3D 프린팅된 미세 입자는 의학과 전자 분야를 바꿀 수 있다

3D 프린팅 분야의 혁신이 빠른 속도로 일어나고 있습니다. 이번 달 초, 독일의 한 기업이 만들었습니다 Wave House를 3D 프린팅으로 제작했습니다. 이는 600㎡(6,600평방피트) 규모의 유럽 최대 3D 프린팅 건물이며, 기존 건축 방식으로는 구현할 수 없는 파도 디자인을 가지고 있어 독특한 외관을 보여줍니다. 3D 건설 프린팅 기술은 설계 자유도를 제공했으며 약 140시간이 소요되었습니다.

지난 주에, 세계 최초의 3D 프린팅 모스크가 5,600㎡ 면적을 차지하며 사우디아라비아 제다에 개관했습니다. 모스크 건설을 완료하는 데 6개월이 걸렸습니다.

3D 프린팅 기술과 관련해, 텍사스에 기반을 둔 ICON이 최근 공개했습니다 자사의 로봇 팔에 장착된 3D 프린터인 Phoenix를. 이 프린터는 저탄소 혼합물을 사용해 완전히 밀폐된 시스템으로 다층 구조물을 만들 수 있습니다. 높이 70피트인 Phoenix는 현재 ICON이 사용 중인 Vulcan 프린터보다 더 높은(최대 27피트) 건설이 가능하며, Vulcan은 차체가 지면에 더 가깝게 배치된 갠트리 시스템을 가지고 있습니다.

이 회사는 또한 “규모에 맞게 사용할 수 있는 가장 낮은 탄소 배출 주거 건축 시스템”인 CarbonX라는 새로운 소재 혼합물 개발을 발표했습니다. 또한 ICON은 AI를 시스템에 통합하여 누구나 Vitruvius 플랫폼을 통해 3D 프린팅 가능한 주택 설계도를 만들 수 있도록 했습니다.

하지만 이것이 전부는 아닙니다. 지난 달, 3D 프린팅이 가능하게 했습니다 매우 사실적인 인공 눈을 단 90분 만에 제작하는데, 이는 숙련된 기술자가 수작업으로 하나를 만드는 데 보통 8시간이 걸리는 것과 대조됩니다. 또한 드론, 추진제 및 폭발물의 3D 프린팅도 있습니다.

앞서 언급했듯이 3D 프린팅은 확실히 빠른 속도로 발전하고 있으며, 이는 이 분야에 대한 관심이 급격히 증가하고 있기 때문입니다. 이러한 관심 증가는 이 기술이 맞춤형 형태를 만들고 하나의 부품에 여러 종류의 재료를 동시에 프린팅할 수 있어 비용과 재료를 절감하면서도 환경 친화적이라는 점에 기인합니다.

첨가제 제조라고도 불리는 3D 프린팅은 프린터를 사용해 재료를 층층이 쌓아 물체를 만드는 방식입니다. 그러나 제한된 재료 종류, 특정 재료의 형태화, 크기 제한, 설계 부정확성 등 여러 도전 과제가 존재합니다.

따라서 과학자들은 이러한 과제를 극복하고 3D 프린팅을 더욱 효율적이고 대규모로 활용할 수 있는 방법을 연구하고 있습니다.

최근 연구에서는 마이크로스케일 3D 프린팅을 위한 새로운 공정을 고안했으며, 하루에 최대 100만 개의 입자를 제조에 거의 모든 형태로, 의료 및 연구에 사용할 수 있도록 개발했습니다.

3D 프린팅 미세 입자

Nature에 발표된 이 연구는 “롤 투 롤 고해상도 형태별 입자 3D 프린팅”이라는 제목이며 스탠포드 대학교 연구원들이 수행했습니다.

연구에 참여한 사람으로는 스탠포드 화학과 박사과정 학생 Jason M. Kronenfeld, 방사선과의 Lukas Rother와 Maria T. Dulay, 그리고 방사선과와 화학공학과에 소속된 Max A. Saccone와 Joseph M. DeSimone이 있습니다.

연구에서 연구원들은 입자 제작이 마이크로 전자, 연마재, 과립 시스템, 마이크로플루이딕스, 바이오 엔지니어링, 약물 및 백신 전달 등 다양한 분야에서 활용도가 높아지면서 인기를 얻고 있다고 언급했습니다.

이처럼 매우 작은 3D 프린팅 입자는 다양한 적용 범위를 가지고 있지만, 스테이지 이동, 광 전달, 그리고 레진(고점도 물질)의 특성 간 정밀한 조정이 필요합니다. 이 때문에 맞춤형 마이크로스케일 입자를 대규모로 제작하는 것이 어렵습니다.

이에 스탠포드 연구진은 형태별 입자 제작에 확장 가능한 고해상도 3D 프린팅 기술을 도입했습니다. 롤 투 롤 연속 액체 인터페이스 생산(r2rCLIP)을 기반으로 하는 이 공정은 하루에 대량의 맞춤형 고정밀 마이크로 입자를 인쇄하는 데 훨씬 효율적입니다.

연구 책임자인 Kronenfeld 박사과정 학생(DeSimone 연구실)은 이 기술을 통해 다양한 재료로 미세 규모에서 더 복잡한 형태를 이전에 볼 수 없었던 속도로 제작할 수 있게 되었다고 말했습니다.

이 연구는 DeSimone와 동료들이 2015년에 도입한 연속 액체 인터페이스 생산(CLP) 기술을 기반으로 합니다.

CLIP는 UV 광을 사용해 슬라이스 형태로 투사하여 레진을 빠르게 경화시켜 원하는 형태를 만듭니다. 이 기술의 특징은 UV 투사기 위에 산소가 통과할 수 있는 창이 있어, 레진이 창에 달라붙는 것을 방지하는 “데드 존”을 형성한다는 점입니다. 따라서 창에서 각 층을 떼어내지 않고도 섬세한 특징을 경화시킬 수 있어 입자 인쇄 속도가 빨라집니다.

“몰드 없이 빛을 이용해 물체를 제작하는 것은 입자 세계에 새로운 지평을 열어줍니다.”

이를 대규모 수준에서 구현하면 이러한 입자를 “미래 산업을 주도하는” 데 활용할 수 있는 기회를 더욱 제공할 수 있다고 덧붙였습니다.

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대량 생산을 가능하게 하는 r2rCLIP

CLIP를 기반으로 연구진은 독특한 형태의 나노스케일 입자를 대량 생산하는 새로운 공정을 만들었습니다. 먼저, 필름을 신중히 장력 조절한 뒤 CLIP 프린터에 보내면 수백 개의 형태가 동시에 필름에 인쇄됩니다.

그 후, 세척, 경화 및 형태 제거 단계로 이동합니다. 이 모든 단계는 사용된 재료와 형태에 따라 맞춤 설정이 가능합니다. 마지막으로 빈 필름은 다시 말려 롤 투 롤 CLIP, 즉 r2rCLIP이라는 이름이 붙었습니다.

정밀한 마이크론 해상도 광학과 정적인 플랫폼 대신 연속 필름 롤을 사용함으로써 연구진은 다양한 재료와 복잡한 기하학적 형태의 입자를 빠르게 제작하고 분리할 수 있었습니다.

연구에 따르면, 이러한 기하학적 형태는 고급 몰드 기반 기술로는 구현할 수 없었으며, 팀의 접근 방식이 가진 독특한 역량을 보여줍니다.

r2rCLIP의 몰드 가능 형태와 비몰드 형태 모두 인쇄 시 2.0 × 2.0 µm²의 복셀 크기와 1.1 ± 0.3 µm의 지지되지 않은 두께를 보였습니다.

롤 투 롤 CLIP 이전에는 인쇄된 입자 배치를 수동으로 처리해야 했으며, 이는 많은 육체적 노력이 필요한 느린 과정이었습니다. r2rCLIP 자동화로 이제 하루에 최대 1,000,000개의 입자를 전례 없는 수준으로 제작할 수 있게 되었습니다.

입자 인쇄 과정은 CLIP 프린터의 고정 빌드 플레이트를 연속 필름형 모듈식 롤 투 롤 시스템으로 교체함으로써 완전 자동화를 달성했습니다. 이를 통해 세척, 후경화 및 입자 수확(리프트오프)을 포함한 자동 인라인 후처리가 가능해졌습니다.

논문에서 팀은 롤 투 롤 CLIP 기술을 입자 제작에 사용할 때 큰 장점은 본질적인 몰드리스 공정이라는 점을 강조했습니다. 이를 통해 레이아웃을 변경하지 않고도 다양한 입자 기하학적 형태를 생산할 수 있습니다.

입자 제작에서는 확장성, 속도, 균일성, 재료 특성 및 기하학적 제어 사이에 트레이드오프가 존재합니다. 예를 들어, 일부 공정은 나노미터 규모로 인쇄할 수 있지만 속도가 느린 편입니다.

Kronenfeld는 “우리는 속도와 해상도 사이의 정밀한 균형을 찾아가고 있다”고 말했습니다. 그는 이 기술이 “뛰어난 고해상도 출력 제조 능력”을 가지고 있지만, 다양한 적용 분야에 필요한 입자 생산량을 충족시키는 속도도 유지할 수 있다고 강조했습니다.

그는 덧붙였습니다:

“연구실 규모에서 산업 생산 규모로 실용적으로 적용 가능해야 하는 기술만이 실제 전이 효과를 가질 수 있다.”

광범위한 적용 분야

이 연구는 미국 국립 과학 재단 대학원 연구 장학금 프로그램과 빌 & 멜린다 게이츠 재단의 지원을 받아 진행되었으며, 다른 연구자와 산업계에 널리 채택되는 것을 목표로 합니다.

3D 프린팅이 빠르게 진화함에 따라, DeSimone는 r2rCLIP를 “기초 기술”이라고 평가했습니다. 그는 Stanford의 Center for STEMM Mentorship 설립 교수 이사, Stanford Cancer Early Detection을 위한 Canary Center 공동 이사, 그리고 Sarafan ChEM-H 교수 펠로우를 맡고 있습니다.

하지만 DeSimone에 따르면, 산업계는 이러한 과정보다 3D 제품 자체에 초점을 맞추기 시작했으며, 이는 “분명히 가치 있고 유용해지고 있다”고 말했습니다. 따라서 현재의 질문은 다음과 같습니다:

“고부가가치 적용 분야는 무엇인가?”

연구에 따르면, 정교한 디자인을 가진 미세 입자는 분석, 바이오메디컬 및 첨단 재료 분야에 직접 통합될 수 있습니다.

연구진은 자체적으로 연하젤로 만든 연성 및 경성 입자 생산을 실험했으며, 이는 체내 약물 전달에 활용될 수 있고, 세라믹은 마이크로 전자 제조에 사용될 수 있습니다.

하이드로젤 입자 생산에 이를 활용하면, 단일 주사로 조절 가능한, 구배형 또는 펄스형 방출 프로파일을 구현할 수 있습니다. 이전 연구들에서는 적합한 광중합 레진 시스템을 만들고, 재료의 형태, 크기 및 생체 적합성이 위치와 전달에 미치는 영향을 조사했습니다. 이를 통해 바이오스캐폴드와 전달 매니폴드가 개발되었으며, 이는 대규모 및 변형 가능한 제조 공정이 없었음에도 불구하고 약물 전달용 하이드로젤 입자 제작에 대한 다양한 가능성을 열어주었습니다.

연구팀은 400 µm 크기의 하이드로젤 큐브를 제작하고, 인쇄 후 약 8 nl의 대표적인 물질을 수동으로 채운 뒤 하이드로젤 캡으로 덮었습니다. 이 연구는 약물 전달 차량 동역학에 관한 기존 연구를 기반으로 분자량 및 벽 두께의 조절 가능한 특성을 활용하여 향후 연구를 통해 프로그래밍 가능한 물질 방출 팔레트의 가능성을 강조했습니다.

세라믹에서 하이드로젤에 이르는 재료 및 기계적 다양성은 스마트 소재 제작에도 도움이 될 수 있습니다. 따라서 이렇게 넓은 범위의 제작 가능성을 입증함으로써, 이 확장 가능한 입자 생산 접근법은 마이크로 도구 및 전자 분야에도 적용 가능성을 가지고 있다고 덧붙였습니다.

한편, 이 기술(r2rCLIP)의 높은 처리량은 마이크로 로봇 및 물질 전달 시스템과 같은 마이크로 디바이스의 산업 규모 생산에 직접적인 영향을 미칩니다. 이는 특히 세라믹 재료 생산에 유리합니다.

연구에 따르면, 대량 규모로 전구체 세라믹 레진을 활용해 기술 세라믹 입자를 제조함으로써 마이크로 전자기계 시스템(MEMS), 연마 공정의 슬러리 구성 요소, 그리고 통신 및 의료와 같은 산업 분야에 활용 가능한 전도성 입자 등에 적용 가능성이 있습니다.

Dulay 선임 연구 과학자에 따르면:

“다양한 적용 분야가 존재하며, 우리는 아직 그 가능성을 탐색하고 있는 단계입니다. 이 기술이 가진 잠재력은 정말 놀랍습니다.”

첨가제 제조에 혁신적인 접근 방식을 사용하는 기업

이제 3D 프린팅을 선도하고 있는 몇몇 기업을 살펴보겠습니다:

#1. HP Inc.

전통 인쇄 산업에서 잘 알려진 HP Inc.는 3D 프린팅 분야에서도 다수의 움직임을 보이고 있으며, 산업 생산을 위한 멀티 젯 퓨전(MJF) 기술을 보유하고 있습니다. 이 기술은 고속 3D 프린팅과 각 개별 복셀의 특성을 제어할 수 있는 능력을 제공합니다. 회사의 Jet Fusion은 산업 생산 및 프로토타이핑을 위해 5600 시리즈(유연한 대량 생산 최적화), 5400 시리즈(고품질 화이트 적용), 5200 시리즈(고부가가치 최종 3D 부품 생산), 4200 시리즈(생산성 및 비용 최적화)를 포함합니다.

이번 주에 HP는 베를린에서 열리는 연례 AM 포럼 컨퍼런스에서 새로운 소재 PA 12 S를 활용한 3D 프린팅 부품을 전시할 예정입니다. 이 소재는 산업용으로 사용되는 회사의 3D 폴리머 솔루션에 맞게 맞춤 제작되었으며, 비용 절감 및 뛰어난 표면 미관과 같은 장점을 제공합니다.

시가총액이 298억 3천만 달러인 HP는 현재 주가가 30.66달러이며, 연초 대비 1.1% 상승했습니다. 회사는 연간 매출(TTM) 531억 달러, 주당순이익(EPS, TTM) 3.41, 주가수익비율(P/E, TTM) 8.91을 기록했으며, 배당수익률은 3.62%입니다..

#2. Materialise NV

벨기에에 본사를 둔 이 기업은 금속 및 폴리머 프린팅을 포함한 다양한 3D 프린팅 서비스를 제공하며, 특히 의료 분야에서 임플란트, 수술 가이드 및 해부학 모델 제작에 3D 프린팅을 활용하는 전문성을 가지고 있습니다.

지난해 말, 일본의 이미지 및 전자 기업 Ricoh는 Materialise와 협력해 미국 병원에 현장 맞춤형 3D 프린팅을 도입했으며, 이를 통해 환자 해부학 모델을 제작할 수 있게 되었습니다. 그리고 지난 달, Materialise는 맞춤형 3D 프린팅 측두하악관절(TMJ) 치료를 출시했습니다.

시가총액이 2억 9,356만 달러인 Materialise는 현재 주가가 5.36달러이며, 연초 대비 24% 하락했습니다. 회사는 연간 매출(TTM) 2억 7,869만 달러, 주당순이익(EPS, TTM) 0.13, 주가수익비율(P/E, TTM) 39.57을 기록했습니다.

최근 회사는 2023년 전체와 4분기 재무 실적을 발표했으며, 매출은 각각 4.1% 증가한 6,530만 유로와 10.4% 증가한 2억 5,610만 유로를 기록했으며, 이는 “불안정한 거시경제 및 지정학적 상황”에도 불구하고 이루어진 성과입니다.

Materialise는 또한 현금 및 현금성 자산이 1억 2,800만 유로이며, CEO Brigitte de Vet-Veithen은 추가 자금 확보와 함께 이 금액이 혁신적인 3D 제품 및 소프트웨어 솔루션을 지속적으로 제공할 수 있는 “좋은 위치”라고 밝혔습니다.

Conclusion

앞서 언급했듯이 3D 프린팅은 의료, 자동차, 항공우주, 소비재, 보석, 방위 및 군사 등 여러 산업에서 큰 이점을 제공합니다. 현재 이미 관심과 활용이 증가하고 있지만, 더 많은 연구를 통해 대규모 객체 생산이 가능해짐에 따라 향후 몇 년간 채택이 더욱 확대될 것입니다. 3D 프린팅의 미래는 매우 밝으며, 이는 제조 혁신과 보다 회복력 있는 미래를 창출할 약속을 보여줍니다.