본 내용은 ETRI 기술 사업화 플랫폼에 등록된 ‘바이오 전자소자 3D 프린팅 기술’을 인용하여 구성하였습니다.저자 : 나노전자원소자연구실 양 영 석 연구원 https://techbiz.etri.re.kr/bhrcTchnlgy/detail.do?bhrcTchnlgyId=267
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3D 프린터로 인간의 심장에서 간, 위, 대장, 소장 등 다양한 장기를 프린트할 수 있다면?간단한 물건을 프린트하던 3D 프린터 기술이 점차 발전하면서 수백 나노미터 전자회로뿐 아니라 인공장기, 관절까지 만들어내고 있다.뭐든지 만들어 줄 것 같은 3D 프린터는 우리 삶을 어떻게 바꾸는지 알아보자.
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3D프린터의 역사 3D프린팅 기술은 시판되어 있지 않는 단종품과 차별화된 소품, 인간의 장기 등 특수한 제품이나 물체의 제작, 구현에 유리하다. 특히 기존의 제조 공법에서는 불가능했던 복잡한 물체의 제작이 가능한 다양한 아이디어를 실제로 구현할 수 있다는 장점과 함께 기존 공정에서 쓰고 버릴 재료나 독성 물질의 사용량, 에너지 소비 등도 대폭 줄일 수 있는 환경 친화적이라는 장점도 있다.1981년 나고야시 공업 연구소의 히데오 코다마는 “빛을 이용하고 액상 빛 경화 수지를 고체층에 형성하고 제품을 만든다”라는 내용의 보고서를 발표했다. 현재 3D프린터의 시작이 되는 연구가 이뤄진 것이다. 그러나 히데오 코다마는 이 보고서만 제출하고 실제 상용화에는 이르지 않았다. 동시에 특허를 출원하는 데도 내용이 부족하고 그냥 보고서에 머물고 말았다.이어 미국 콜로라도 주의 척·헐(Chuck Hull)는 자신이 다니던 가구 회사에서 자외선을 이용하고 플라스틱 판자를 경화시키는 공정을 보고3D프린터이라는 개념의 힌트를 얻었다. 1983년에 연구를 시작한 그는 1986년에 “입체 인쇄술”이란 이름으로 특허를 제출하고 캐나다에서 투자를 받아 세계 최초로 3D프린터를 상용화한다. 지금부터 무려 35년 전 3D프린터가 세상에 등장한 것이다.
빛 에너지를 받을 때 경화한 특징을 가진 광경 화성 액상 수지(“레진”이라고도 불린다)을 이용한 최초의 3D프린터 SLA(Stereo Lithography Apparatus)방식에 이어FDM(Fused Deposition Modeling)방식이 상용화된다. FDM방식은 열에 녹는 특성을 갖는 플라스틱을 노즐에서 녹이고 이를 적층 하면서 원하는 모양을 만든다. FDM방식은 SLA방식과 달리 레이저가 필요 없는 상대적으로 싼 3D프린터를 만들 수 있고 오늘 3D프린터의 대부분이 이 FDM방식을 사용하고 있다.이어 분말 형태의 재료에 SLA에서 사용하는 레이저보다 강한 CO2레이저를 사용하여 재료를 녹이고 다시 다지고 제품을 만드는 SLS(Selective Laser Sintering), 폴리스티렌과 나일론, 왁스 등의 재료가 없는 금속 합금, 세라믹, 알루미늄 등의 재료를 사용하는 DMP(Direct Metal Printing), 액상 재료를 분사하고 UV램프를 비추고 경화된 Polyjet(Photopolymer Jetting Technology)등 다양한 방식의 3D프린터가 연구 개발됐다.
전자 소자, 바이오 분야는 왜 3D프린터에 주목하고 있는지, 요즘은 이 3D프린터를 다이오드와 태양 전지, 트랜지스터 등 전자 소자 분야와 인공 심장, 위, 관절, 피부 등의 의료 분야에 적용하려는 연구가 활발하다. 3차원으로 디자인된 바이오 및 전자 소자의 디지털 정보를 3D프린터에 입력하고 입체적 형태로 구현하는 것이다.전자 소자 분야에서는 최근 RFID(Radio Frequency Identification무선 주파수를 이용한 ID인식 기술)OLED(Organic Light-Emmitting Diode, 유기 발광 다이오드), 3D프린팅 태양 전지, 3D프린팅 광선 소자 같은 3D프린팅 전자 소자가 인쇄 공정성, 유연성, 낮은 가격 등의 장점으로 각광 받고 있다. 바이오 분야에서도 장기 수요 불균형, 환자 맞춤형 장기 제공, 생물학과 의학 분야의 발전 등 의학 분야의 거의 모든 분야에 대한 해결책으로서 이렇게 3D프린팅 기술이 주목된다.바이오·전자소자 3D프린팅 기술 ETRI에서 개발한 바이오·전자소자 3D프린팅 기법은 국소 가열, 쾌속 가열 및 프린트 소재 토출(플라스틱 등 3D프린팅 소재를 원하는 형태로 배출하는 것)이 가능하다. 바이오, 전자소자를 3D프린터로 조형할 경우 소재가 손상되지 않도록 하는 것이 중요한데, 이를 위해 소재의 열손상을 최소화하기 위한 쾌속가열과 국소가열이 가능한 기술을 개발한 것이다. 또한 안정적이고 정밀한 인쇄능력 판단을 위한 선인쇄 패턴 테스트와 적층인쇄 패턴 테스트 등의 내용을 포함하고 있다.또한 국소 가열과 쾌속 가열은 플라스틱, 금속, 바이오 등 다양한 소재와 환경에 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 3D 프린팅에 사용되는 소재와 만들어진 제품이 다양한 특성을 갖고 있기 때문에 다양한 조건에서 기술 활용이 가능해야 한다는 조건을 충족한 것이다.3D프린팅으로 맞춤형 제품을 제작할 경우 바코드를 대체해 상품 관리를 네트워크화, 지능화함으로써 제품 유통 및 관리, 보안, 안전, 환경 관리 등의 분야에 혁신을 가져올 것으로 보인다. 이를 바탕으로 다양한 분야의 산업화와 정보화에 크게 기여할 것으로 기대된다.이처럼 3D 프린팅 기술이 우리 삶과 밀접하게 관련된 바이오, 전자소자 분야에 적용될 경우 우리 삶의 질이 크게 높아질 것으로 기대된다. 아울러 4차 산업 전자기술산업 분야, 혁신적 형태의 전자제품 개발과 환자 맞춤형 인공장기, 신체장기 수요 불균형 등의 문제를 해결해 인류 생활의 큰 도약이 될 것으로 기대된다.본 내용은 ETRI 기술 사업화 플랫폼에 등록된 ‘바이오 전자소자 3D 프린팅 기술’을 인용하여 구성하였습니다.저자 : 나노전자원소자연구실 양 영 석 연구원 https://techbiz.etri.re.kr/bhrcTchnlgy/detail.do?bhrcTchnlgyId=267