임베디드 3D 프린팅이 자연을 모방하여 반도체에 새로운 가능성을 열다

제조업체들은 지난 5년 동안 임베디드 3D 프린팅 방법을 개선해 왔습니다. 그러나 아직도 아무도 극복하지 못한 한 가지 제한이 남아 있습니다—자연에서 발견되는 것처럼 초박형 구조를 빠르게 출력하는 능력입니다. 이러한 구조는 미세한 특성 덕분에 매우 강하고 탄력 있게 제작될 수 있어 오늘날의 고성능 애플리케이션에 이상적입니다.

다행히도, 혁신적인 연구팀이 자연을 모방하는 새로운 3D 프린팅 방법을 발견했을 가능성이 있으며, 이는 새로운 활용 범위를 열어주고, 잠재적으로 임베디드 반도체 제작까지 가능하게 할 수 있습니다. 알아두어야 할 내용은 다음과 같습니다.

자연을 모방하기

자연은 털이나 근육에 산소를 공급하는 얇은 혈관과 같은 얇은 섬유 구조를 다양하게 활용합니다. 일부 동물에게는 이러한 얇은 털이 수염 형태의 센서 역할을 합니다. 거미와 같은 다른 종에서는 함정이나 집을 짓는 수단으로 사용됩니다.

도마뱀 및 많은 동물들은 머리카락과 같은 구조를 이용해 수직 벽을 오릅니다. 얇은 머리카락 같은 구조가 방어 메커니즘으로 사용되는 경우도 있습니다. 해구어는 포식자에게 섬유질 겔을 분사해 아가미와 눈을 덮어 사실상 포식자를 질식시키고 실명시킵니다.

엔지니어들은 오랫동안 이러한 자연 현상을 재현하고자 했지만, 현재 제조 공정의 한계로 인해 불가능했습니다. 고해상도 임베디드 3D 프린팅 기술의 최근 발전은 일부 문제를 해결했지만, 여전히 많은 과제가 남아 있습니다. 이제 새로운 3D 프린팅 방법이 퍼즐의 빠진 조각을 제공하여 초미세 설계 구조의 새로운 물결을 가능하게 할 것으로 기대됩니다.

전통적인 3D 프린팅 방법

전통적인 3D 프린팅은 노즐과 용제를 사용해 공기 중에서 층층이 압출합니다. 재료는 시간, 열, 혹은 레이저를 이용해 건조됩니다. 최근 발전으로 전통 3D 프린팅이 더 얇은 압출물을 생산할 수 있게 되었지만, 자연을 복제하는 측면에서는 여전히 부족합니다.

단점

전통 3D 프린팅 방법의 주요 단점은 출력물의 전체적인 방향성 문제를 포함합니다. 각 층이 다음 층을 지지할 수 있도록 출력물이 배치되어야 합니다. 많은 경우, 출력이 건조된 후 지원 구조물을 추가하고 제거해야 하며, 이는 전체 작업량과 시간을 증가시킵니다.

엔지니어들이 만들고자 하는 섬세한 머리카락 같은 얇은 출력물은 공기 중에서 재현하기가 불가능함이 증명되었습니다. 구조적 강도, 중력 및 기타 힘이 미세한 지지를 굽히게 합니다. 한 가지 해결책은 공기가 아닌 물질 안에서 출력하는 것입니다.

임베디드 3D 프린팅

임베디드 3D 프린팅은 경화 및 경화 과정에서 구조를 지지하는 다른 매질을 활용합니다. 임베디드 프린팅 시스템은 수화젤을 사용해 프린팅 노즐이 자유롭게 움직이면서도 건조 시 출력물을 제자리에 고정할 수 있게 합니다. 이 접근법은 직접 잉크 쓰기 중 중력에 의한 변형 문제를 해결합니다.

임베디드 3D 프린팅에는 추가적인 장점도 있습니다. 첫째, 수화젤 혼합물을 재사용할 수 있어 프린터가 각 출력마다 새로운 재료를 구매할 필요가 없습니다. 또한 경화 과정에서 지원을 제공하므로 다양한 필라멘트를 사용해 복잡한 구조를 만들 수 있습니다.

임베디드 3D 프린팅 단점

이 임베디드 3D 프린팅 방법은 나선형 스프링과 같은 특정 디자인 및 얇은 압출물을 출력하는 데 더 효과적인 것으로 입증되었습니다. 그러나 모양이 자연과 유사한 섬유를 출력하는 능력은 모세관 현상으로 인한 필라멘트 파손에 의해 제한됩니다. 테스트 결과, 16마이크론 이하 직경의 경우 표면 장력으로 인한 필라멘트 파손 때문에 현재 임베디드 3D 프린팅 방법의 범위를 벗어납니다.

임베디드 3D 프린팅 연구

자연에서 영감을 받아, 한국 단국대학교와 기타 연구진은 자연을 모방한 새로운 임베디드 3D 프린팅 방법을 소개했습니다. 이 바이오 영감 접근법은 임베디드 용매 교환을 통한 섬세하고 연속적이며 부드러운 섬유의 빠른 3D 프린팅이라는 연구로 Nature Communications 저널에 발표되었습니다. 이는 3DPX(용매 교환에 의한 3D 프린팅)라 불리는 빠른 다노즐 프린팅 프로세스를 다룹니다.

비뉴턴 젤

3DPX 방법은 비뉴턴 젤의 사용과 새로운 프린터 설계를 결합해 마이크론 수준의 얇은 필라멘트 구조를 출력합니다. 특히, 이 젤은 용매 교환을 이용해 표면 장력에 의한 모세관 파손을 억제합니다. 따라서 추가 토크 덕분에 프린트 노즐이 자유롭게 움직일 수 있지만, 얇은 섬유는 젤을 고체처럼 인식해 필요한 지지를 제공합니다.

3D 프린팅이 자연을 모방

또한, 이 젤은 마이크론 규모의 실 다발을 사용함으로써 우수한 기계적 성능을 제공했습니다. 이는 마이크로젤 입자의 계면 표면 거칠기에 따른 제한을 감소시킵니다.

즉시 경화

엔지니어들은 잉크가 접촉하는 즉시 고체화되는 용매 혼합물로 젤을 만들었습니다. 즉시 경화는 이전 방법과 재료로는 불가능했던 복잡한 초박형 구조를 지원하는 프린팅 과정을 돕습니다.

임베디드 3D 프린팅 테스트

이론을 검증하기 위해 팀은 맞춤형 3D 프린터를 제작했습니다. 이 장치는 정밀 모션 스테이지 시스템, 디스펜싱 시스템, 제어 컴퓨터를 통합했으며, 상업용 장치와 유사합니다. 주요 차이점은 점탄성 항복 응력 유체 레올로지를 가진 지원 젤 내부에서 출력한다는 점입니다.

특히, 팀은 최적 옵션을 찾기 위해 7가지 서로 다른 잉크를 테스트했습니다. 선택 범위에는 열가소성 엘라스토머부터 폴리스티렌 및 PVC까지 다양한 재료가 포함되었습니다. 추가 테스트에서는 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌 블록 공중합체, SEBS, 톨루엔을 용매 옵션으로 사용하는 것을 검토했습니다.

임베디드 3D 프린팅 결과

테스트 결과는 인상적인 역량을 보여주었습니다. 압출된 잉크 사이의 용매 교환이 빠른 고체화를 촉진해 보다 복잡하고 정교한 출력물을 지원한다는 것을 발견했습니다. 팀의 프린터는 유리 노즐을 사용해 5 µm의 내부 직경을 달성했습니다. 동일한 장치는 자유형 궤적을 따라가면서 1.5 마이크론의 얇기 해상도를 달성했습니다.

임베디드 3D 프린팅 장점

직경이 1마이크론에 불과한 연성 재료로 구조물을 출력할 수 있는 능력은 재료 과학 혁명의 문을 엽니다. 얇은 머리카락 같은 구조를 활용한 재료와 구조는 새로운 수준의 구조적 강도를 제공할 수 있습니다.

더 빠름

즉시 경화 기능 덕분에 이 임베디드 3D 프린팅 방법은 전통적인 방법보다 더 빠릅니다. 구체적으로, 팀은 압출된 폴리머 필라멘트의 고체화 속도를 초당 2.33 μm로 기록했습니다. 놀랍게도 이 수치는 경쟁 방법보다 500,000배 빠른 것입니다.

빠른 제조

또한, 다수의 노즐을 병렬로 사용해 출력할 수 있는 능력은 대규모 제조 응용 분야의 문을 엽니다. 여러 노즐을 조립 라인처럼 배치하거나 복합 구조를 만들 수 있습니다. 이러한 구조는 다양한 재료를 통합할 수 있어 전기 회로, 스위치 등을 출력할 수 있습니다.

유연성

연구에 따르면 3DPX는 상용 폴리머, 용제 및 비용제 성분을 포함한 다양한 재료를 지원합니다. 이러한 유연성 덕분에 현재 제조 공정에 이 프로세스를 통합하기가 쉬워집니다.

임베디드 3D 프린팅 기술이 반도체에 의미하는 바

이 최신 접근법은 엔지니어가 최근 돌파구인 완전 3D 프린팅 가능한 재설정 퓨즈와 같은 기술을 활용해 완전 활성화된 3D 프린팅 반도체를 만들 수 있게 합니다. 이 기술적 돌파구는 반도체 산업에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 과학자들이 이러한 장치의 제조를 보다 저렴하고 효율적이며 강력하게 만들 수 있게 합니다.

임베디드 3D 프린팅 연구자들

한국 단국대학교 섬유 융합 재료공학과의 엄원식 박사는 MechME 교수인 Sameh Tawfick와 Randy Ewoldt를 포함한 엔지니어 팀과 함께 이 새로운 3D 프린팅 연구를 공개했습니다. 앞으로는 더 많은 재료와 젤을 시험하기 위해 테스트 범위를 확대할 계획입니다.

임베디드 3D 프린팅 산업을 선도하는 기업들

적층 제조는 지난 10년 동안 크게 발전했습니다. 현재는 우주선용 복합 재료 제작부터 인간 장기 프린팅까지 다양한 프린팅 방법이 존재합니다. 여기서는 3D 프린팅 혁신을 최대화할 준비가 된 한 기업을 소개합니다.

Materialise

벨기에에 기반을 둔 3D 프린팅 소프트웨어 및 제조 기업인 Materialise (MTLS )는 시장에서 선구적인 존재감을 유지하고 있습니다. 1990년 Wilfried Vancraen과 Hilde Ingelaere에 의해 설립되어 제조업체에 빠른 프로토타이핑 옵션을 제공했습니다. 인상적으로, 이 기업은 지난 30년 동안 여러 최초의 기술을 도입했습니다.

오늘날 Materialise의 3D 프린팅 소프트웨어는 모듈 활용으로 제조업체 사이에서 인기가 높습니다. 특히 격자 생성 및 부품 중첩을 위한 모듈이 있습니다. 이러한 옵션은 개발자가 더 가볍고 강한 설계를 만들도록 돕고, 마이크론 수준의 얇은 구조 제작에 이상적일 수 있습니다.

Materialise는 의료 분야부터 산업용 사례까지 다양한 산업에 제품을 제공합니다. 거래자들에게 주요 3D 프린팅 주식 옵션 중 하나로 인식되고 있습니다. 따라서 수십 년의 경험을 가진 신뢰할 수 있는 3D 프린팅 주식을 찾는 투자자 포트폴리오에 현명한 추가가 될 수 있습니다.

임베디드 3D 프린팅 – 더 빠르고 가벼운 컴퓨터

초박형 3D 패턴 구조에는 다양한 활용도가 있습니다. 하드웨어 개발자들이 단일 프로세스로 전체 칩을 출력하고자 하는 욕구를 살펴보면, 이 팀의 연구가 앞으로 귀중한 자원이 될 것입니다. 이 연구는 재료 과학 및 기타 분야에서 많은 돌파구의 문을 열어줍니다.

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연구 참고:

^{1. Eom, W., Hossain, M. T., Parasramka, V., Kim, J., Siu, R. W. Y., Sanders, K. A., Piorkowski, D., Lowe, A., Koh, H. G., De Volder, M. F. L., Fudge, D. S., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). 임베디드 용매 교환을 통한 섬세하고 연속적이며 부드러운 섬유의 빠른 3D 프린팅. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}