적층 제조
준결정이 항공우주 등급 3D 프린팅 알루미늄을 강화하는 방법
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이론에서 실천으로
때때로 노벨상 수상은 일반 대중에게 다소 추상적인 연구에 주어지기도 합니다. 이는 2011년 화학 분야 노벨상, ‘준결정’ 발견을 인정한 상의 경우와 같습니다.
이는 자연계와 인공계의 많은 물질이 “일반” 결정 형태로 조직되어 있기 때문입니다. 이들은 원자 수준에서 수백만 번 반복되는 단순한 3차원 구조를 가지고 있으며, 이러한 구조가 금속 및 실리콘(컴퓨터 칩 및 태양 전지에 사용)과 같은 다양한 재료의 특성을 부여합니다.
원자들이 반복되는 결정 패턴을 형성할 수 있는 경우는 230가지뿐이며, 이는 이전에 자연의 경직된 규칙으로 여겨졌습니다.
출처: Nobel Prize
하지만 몇 가지 기본 형태를 조합해 규칙적인 분자 구조를 조직하면서도 반복 패턴을 갖지 않는 다른 구조가 가능하다는 것이 밝혀졌습니다. 이 발견은 주로 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 일하던 연구자가 이뤄냈습니다.
출처: NIST
미국 국립표준기술연구소(NIST)의 연구원인 Andrew Iams는 이러한 준결정이 알루미늄 3D 프린팅 과정에서 형성된다는 사실을 발견했으며, 알루미늄은 항공우주 분야에서 매우 유용하지만 3D 프린팅이 특히 어려운 금속이기 때문에 이는 큰 돌파구가 될 수 있습니다.
(당사의 기사 “3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing”에서 3D 프린팅 산업 개요를 읽어보실 수 있습니다.
이 결과1는 NIST, HRL Laboratories LLC, L.A. Giannuzzi & Associates LLC 연구원들이 수행했으며, “Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”라는 제목으로 Journal of Alloys and Compounds에 게재되었습니다.
결정이 왜 중요한가?
결정 구조가 재료에 특별한 특성을 부여할 수 있지만, 동시에 약점도 동반합니다.
구조가 매우 규칙적이기 때문에 원자들이 서로 미끄러지기 쉬워집니다. 대규모로 발생하면 미세 균열이나 큰 균열이 생겨 재료가 이론적으로 가질 수 있는 강도보다 약해집니다.
이 문제는 3D 프린팅에서 특히 심화됩니다. 금속이 소량씩 녹았다가 여러 번 냉각되기 때문입니다. 또한 3D 프린팅과 전통적인 단조 모두에서 알루미늄은 소위 고체화 균열(열균열) 발생에 특히 취약합니다.
이는 남아 있는 액체 금속이 냉각으로 수축하는 고체 금속을 충분히 보충하지 못할 때 발생합니다. 이러한 균열은 알루미늄 부품의 구조적 완전성을 손상시켜, 파손 가능성이 높은 약한 재료가 됩니다.
더 나은 알루미늄 3D 프린팅의 필요성
훨씬 더 극한 온도
전통적인 알루미늄 주조에서는 액체 금속 온도가 690 °C~725 °C(1274 °F~1337 °F) 사이이며, 고체화 냉각 속도는 보통 0.4 °C/s~10 °C/s 정도입니다.
반면 금속 소재의 적층 제조(3D 프린팅)에서는 레이저 파우더 베드 퓨전(laser‑powder bed fusion) 방식을 사용합니다(동영상은 링크를 따라가세요).
이 방식은 액체 금속 온도를 3000 °C(5430 °F) 이상으로 올려 금속이 끓는점까지 도달하게 하며, 초고속 고체화 냉각 속도는 1백만 °C/s를 초과합니다.
이러한 높은 온도와 급격한 냉각 속도는 고체화 균열 문제를 더욱 악화시킵니다.
“고강도 알루미늄 합금은 거의 인쇄가 불가능합니다. 균열이 발생해 사용할 수 없게 됩니다.”
Fan Zhang – NIST physicist
3D 프린팅 알루미늄의 약속
기술적 어려움에도 불구하고, 3D 프린팅 알루미늄은 다른 단조 기술로는 만들 수 없는 형태와 부품을 구현할 수 있어 매우 유망합니다.
예를 들어 로켓 엔진 부품이나 항공기 엔진 연료 노즐은 이제 3D 프린팅으로 제작되며, 조립이 필요한 20개의 부품을 하나로 통합하고 무게를 줄일 수 있습니다.
2017년 HRL Laboratories 팀(본 기사 연구에 기여)은 알루미늄 파우더에 지르코늄을 첨가하면 3D 프린팅 부품의 균열을 방지하고 강한 합금을 만들 수 있음을 발견했습니다.
하지만 왜 이런 현상이 발생하는지는 원자 수준에서 이상한 구조가 관찰될 때까지 거의 이해되지 않았습니다.
“군용 항공기 부품과 같은 중요한 부품에 이 새로운 금속을 신뢰하고 사용하려면, 원자들이 어떻게 결합되는지에 대한 깊은 이해가 필요합니다.”
Fan Zhang – NIST physicist
준결정 찾기 및 제작
연구원들은 전자 현미경을 사용해 가능한 가장 높은 해상도로 물질을 분석했습니다. 그 결과 원자들이 5배, 3배, 2배 회전 대칭을 보이는 새로운, 이상한 패턴으로 배열되어 있음을 확인했으며, 이는 일반 알루미늄 합금에서 발견되는 결정으로는 설명될 수 없습니다.
“그때 저는 흥분하기 시작했습니다. 왜냐하면 제가 준결정을 보고 있다고 생각했기 때문이죠.”
Andrew Iams, NIST 소재 연구 엔지니어
알루미늄‑지르코늄 합금의 미세 입자 영역 외에도 연구진은 20면 주사위 형태의 icosahedral(이십면체) 준결정을 관찰했습니다.
이는 일반적인 알루미늄 결정 구조를 깨뜨려 균열이 형성될 가능성을 감소시킵니다. 따라서 준결정은 알루미늄 결정의 규칙적인 패턴을 방해해 결함을 만들고, 그 결과 금속이 더 강해집니다.
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 준결정 형성에 대한 통찰을 얻었습니다. 냉각 과정 중에 2차 상이 형성되며, 이는 준결정이 생성되기에 유리한 조건임을 보여주었습니다.
준결정으로 만든 코어에서는 금속 내에 준결정 선형 파단 패턴이 발생해 전체적으로 강도가 높아지고 냉각 또는 기계적 응력 하에서 균열이 발생할 가능성이 줄어듭니다.
출처: NIST
미래 개발
이 새로운 유형의 3D 프린팅 알루미늄 합금은 피크‑에이징된 AA7075와 견줄 만한 경도를 보여주며, AA7075는 부식 저항성이 높고 항공기 구조 부품에 널리 사용되는 기존 알루미늄 합금입니다.
초기 테스트에 따르면 침전 경화 열처리를 적용하면 이 합금을 더욱 경화시킬 수 있을 것으로 보이지만, 아직 실험적으로 입증이 필요합니다.
또한 이 기술은 더 강한 알루미늄 생산을 위한 프레임워크를 제공할 수 있습니다. 이제 재료 과학자들이 적층 제조 과정 중 준결정 형성을 부분적으로 예측할 수 있게 되면서, 그 발생을 촉진해 기계적 성능을 향상시키는 데 집중할 수 있습니다.
3D 프린팅에 투자하기
3D 프린팅은 이제 기술적 성숙 단계와 시장 통합 단계에 접어들고 있습니다. 이는 투자자들에게 과거보다 더 많은 가시성을 제공하며, 이 기술이 일시적인 유행이 아니라 지속적인 성장 산업임을 확인시켜 줍니다.
다양한 브로커를 통해 3D 프린팅 관련 기업에 투자할 수 있으며, 이 웹사이트에서는 미국, 캐나다, 호주, 영국, 그 외 다수 국가에 대한 최고의 브로커 추천을 확인할 수 있습니다.
아래에 소개된 기업 외에도, Top 10 Nanotechnology Stocks 기사에서 잠재적인 투자 아이디어를 찾아볼 수 있습니다.
특정 3D 프린팅 기업을 직접 선택하고 싶지 않다면, ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT)와 같은 ETF에 투자해 전체 적층 제조 섹터의 성장에 참여할 수 있습니다.
혁신적인 사례
(아래에 소개된 기업 외에도, 당사 기사 “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch”에서 다른 사례를 확인할 수 있습니다.)
Nano Dimension
NNDM 가격 차트
대다수 적층 제조 기업은 금속 및 플라스틱에 집중하고 복잡한 기계 부품을 목표로 합니다. 반면 Nano Dimension은 3D 프린팅 전자 분야에 집중하고 있습니다. 여기에는 전도성 또는 유전체 잉크와 세라믹 같은 매우 특수한 기술이 포함되며, 광학 또는 무선 부품을 제작하는 데 활용될 수 있습니다.
이는 “Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization”에서 추가로 탐구한 나노스케일 3D 프린팅의 가능한 적용 사례 중 하나입니다.
Nano Dimension은 인수와 내부 R&D를 혼합해 성장해 왔습니다.
출처: Nano Dimensions
이 전략은 Desktop Metal 인수 2024년 발표 2025년 최종 완료 와 함께 새로운 정점을 찍었습니다. 두 회사는 전자부터 대형 산업 장비 및 항공우주까지 모든 규모의 금속·세라믹 3D 프린팅 분야에서 훨씬 강력한 입지를 확보하게 됩니다.
이로써 SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics 등 고객 기반을 통합해 규모의 경제도 창출됩니다.
마지막으로, 두 기업은 지리적으로도 서로 다른 지역에 주로 활동하고 있었습니다. Nano Dimension은 유럽에, Desktop Metal은 미국에 기반을 두고 있었으며, 이를 합병함으로써 영업팀 시너지 효과를 기대할 수 있었습니다.
출처: Nano Dimension [securities_stock_price_tag symbol="NNDM" exchange="NASDAQ"]
회사는 제조 과정의 환경 발자국을 줄일 수 있다고 주장합니다. CO₂ 배출량을 94%, 물 사용량을 100%, 재료 사용량을 98%, 화학 물질 사용량을 82% 감소시킬 수 있다고 합니다. 전반적으로 Nano Dimension이 기술 분야의 선두주자로 부상할 것으로 기대됩니다.
출처: Nano Dimensions
합병된 기업은 새로운 3D 프린팅 발견과 더 강한 알루미늄 합금 제작에 대한 혁신을 활용할 수 있는 매우 좋은 위치에 있으며, 이러한 혁신은 목표 시장을 확대할 가능성이 높습니다.
하지만 투자자는 Nano Dimension과 Desktop Metal 모두 인수 당시 현금 흐름이 마이너스였으며, 합병 후 기업이 비용을 절감하거나 충분히 성장해 수익을 내야 한다는 점을 인지해야 합니다.
Nano Dimension 최신 소식
참고 연구:
1. Andrew D. Iamset al. (2025). 고유전율 유전체 탄성체 액추에이터 섬유의 빠른 제조. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 2025년 4월, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281
