[논문]3D 프린터용 복합재료 연구 동향

오은영; 이진우; 서종환

doi:10.7234/composres.2018.31.5.192

3D 프린터용 복합재료 연구 동향
3D Printable Composite Materials: A Review and Prospective 원문보기

Composites research = 복합재료, v.31 no.5, 2018년, pp.192 - 201

오은영 (Department of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 이진우 (Department of Polymer Science & Engineering, Sungkyunkwan University) , 서종환 (Department of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University)

초록
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3D 프린팅 기술의 활용은 복잡한 형상의 제품을 보다 손쉽게 생산 가능하게 하며, 시간적 경제적 이점을 제공함으로써 기존 제조업의 형태를 변화시킬 차세대 핵심 제조 기술로 부상하고 있다. 그러나 순수 고분자 소재 출력물의 기계적/전기적 특성 및 기능은 해당 기술의 확산에 있어 한계점으로 작용하였고, 이것은 고성능 고분자 복합재료 개발에 대한 수요로 이어졌다. 이에 본 논문에서는 고성능 3D 프린팅용 고분자 복합재료 개발의 최신 연구 동향을 소개하고, 응용 분야와 가능성 및 향후 연구방향에 대해 논하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The use of 3D printing for rapid tooling and manufacturing has promised to produce components with complex geometries according to computer designs and it is emerging as the next generation key of manufacturing. Due to the intrinsically limited mechanical/electrical properties and functionalities of printed pure polymer parts, there is a critical need to develop 3D printable polymer composites with high performance. This article gives a review on 3D printing techniques of polymer composite materials and the properties and performance of 3D printed composite parts as well as their potential applications in the various fields.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. (a) the structure of direct ink-writing hardware, and (b) particles oriented by the external magnetic field [14]
그림 Fig. 2. 3D printed object containing anisotropic platelets magnetically aligned in different orientations [14]
그림 Fig. 3. The permittivity ε’ of pure ABS and 70 wt% BaTiO₃/ABS composite as a function of frequency [18]
그림 Fig. 4. Effect of copper content on (a) coefficient of thermal
그림 Fig. 5. Effect of fiber content and preparation process on (a) tensile strength, and (b) tensile modulus of CF/ABS composites [25]
표 Table 1. A summary of processes and materials used for 3D printing of fiber reinforced polymer composites
그림 Fig. 6. Schematic of the DDM printing system [27]
그림 Fig. 7. (a) Schematic of thermo-mechanical protocol to achieve the self-folding and opening box. and (b) photographs of the self-folding to a closed box
그림 Fig. 8. Thermal and mechanical properties of the xGnP/ABS composites as a function of xGnP content [50]
표 Table 2. A summary of processes and materials used for 3D printing of polymer nanocomposites
그림 Fig. 9. Industrial applications of 3D printing [67]
그림 Fig. 10. Applications of 3D printing [68]

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상기와 같은 다양한 출력 방식에 적합한 복합재료 기술의 동향과 해당 소재의 응용분야 및 가능성에 대해 다룰 것이다. 그리고 현재 기술의 한계와 향후 전 망에 대해 논의하고자 한다.
본 논문에서는 상기와 같은 다양한 출력 방식에 적합한 복합재료 기술의 동향과 해당 소재의 응용분야 및 가능성에 대해 다룰 것이다. 그리고 현재 기술의 한계와 향후 전 망에 대해 논의하고자 한다.
복합재료는 강화재의 형상 및 입자 크기에 따라 마이크로 입자 강화 복합재료와 섬유 강화 복합재료 그리고 나노 강화 복합재료로 크게 나눌 수 있다. 본문에서는 상기와 같은 분류에 따라 각 소재의 특성 및 연구 동향에 대해 소개하고자 한다.

제안 방법

세계최초로 탄소 연속 섬유 3D 프린터를 출시한 바 있는 Mark One®의 DDM (Direct digital manufacturing)방식의 프린터를 사용한 연구도 Van 등[33]에 의해 수행되었다. 출력물의 중간 부분은 CFRP로, 상단과 하단부는 나일론 중합체로 구성된 샌드위치 구조를 가진 복합체를 출력하였으며, CFRP와 나일론을 각각 압출하기 위해 두 개의 프린트 헤드가 사용되었다. 연속 섬유를 이용한 복합재료를 출력하기 위한 또 다른 연구 로, 공압출을 통한 섬유 함침(In-site fiber impregnation)을 도입한 사례도 있다.
Ge 등은 엘라스토머 기지재에 형상 기억 고분자 섬유를 직접 삽입한 복합재료를 Polyjet 방식으로 출력하였다. 해당 연구에서는 Lamina 및 Laminate 구조를 설계함으로써 출력된 복합재료의 열역학적 반응을 유도하였고, 출력된 복합재료의 형상 기억 효과를 입증하기 위해 Fig. 7과 같이 스스로 열고 닫히는 상자(Self folding/ opening box)를 제작하였다[37].

성능/효과

3D 프린팅 된 견본은 증착 라인 사이의 틈과 고분자 섬유 사이의 결합 불량으로 인해 상당한 공극률(약 20%)를 보였으나, 압축 성형 샘플은 거의 공극률이 나타나지 않았다.
Kalsoom 등은 30%(w/v)의 마이크로 다이아몬드 입자를 아크릴 레진에 첨가하여 전자 및 유체 장치의 열 관리 응용 프로그램을 위한 히트 싱크와 냉각 코일을 3D 프린팅 하였다[20]. 상업용 레진과 복합재료로 각각 출력된 구조체가 동일한 온도로 가열될 때, 복합재료 출력물은 상업용 레진으로 출력한 구조물의 온도보다 높았으며, 마이크로 다이아몬드 입자 첨가에 의해 열 전달률이 향상됨을 입증했다. 또한 필러의 분산 및 복합재료의 특성은 필러 입자 크기 및 함량에 의존하는데, 가장 우수한 분산은 그 함량에 관계없이 1 μm 입자를 갖는 복합재료에서 달성되었다[21].
4 mm) 강화 ABS 복합재료는 섬유 함량이 증가함에 따라 인장 강도 및 탄성 계수가 증가하는 것을 보여준다. 해당 실험에서 40 wt%의 단섬유 함량으로 인장 강도 및 탄성 계수는 각각 115%와 700% 의 증가 값을 얻었다. Fig.

후속연구

현재로썬 낮은 유리 전이 온도(Glass transition temperature) 및 적합한 용융 점도를 갖는 열가소성 중합체, 분말 성형된 재료 및 소수의 광 중합체만이 3D 프린팅에 사용될 수 있다. 그러나 이러한 제한된 재료로는 산업 적용에 필요한 폭넓은 요구 사항을 충족시킬 수 없으므로 재료의 다양성이 증가해야 할 것이다.
따라서 출력물의 기계적 물성 증대는 내부 공극률을 최소화하고, 강화재-기지재 계면 결합력을 강화함으로써 달성할 수 있다. 그러므로 출력하는 동안의 공극률을 최소화하고 강화재-기지재 계면 결합력을 향상시키는 방법은 향후 보다 심도 깊은 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 제조된 부품에 대한 재현성과 일관성의 보장을 위해서는 출력된 부품의 균일한 특성을 깊이 있게 살펴야 할 것이다.
최근 몇 년간 고분자 복합재의 3D 프린팅 기술이 급진적인 발전을 이뤄냈지만 대부분의 산업에선 여전히 부분적으로만 수용되고 있다. 이 기술이 지닌 소재 및 성능의 한계점을 극복하기 위해서는 소재와 성능 면에서의 복합적인 연구와 개선이 요구된다. 특히 3D 프린팅의 적용 범위는 출력 가능한 재료에 따라 제한된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린팅 기술은 어느분야에 활용되고 있는가?	CAD 등 3D 모델링 소프트웨어로 설계한 입체 모형을 마치 지도의 등고선을 여러 개의 얇은 층으로 분리한 것 같은 평면을 쌓아 올려 입체감 있는 물체를 완성하는 것이 3D 프린팅 기술의 기본 원리이다. 전통적인 제조방식인 절삭 가공대비, 복잡한 형상을 제작하는데 있어 재료의 낭비를 줄일 수 있고, 시간과 비용 등 경제적인 측면에서 자동차, 전자, 항공·우주, 의료와 같은 다양한 산업 분야에서 각광받고 있다. 특히 형상의 제약을 받지 않아 개개인의 신체적 특성 반영이 요구되는 의료 산업에 적합하고, 수요에 따른 주문생산 방식에 적용시 재료 비, 제조 기간, 운송비 등을 절약할 수 있으므로 패션과 산업 디자인 분야 등과 같은 제조업에서 빠르게 수용 및 확산 되고 있는 추세이다[2]. 일반적으로 널리 쓰이는 3D 프린 팅기술에는용융압출적층(FDM, Fused deposition modeling)과 광 조형(SLA, Stereo lithography apparatus), 선택적 레이저 소결(SLS, Selective laser sintering), 3D plotting/direct-write 방식이 있으며, 그 외 기술로는 광경화성 잉크(Photopolymer ink)를 분사한 후 경화시켜 형상을 제조하는 Polyjet, 영사기 광(Project light)에 의한 광중합체(Photopolymer) 전체 표면의 선택적 중합반응에 기초한 디지털 광처리기(DLP, Digital light processing), 휘발성 용매기반 고분자 용액으로부터 직 접적으로 물질층을 첨가하여 증착하는 액체 증착 조형(LDM, Liquid deposition modeling), 그리고 압출된 유동성 고분자 기지재 내에 섬유를 직접 캡슐화하여 첨가하는 섬유 캡슐화 첨가제 제조 방식(FEAM, Fiber encapsulation additive manufacturing) 등 다양한 3D 프린팅 방식이 개발/보급되고 있다[3].
	3D 프린팅이란 무엇인가?	3D 프린팅은 적층제조(AM, Additive Manufacturing) 또는 임의 형상 제작(SFF, Solid-freeform fabrication)의 제조방식으로 3차원 모델 데이터를 활용하여 객체를 만들기 위해 재료를 적층하는 프로세스이다[1]. CAD 등 3D 모델링 소프트웨어로 설계한 입체 모형을 마치 지도의 등고선을 여러 개의 얇은 층으로 분리한 것 같은 평면을 쌓아 올려 입체감 있는 물체를 완성하는 것이 3D 프린팅 기술의 기본 원리이다.
	3D 프린팅 기술의 기본 원리는 무엇인가?	3D 프린팅은 적층제조(AM, Additive Manufacturing) 또는 임의 형상 제작(SFF, Solid-freeform fabrication)의 제조방식으로 3차원 모델 데이터를 활용하여 객체를 만들기 위해 재료를 적층하는 프로세스이다[1]. CAD 등 3D 모델링 소프트웨어로 설계한 입체 모형을 마치 지도의 등고선을 여러 개의 얇은 층으로 분리한 것 같은 평면을 쌓아 올려 입체감 있는 물체를 완성하는 것이 3D 프린팅 기술의 기본 원리이다. 전통적인 제조방식인 절삭 가공대비, 복잡한 형상을 제작하는데 있어 재료의 낭비를 줄일 수 있고, 시간과 비용 등 경제적인 측면에서 자동차, 전자, 항공·우주, 의료와 같은 다양한 산업 분야에서 각광받고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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