광경화 3D 프린팅 내구성 한계 극복 신기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김미소 교수 연구팀이 광경화 3D 프린팅의 내구성 한계를 근본적으로 해결할 수 있는 신기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

디지털 광 조형(DLP) 기반 3D 프린팅은 빛으로 액체 레진(고분자 중합체)을 굳혀 정밀한 구조물을 빠르게 제조하는 기술로, 치과·정밀 기계 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

기존 사출 성형은 내구성은 뛰어나지만 금형 제작에 많은 시간과 비용이 드는 반면, 광경화 3D 프린팅은 자유로운 형상 구현이 가능한 반면 내구성의 약점이 있었다.

김 교수 연구팀은 충격과 진동을 흡수하면서도 고무에서 플라스틱까지 다양한 물성을 구현할 수 있는 신규 광경화 레진 소재와 구조물의 각 부위에 최적 강도를 자동 배치하는 머신러닝 기반 설계 기술을 결합해 문제를 풀어냈다.

연구팀은 동적 결합을 도입한 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 소재를 개발해 기존 소재 대비 충격·진동 흡수 능력을 크게 높였다.

또 빛의 세기를 조절해 하나의 레진 조성물에서 서로 다른 강도를 구현할 수 있는 '회색조 DLP' 기술을 적용, 구조물 내 부위별 맞춤 강도를 부여하는 데 성공했다. 인체의 뼈와 연골이 다른 역할을 하며 조화를 이루는 원리에서 착안했다.

머신러닝 알고리즘은 구조와 하중 조건을 분석해 최적의 강도 분포를 자동으로 제안한다. 이를 통해 소재 개발과 구조 설계가 유기적으로 연결돼 맞춤형 강도 분배가 가능해졌다.

고가의 '다중 재료 프린팅' 기술이 필요 없어 경제성 면에서도 뛰어나다. 복잡한 장비나 재료 관리 없이 인공지능(AI) 기반 구조 최적화로 연구개발 시간과 제품 설계 비용까지 줄일 수 있다.

김 교수는 "환자 맞춤형 보형물, 정밀 기계 부품 제작이 더 견고하고 편안해질 것”이라며 "향후 바이오메디컬, 항공·우주, 로봇 등 다양한 산업 분야로의 활용이 기대된다"고 말했다.

KAIST 박사과정 남지수 학생이 제1저자로 참여하고 성균관대 복신 첸 학생이 공동연구로 기여한 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)'에 온라인 게재됐다.

이 연구로 김 교수는 국제 학술 출판사 '와일리'가 주관하는 '와일리 라이징 스타 어워드'와 '와일리 여성 재료과학상'을 동시에 수상하기도 했다.

jongseo12@news1.kr