장비로서의 역할을 다하며 국가 경쟁력을 강화하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

 

대표적인 무기질 재료 중 하나인 세라믹은 산업군에서 금속과 함께 많이 사용되는 재료이며, 완성품으로 제작되기 위해서는 반드시 소결 과정을 거쳐야 최종 완성이 됩니다. 이 소결 과정을 해결하기 위해 세라믹 소재를 사용하는 3D 프린팅 기술은 그동안 많은 혁신을 거쳐왔지만, 여전히 소결까지 이루어지는 세라믹 3D 프린팅은 국산화가 쉽지 않아 주로 수억 원대 고가의 외산 제품에 의존하고 있어 소수의 기관만이 제한적으로 사용할 수 있는 상황입니다.

이에 따라 많은 중소 국내 기업이나 연구기관들은 고성능 첨단 세라믹 응용 제품을 개발하는 데 많은 어려움을 겪고 있으며, 꾸준히 국산화가 요구해 왔습니다. 국내 세라믹 가공 기업들이 이러한 고가의 외산 제품을 대체할 수 있는 국산 세라믹 3D 프린팅 기술을 도입한다면 그동안 시도하지 못했던 새로운 첨단 세라믹 제품을 개발하는 데 있어 적극 활용할 수 있게 될 것입니다.

 

㈜쓰리디컨트롤즈의 국내 자체 개발 세라믹 3D 프린터 및 재료는 4차 산업의 주역인 3D 프린팅 분야에서의 국가 경쟁력뿐 아니라 첨단 세라믹, 바이오 세라믹, 나노/융합 세라믹 및 관련 세라믹 소재 등 세라믹 산업 전반의 경쟁력 강화에도 크게 이바지할 것으로 기대됩니다.

 

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