적층 제조
3D 프린팅의 다음 도약은 강한 금속을 성장시키는 것입니다
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스위스 로잔 연방공과대학(EPFL)의 과학자들은 간단한 하이드로겔을 고성능 금속 및 세라믹으로 전환할 수 있는 새로운 3D 프린팅 방법을 개발했습니다.
그들은 본질적으로 금속 염을 여러 차례 주입하여 극도로 강하고 밀도가 높은 구조를 형성하며, 기존 방법에서 나타나는 다공성을 없앴습니다. 결과에 따르면 새로운 기술로 만든 금속은 기존보다 20배 강하고 수축도 훨씬 적습니다.
이 획기적인 기술은 차세대 에너지, 센싱 및 바이오메디컬 장치의 효율적인 생산을 약속합니다.
왜 설계된 재료는 더 나은 금속 3D 프린팅이 필요한가
제조, 건설, 엔지니어링 및 기술의 기반인 재료는 건물부터 전자기기, 교통수단, 의료까지 모든 것의 기능성, 내구성 및 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다.
이 때문에 새로운 재료를 만들거나 기존 재료를 개선하여 특정 요구를 충족하고 문제를 해결하며 다양한 산업 분야의 진보를 이끌어내는 것이 중요합니다.
이 목표를 달성하기 위한 혁신적이고 핵심적인 접근법은 설계된 재료(architected materials)의 설계이며, 이는 내부 구조를 다중 스케일에서 설계함으로써 평범한 재료에 비해 물성 향상을 가능하게 합니다.
이 새로운 재료군은 3D 구조 기하학을 활용해 조성이나 미세구조 최적화만으로는 얻을 수 없는 기능과 특성을 구현합니다.
우리가 구조‑특성 관계와 제조 도구에 대한 이해가 진전됨에 따라, 새로운 혹은 향상된 특성을 가진 3D 나노·마이크로 설계 재료가 개발되었습니다. 여기에는 전통적인 가공 방식으로는 달성할 수 없는 극한 기계적 거동부터 이색적인 광학 특성까지 다양합니다. 이러한 재료는 고성능 장치에 대한 수요를 충족하고 복잡한 기술을 구현하는 데 기여합니다.
이러한 재료는 현재 첨가제조(AM) 기술을 이용해 제작됩니다. AM은 다양한 길이 스케일에서 복잡한 3D 구조를 만들 수 있기 때문입니다. 여러 AM 공정 중에서, 바트 포토폴리머화(VP)는 작은 크기와 빠른 속도를 제공해 널리 사용됩니다.
이 3D 프린팅 방식에서는 감광성 수지를 바트에 넣고, 레이저나 UV 빛을 이용해 원하는 형태로 선택적으로 경화시킵니다.
하지만 이 과정은 감광성 폴리머에만 적용 가능하며, 비폴리머 재료를 제작하는 데는 한계가 있습니다. 폴리머는 구조적·기능적 특성이 제한적이어서 VP를 이용한 장치의 활용 범위를 제한합니다.
이에 과학자들은 금속·세라믹과 같이 광중합이 불가능한 재료의 VP를 가능하게 하는 방법을 개발했습니다. 이 방법에는 무기·유기 성분을 결합한 하이브리드 포토레진이나 감광성 슬러리를 사용하는 것이 포함되지만, 빛 산란, 점도 및 제한된 재료 조성 문제에 직면합니다.
그 결과, 금속 염 용액을 이용하는 접근법이 유망한 방법으로 떠올랐으며, 이는 다재다능하고 상업적으로도 이용 가능하지만, 수축이 크게 발생해 다공성, 뒤틀림 및 구조 손상이 발생합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 EPFL 연구진은 낮은 선형 수축률을 보이는 밀도 높은 설계 금속 및 세라믹을 제작할 수 있는 새로운 다목적 방법을 개발했습니다.
그들이 한 일은 하이드로겔 안에서 금속을 성장시킨 것으로, 그 결과 고도로 밀도 높지만 복잡한 구조가 형성되어 첨단 기술에 활용될 수 있습니다.
하이드로겔은 주로 물로 이루어진 고분자 재료이며, 수분을 머금으면 젤리 같은 형태가 됩니다. 생체 적합성이 뛰어나 의료 등 다양한 분야에 활용되지만, 반복적인 기계적 스트레스에 약해 쉽게 변형됩니다.
“기존 하이드로겔의 문제는 기계적으로 약해 강화가 필요하다는 점입니다“라고 도쿄대 고체물리학연구소(ISSP) Koichi Mayumi 부교수는 말했습니다. 그는 새로운1 하이드로겔을 개발했으며, 이는 고무와 같은 강인함과 회복성을 유지하면서도 유연성을 갖추고 있습니다.
최근 연구2에서는 하이드로겔을 이용해 비생물학적 재료가 ‘기억’을 통해 환경을 인식하고 업데이트할 수 있음을 보여주었습니다. 전기 자극에 반응하는 비생물학적 하이드로겔이 비디오 게임 Pong을 플레이하면서 연습을 통해 정확도를 최대 10%까지 향상시키는 실험을 수행했습니다.
이제 EPFL 연구진은 강력한 새로운 3D 프린팅 방법을 사용해 이러한 부드러운 하이드로겔을 매우 강한 금속 및 세라믹으로 변환했습니다.
강한 금속을 3D 프린팅하는 새로운 방법
다른 3D 프린팅 방법들은 인쇄된 폴리머를 더 강한 재료로 전환하려 시도했지만, 구조적 결함이 심각하게 발생했습니다. “이 재료들은 다공성이 높아 강도가 크게 감소하고, 부품은 과도한 수축으로 뒤틀림이 발생합니다”라며 연구진은 이 문제에 대한 독특한 해결책을 제시했습니다.
EPFL 연구진은 하이드로겔 주입 첨가제조(HIAM)라는 3D 프린팅 방법을 개척했습니다.
최근 Advanced Materials3에 발표된 연구에 따르면, 이 방법은 다재다능하고 접근성이 뛰어나지만, 폴리머‑세라믹 전환 과정에서 50%‑90%의 수축이 발생해 다공성, 균열 및 뒤틀림이 크게 나타나 최종 부품이 실용적 사용에 부적합할 수 있습니다. 따라서 연구진은 제작 후 주입‑침전 전략을 추가로 활용했습니다.
빛을 이용해 금속 전구체가 주입된 수지를 경화시키는 대신, EPFL 팀은 먼저 하이드로겔로 3D 스캐폴드를 구축했습니다.
그 후, 빈 하이드로겔에 다양한 금속 염 용액을 주입하고 열처리해 금속 나노입자를 형성시켜 구조 전체에 퍼지게 했습니다. 이 과정을 반복하면 매우 높은 금속 함량의 복합재를 만들 수 있습니다.
5~10번의 ‘성장 사이클’을 거친 뒤, 마지막 단계에서는 남은 하이드로겔을 태워 없앱니다. 이 과정은 원래의 빈 폴리머 형태를 그대로 유지한 채 완성된 세라믹 또는 금속 물체를 남깁니다.
제조 후에만 금속 염을 하이드로겔에 주입하면 하나의 하이드로겔을 다양한 복합재, 금속 또는 세라믹으로 변형시킬 수 있습니다.
단일 수지 조성만으로도 거의 무한에 가까운 비폴리머 재료 배열을 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 이 연구는 3D 프린팅 후에 재료를 선택할 수 있는 새로운 AM 패러다임을 제시합니다.
따라서 새로운 기술은 “접근성이 높고 비용이 낮은 3D 프린팅 프로세스로 고품질 금속 및 세라믹을 제작할 수 있게 한다”고 EPFL 공학대학 화학·재료·제조 연구소(ALCHEMY) 책임자인 Daryl Yee가 말했습니다.
ALCHEMY는 재료 과학, 분자 설계 및 첨단 제조를 통합해 의료, 에너지 및 기후 변화와 같은 사회적 과제를 해결할 수 있는 고기능성 재료를 개발하는 데 중점을 두고 있습니다.
이 방법을 활용해 EPFL 팀은 복잡한 3D 금속·세라믹 구조를 다양하게 제작했습니다. 구리, 은, 철로 만든 복잡한 수학적 격자 형태인 자이로드를 구현했습니다.
Fe2O3, SrFe12O19, Fe, Cu, Ag를 제작했으며, 이들의 밀도는 이론치의 88~89%에 근접했고 수축률은 조성에 따라 20~40%에 달했습니다. 이는 강하고 복잡한 구조를 만들 수 있음을 보여줍니다. 또한 범용 시험기를 이용해 자이로드에 점차적인 압력을 가해 강도를 테스트했습니다.
“우리 재료는 기존 방법으로 만든 것보다 20배 더 높은 압력을 견디면서, 수축률은 60~90%가 아닌 20%에 불과했습니다.”
– 박사과정 학생이자 제1저자 Yiming Ji
과학자들에 따르면, 새로 개발된 주입‑침전 기반 기술은 복잡하면서도 가볍고 강한 고급 설계 재료와 3D 구조를 제작하는 데 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어 바이오메디컬 장치, 센서, 에너지 변환·저장 장치 등에 적용될 수 있습니다.
다음 단계에서는 팀이 공정 개선에 집중할 예정이며, 특히 재료의 밀도를 더욱 높여 상용화를 목표로 할 것입니다.
속도 역시 중요한 목표입니다. 반복적인 주입 단계가 강도 향상에 필수적이지만, 이로 인해 공정 시간이 길어집니다. “우리는 로봇을 활용해 이러한 단계를 자동화함으로써 전체 처리 시간을 단축하려 노력하고 있습니다”라고 Yee가 말했습니다.
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| 방법 | 재료 | 전형적인 수축률 | 다공성/결함 | 보고된 강도 | 비고 |
|---|---|---|---|---|---|
| 하이브리드 포토레진/슬러리 사용 VP | 세라믹/금속(제한적) | 높음(보통 60–90%) | 빛 산란 및 점도 문제 → 기공/뒤틀림 | 낮음(다공성 제한) | 미리 주입; 조성 옵션 제한 |
| 이전 HIAM 접근법 | 금속 염 용액 | ~60–90% | 심각한 다공성/뒤틀림 | 결함에 의해 제한 | 프린트 전 재료 선택; 전환 불안정성 |
| EPFL HIAM + 반복 주입‑침전 | Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu, Ag | ~20–40% (최저 ~20%) | 밀도 높은 부품; 뒤틀림 감소 | 이전 방법 대비 ~20배 높은 압축 하중 | 프린트 후 재료 선택; 이론 밀도 ~88–89% |
첨가제조는 다음에 어디로 갈까?
첨가제조는 우리 시대의 가장 파괴적인 기술 중 하나로, 디지털 설계와 다양한 재료(금속, 플라스틱, 콘크리트 등)를 이용해 3D 물체를 층층이 쌓아 만듭니다.
이 기술은 편리하고 다재다능하며 복잡한 기하학 구조를 빠르게 제작할 수 있습니다. 또한 재료 폐기물을 줄이고 높은 맞춤화가 가능하며 유연한 장치의 성능을 향상시킵니다.
전 세계 AM 시장 규모는 약 $250억(2025년)으로 추정되며, 2032년까지 $1,250억을 넘어설 것으로 전망됩니다. 한편, 2021년 전 세계 3D 프린터 출하량은 220만 대였으며, 이번 십년 말까지 2,150만 대에 이를 것으로 예상됩니다.
이 수치는 기술 채택이 확대되고 있음을 보여주며, 연구실에 국한되지 않고 주택, 신발, VR 헤드셋, 자체 치유 생분해성 재료4 등으로 활용되고 있습니다.
가장 최근에는 Empa 연구진이 3D 프린팅된 생체 적합성 각막 임플란트를 개발하여 눈 손상을 영구적으로 복구할 수 있게 했다고 보고했습니다.
전 세계 수백만 명이 각막 손상으로 고통받고 있지만, 각막 이식이 가능한 사람은 소수에 불과합니다. 3D 압출 바이오프린팅을 통해 맞춤형 자체 접착 임플란트를 제작하면 이 분야에 혁신을 가져올 수 있습니다.
이 임플란트는 생체 적합성 하이드로겔로 제작되며, 이후 눈에서 추출한 인간 줄기세포를 탑재해 조직 재생을 지원합니다.
AM 응용 분야가 계속 확대되는 가운데, 과학자들은 3D 프린팅의 가장 지속적인 기술적 과제들을 해결하고 있습니다. 오크리치 국립 연구소(ORNL)의 연구진은 진공 보조 압출 기술5을 개발해 폴리머 부품 내부 다공성을 75% 감소시켜 대형 첨가제조(LFAM)의 핵심 문제를 해결했습니다.
내부 다공성은 프린팅 부품을 약화시키며, 이를 감소시키는 것이 전체 성능 향상에 중요합니다.
연구진은 압출 과정에서 진공 호퍼를 통합해 가스 함정을 제거하고, 섬유 강화 재료에서 발생하는 기공 형성을 최소화했습니다.
“이 혁신적인 기술을 통해 우리는 대형 폴리머 프린트의 다공성 문제를 해결할 뿐만 아니라 더 강한 복합재를 만들 수 있게 되었습니다. 이는 LFAM 산업에 큰 도약을 의미합니다.”
– ORNL의 Vipin Kumar
한편, 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스 연구팀은 OpenVCAD라는 소프트웨어를 개발해 보다 복잡한 설계를 구현했습니다. 이 오픈소스 툴은 격자 구조의 특정 부분에 특성을 부여할 수 있어 충격 흡수 기능에 활용됩니다.
첫 번째 다중 재료, 코드 기반 설계 툴은 “사용자가 작은 변수 하나만 바꾸면 전체 설계가 쉽게 업데이트되는 방식”이라고 프로젝트 책임자 Robert MacCurdy가 설명했습니다. 이는 복잡한 구배 설계를 최신 엔지니어링 응용을 위한 프린터 준비 코드로 변환합니다.
재료 품질 향상을 넘어, 혁신가들은 제조 능력을 손 안에 넣는 방법도 연구하고 있습니다. 텍사스 대학교 오스틴과 MIT 연구진은 칩 기반 3D 프린터에 실리콘 포토닉스를 적용6하는 방안을 탐구했습니다. 여기서는 밀리미터 규모의 포토닉 디바이스가 프린터의 대부분 기계적 기능을 수행하면서 광원을 대체합니다. 결과적으로 프린터가 훨씬 간단하고 비용 효율적으로 구현됩니다.
현재 3D 프린터는 크고 복잡한 기계 시스템에 의존해 속도, 휴대성, 해상도, 폼 팩터 및 재료 복잡성이 제한됩니다. 연구자들이 포토경화 기반 프린터를 모색하고 있지만, 여전히 부피가 크고 복잡한 기계 시스템에 의존하고 있습니다.
따라서 최신 연구는 실리콘 포토닉스와 광화학을 결합해 최초의 칩 기반 3D 프린터를 구현했습니다. 그들은 실리콘 포토닉스 CMOS 칩을 작은 챔버에 배치해 빛을 방출하고 조정하며, 액정 파형가이드를 이용해 레진과 작동시켰습니다.
이 시스템은 “가시광 통합 광학 위상 배열 시스템”으로, 칩 위에 바트 폴리머화 시스템 역할을 하며 궁극적인 목표는 전체 시스템을 손 안에 넣는 것입니다.
3D 프린팅에 투자하기
전통 인쇄로 유명한 HP (HPQ )는 3D 프린팅 시장에 적극적으로 진입하고 있으며, 하이드로겔 주입과 같은 최첨단 공정을 채택할 규모와 자본, 인프라를 보유하고 있습니다.
HP는 10년 전부터 첨가제조에 처음 발을 들였으며, 이후 다수의 폴리머 3D 프린팅 시스템을 출시하고 Metal Jet 기술을 도입했습니다. 가장 오래된 플레이어는 아니지만, HP는 기술, 재료 및 파트너십 혁신을 통해 시장 리더가 되기 위해 노력하고 있습니다.
HP Inc. (HPQ )
올해 초, HP의 멀티 젯 퓨전(MJF) 3D 프린팅 기술은 Blazin Rodz에 의해 맞춤형 자동차 부품 75개 이상을 제조하는 데 사용되었습니다.
“우리는 Blazin Rodz에서 1년 미만에 극한 수준의 정밀도와 주행성을 갖춘 차량을 설계·제조할 수 없었을 것입니다. HP의 멀티‑젯 퓨전(MJF) 프린팅은 업계 전체에 혁신을 가져왔으며, 우리는 앞으로도 모든 시그니처 부품과 맞춤형 자동차에 스마트하고 혁신적인 적용을 지속할 것입니다.”“
– Blazin Rodz 3D 디자인·엔지니어링 리드 Waylon Jeffrey
몇 달 전, 모바일 드론 제조업체 Firestorm Labs는 HP와 독점 유통 계약을 체결해 모바일 멀티 젯 퓨전 3D 프린팅 기술을 의료, 인도주의 및 상업 분야 현장 생산에 활용하고 있습니다.
HP는 개인용 컴퓨팅 및 기타 디지털 액세스 장치를 전 세계에 제공하며, 세 가지 주요 부문을 통해 운영됩니다.
Personal Systems 부문은 상업·소비자용 데스크톱, 노트북, 워크스테이션, POS 시스템, 디스플레이, 하이브리드 시스템 및 소프트웨어를 제공하고, Printing 부문은 소비자·상업용 프린터 하드웨어와 그래픽·3D 프린팅 및 맞춤화를 제공하며, Corporate Investments 부문은 일부 비즈니스 인큐베이션 및 투자 프로젝트를 포함합니다.
시가총액 $255억인 HPQ 주식은 현재 $27.22에 거래되고 있으며, 연초 대비 16.18% 하락했습니다. 52주 범위는 $21.21~$39.80이며, 최고가는 2022년 중반 $41.50 수준이었습니다.
HPQ 가격 차트
HP는 현재 EPS(TTM) 2.75, P/E(TTM) 9.96을 기록하고 있으며, 주주에게 매력적인 4.23% 배당 수익률을 제공하고 있습니다.
재무 측면에서 HP는 2025 회계연도 3분기에 매출 $139억을 기록했으며, 전년 대비 3.1% 증가했습니다.
이 매출에는 Printing 사업부 매출 $40억이 포함되며, 전년 대비 4% 감소했지만 영업 마진은 17.3%였습니다. Consumer Printing 매출은 8% 감소했고, Commercial Printing은 3%, Supplies는 4% 감소했습니다. 전체 하드웨어 출하량은 9% 감소했으며, Commercial Printing 유닛은 12%, Consumer Printing 유닛은 8% 감소했습니다.
HP의 GAAP 기준 희석 순이익은 주당 $0.80으로 23.1% 상승했으며, 비GAAP 기준 희석 순이익은 $0.75로 10.7% 감소했습니다.
“3분기에 우리는 매출 성장 5분기 연속을 달성했으며, Personal Systems의 강세와 핵심 성장 영역의 모멘텀 덕분입니다. 이러한 결과는 우리의 민첩성과 집중 실행력을 보여주며, 전략의 강점과 미래 업무 환경 리더십에 대한 우리의 약속을 재확인합니다.”
– CEO Enrique Lores
이번 분기에 HP는 영업 활동 현금 흐름으로 $17억을 창출했으며, 자유 현금 흐름은 $15억이었습니다. 또한 주당 $0.2894 배당금과 $1.5억 규모의 자사주 매입을 통해 주주에게 $4억을 반환했습니다. HP는 현금 및 현금성 자산을 $29억으로 마감했습니다.
클릭하면 상위 10개 첨가제조·3D 프린팅 주식 목록을 확인할 수 있습니다.
최신 HP Inc. (HPQ) 주식 뉴스 및 개발
재료 과학의 새로운 장
3D 프린팅으로 제조는 새로운 시대에 접어들었으며, 빠른 프로토타이핑, 개발 가속화, 설계 유연성, 비용 절감 및 공급망 개선을 가능하게 합니다.
하이드로겔 주입 및 주입‑침전 전략을 결합함으로써 EPFL 연구진은 더 강한 금속을 생산했으며, 이는 생산 체인에서 재료 정체성을 결정하는 방식을 재정의합니다. 또한 이 기술이 제공하는 유연성은 에너지부터 바이오메디컬 엔지니어링에 이르는 다양한 산업에 변혁을 가져올 잠재력을 가지고 있습니다.
이러한 방법이 성숙하고 규모화·상용화되면, 강도가 만들어지는 것이 아니라 성장되는 새로운 산업 풍경을 열게 될 것입니다.
References:
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2. Strong, V., Hayashi, Y., Ward, J., et al. (2024, August 23). 전기 활성 폴리머 하이드로겔은 피드백 구동 환경에 삽입될 때 emergent memory를 나타냅니다. Cell Reports Physical Science, 5, Article 00436. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.00436
3. Ji, Y., Hong, Y., Bhandari, D. R., & Yee, D. W. (2025, September 24). 낮은 수축률을 가진 하이드로겔 기반 바트 포토폴리머화로 세라믹 및 금속을 반복 주입‑침전으로 제작. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202504951
4. Li, Y., Ma, G., Guo, F., Luo, C., Wu, H., Luo, X., Zhang, M., Wang, C., Jin, Q., & Long, Y. (2024, June 25). 3D 프린팅된 자체 치유, 생분해성 재료 및 그 응용. Frontiers of Mechanical Engineering, 19, Article 17. https://doi.org/10.1007/s11465-024-0787-1
5. Mattingly, F., Kumar, V., Chawla, K., Bras, W., Kunc, V., & Duty, C. (2025, January). 대형 포맷 첨가제조에서 내부 다공성을 감소시키는 진공 보조 압출. Additive Manufacturing, 97, 104612. https://doi.org/10.1016/S2214-8604(24)00658-4
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