이 원고는 코로나19 시기에 준비한 것이지만, 다른 급한 원고들에 밀려 이제야 보고하게 되었습니다. 본론으로 들어가겠습니다. 4차 산업혁명의 핵심 기술 중 하나인 3D 프린터 기술은 빠르게 발전하고 있습니다. 특히, 건축용 3D 프린터의 재료는 그동안 대부분 유기계가 중심이었지만, 최근 태평양시멘트(日)에서 업계 최초로 무기계 재료를 개발했다는 보도 자료가 발표되었습니다. 이번 원고에서는 그 핵심 내용을 2편에 걸쳐서 살펴보겠습니다.

1. 개요
태평양시멘트는 3D 프린터 조형 기술을 미래의 첨단 분야로 자리매김하고, 오랜 기간 축적해온 시멘트 및 무기계 재료의 설계·제조 기술을 융합하여 새로운 3D 프린터 전용 무기계 재료를 개발하는 데 성공했습니다. 이 소식은 태평양시멘트 뉴스레터(2018년 12월 10일, 제목: 건설용 3D 프린터 「T-3DP(Taisei-3D Printing)」에 적합한 특수 시멘트계 재료 개발)를 통해 보도되었습니다(그림 1). 이에 따라 본 원고에서는 3D 프린터 기술의 현황을 살펴보고, 태평양시멘트가 개발한 무기계 재료의 개요와 향후 가능성을 알아보고자 합니다.

2. 3D 프린터 기술의 현황
3D 프린터는 3차원 디지털 데이터를 기반으로 재료를 가공·성형하여 신속하게 입체 형상을 만들어내는 가공 장치입니다. “3D 프린터”라는 명칭은 통칭이며, 국제적으로는 2009년 ASTM 국제 표준화 회의에서 이 기술을 적층 조형(Additive Manufacturing, AM) 기술로 통일하였습니다. 이는 재료를 층층이 연속적으로 쌓아 올려 입체물을 제작하는 방식으로, 부가 제조(AM)에는 여러 방법이 존재하지만, 해당 회의에서 기존 기술을 개선하여 7가지 방식으로 정리·분류하였습니다. 3D 프린터 기술 자체는 1980년대에 개발된 것이 대부분으로, 결코 새로운 기술은 아닙니다. 1990년대에는 대기업을 중심으로 신제품 개발을 위한 모형이나 시제품을 3차원 CAD 데이터를 활용해 신속히 제작하는 용도로 사용되었습니다. 2000년대 들어서는 기술적 발전으로 인해 정밀도가 향상되었으며, 3차원 CAD 기술의 급속한 보급과 함께 시제품 및 시작품을 제작하는 현실적인 제조 기술로 활용 범위가 확대되었습니다. 2010년대에는 기본 특허 만료로 인해 저가형 3D 프린터가 출시되면서, 중소기업과 개인도 쉽게 접근할 수 있는 장치로 주목받기 시작했습니다.

3. 고내열 무기 분말 재료 「TCaSTⓇ」
3.1 결합제 분사(Binder Jetting, BJ) 방식 
분말을 얇게 도포한 후, 액상 결합제를 잉크젯 노즐 등을 이용해 선택적으로 분사하여 고화시키는 방식입니다(그림 3). 최근 이 방식이 특히 주목받는 분야는 금속 주조용 사형(砂型) 제조로, 주물용 모래를 수지 용액 결합제로 결합하여 입체적으로 조형한 주형을 활용한 다양한 주조 기술이 시도되고 있습니다.

3.2 TCaSTⓇ의 개발과 적용
지금까지 북해도 도립 종합연구기구 산업기술연구본부 공업시험장 (이하 도총연공업시험장)에서는 BJ 방식의 석고 3D 프린터를 활용한 주형 제조 연구를 진행해 왔습니다. 그러나 기존 석고를 대체할 무기계 재료의 경우, 용탕 온도가 1,200℃를 넘는 주조 과정에서 재료 성분(주로 SO₃)으로 인해 가스가 발생하면서 결함이 생기거나, 주조 표면에서 흑연 구상화 불량이 발생하는 등의 문제가 보고된 바 있습니다. 이에 따라 도총연공업시험장과의 공동 연구를 통해 무기 재료의 특성과 반응성을 분석하고, 새로운 관점에서 성분과 구성을 검토한 결과, BJ 방식의 3D 프린터로 적층 조형이 가능하면서도 높은 내열성을 갖춘 무기 재료 TCaSTⓇ개발에 성공했습니다(사진 1). TCaSTⓇ를 이용해 BJ 방식의 3D 프린터로 제작한 주형(사진 2)은 용탕 온도가 약 1,600℃에 달하는 주철을 주입해도 가스로 인한 결함이 발생하지 않으며, 표면이 매끄러운 주물이 형성되는 등 실용 수준에 도달했음이 검증되었습니다. 
이번 연구 결과를 통해, TCaSTⓇ와 BJ 방식 3D 프린터의 조합 기술이 용탕 온도가 높은 금속 주조용 주물뿐만 아니라, 복잡한 형상의 특수 주형 제작에도 폭넓게 활용될 것으로 기대된다고 발표되었습니다.

3.3 TCaSTⓇ의 용도 전개
2016년 6월 언론 보도 이후, 주형·주물 제조업체 등에서 많은 문의가 있었으며, 각 업체의 요구 성능과 BJ 방식 3D 프린터와의 적합성에 따라 TCaSTⓇ의 상품화를 진행하고 있습니다. 또한, 도총연공업시험장과의 공동 연구를 통해 TCaSTⓇ를 이용해 제작한 주형의 성능을 평가하고 있으며, 주요 평가 항목으로는 붕괴성, 통기성, 압축강도 특성이 포함됩니다. 
이러한 연구 결과를 바탕으로, TCaSTⓇ를 적용한 주형 및 이를 활용한 주물의 사례를 사진 3, 4에 제시하였습니다. 앞으로는 주형 및 주물 제조업체와 협력하여 고객 요구에 부합하는 성능을 갖춘 TCaSTⓇ의 개발을 지속적으로 추진할 계획입니다.

4. 무기계 프리믹스 「디지믹스TM」
4.1 재료 압출(Material Extrusion, ME)방식
이 방법은 노즐을 통해 재료를 압출하여 기반 위에 층층이 적층하면서 동시에 고화시켜 입체 조형물을 만드는 방식입니다(그림 4). 이 방식은 장치 구조가 단순하기 때문에, 2009년 특허 권리 기간이 만료된 이후 다수의 업체들이 이를 활용한 개인용 저가형 부가 제조 장치를 개발·판매하기 시작했습니다. 이러한 흐름이 3D 프린터를 대중적으로 널리 인식시키는 계기가 된 것으로 보입니다.(이상)