나노스케일 3D 프린팅, 상용화 준비 완료 전망

3D 프린팅은 현재 큰 인기를 끌고 있습니다. 적층 제조 공정이라고도 알려진 3차원 또는 3D 프린팅에서는 금형 대신 디지털 모델을 사용하여 물체를 생성합니다. 이 과정에서는 여러 얇은 재료 층을 차례로 쌓아갑니다.

발명가들은 1984년에 이 기술을 개발했지만, 최근 기술 발전으로 인해 실용적인 제조 공정으로 자리 잡으면서 비로소 급격히 확산되기 시작했습니다.

다양한 산업 분야의 제조업체들은 대량 생산에 앞서 빠르게 프로토타입을 제작하기 위해 이 기술을 활용합니다. 프로토타입 제작을 더 빠르고, 쉽고, 저렴하게 함으로써 3D 프린팅은 혁신과 실험을 촉진합니다.

오늘날 3D 프린팅 산업은 지속적인 발전과 연구를 통해 크게 성장했으며, 기술이 더욱 향상되고 있습니다. 3D 프린팅에 대한 관심이 높아지면서 과학자들은 이제 마이크로 및 나노 스케일의 제조 기술을 연구하고 있습니다.

3D 프린팅은 대량 생산에 사용하기엔 속도가 너무 느리지만, 나노스케일 3D 프린팅은 이 문제를 해결할 수 있으며, 곧 실용화될 가능성이 높습니다.

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나노스케일 3D 프린팅 및 그 잠재력

3D 프린팅 기술이 도입된 이래로 제조 생산성이 향상되었습니다. 이러한 향상은 전통적인 제조 방식의 구조적·공간적 제약을 없애 디자인 자유도를 크게 높였기 때문입니다. 또한 재료 효율성이 뛰어나 폐기물을 거의 발생시키지 않거나 전혀 발생시키지 않는 제조가 가능하다는 점이 주목됩니다. 3D 프린팅은 소규모 제조업체의 비용 절감과 시장 출시 시간 단축에도 중요한 역할을 합니다.

하지만 3D 프린팅의 대부분 응용은 센티미터 규모에 국한됩니다. 이보다 큰 규모에서는 기계적·재료적 한계가 있어 주로 연구용으로만 사용됩니다. 따라서 3D 프린팅을 대량 제조 규모로 확대하고 단순 프로토타입을 넘어선 발전을 이루려면 크기, 재료, 비용과 관련된 여러 과제를 해결해야 합니다.

이러한 이유로 많은 연구자들이 다양한 크기의 여러 재료를 동시에 활용하고 있으며, 이는 나노스케일 3D 프린팅에 주목하게 만들고 있습니다. 나노기술은 100나노미터 이하의 크기를 다루며, 눈으로는 볼 수 없을 정도로 미세합니다.

나노스케일 3D 프린팅 분야에서는 나노미터 단위의 물체를 3D 프린팅하는 것이 목표입니다. 이 기술은 적층 제조의 획기적인 도약으로, 원자 단위로 물체를 조립할 수 있게 합니다.

나노스케일 기술의 잠재력은 배터리, 나노로보틱스, 마이크로 전자, 의료 기기, 반도체, 센서 기술 등 다양한 산업에서 효율성과 생산성을 향상시키는 데까지 확장됩니다. 이러한 분야는 정확성을 유지하면서도 나노스케일 제작의 정밀성으로 큰 이점을 얻을 수 있습니다.

하지만 나노스케일을 포함한 3D 프린팅 과정은 여전히 속도가 느립니다. 특히 나노스케일 프린팅에서는 사용할 수 있는 재료 종류에도 제한이 있습니다.

2022년 연구진은 힘에 대한 저항성이 뛰어나고 보호 기능을 제공하며 동일한 밀도에서 다른 재료보다 두 배의 에너지를 흡수할 수 있는 소재를 이용한 새로운 나노스케일 3D 프린팅 방법을 개발했습니다. 이 혁신은 드론, 위성, 마이크로 전자 등 다양한 분야에 수많은 응용 가능성을 열어줍니다.

3D 프린팅 기술을 도입하는 또 다른 큰 과제는 비용입니다. 사용되는 재료는 비싸며, 특정 사양의 제품을 생산할 수 있는 능력에 의존하는 3D 프린팅 기계 자체도 고가입니다.

게다가 소프트웨어, 기술 유지보수 및 시스템 통합 비용도 이 기술의 전체 비용을 더욱 증가시킵니다. 이러한 높은 비용 때문에 3D 프린팅은 소규모 및 고도로 특화된 생산에 더 적합합니다.

이 분야의 연구는 다양한 문제를 해결하기 위해 오랫동안 진행되어 왔습니다. 예를 들어, 몇 년 전 연구팀이 시연한 바와 같이 복잡한 나노스케일 3D 물체를 빠르게 매끄러운 형태로 제작하는 3D 프린팅 기술이 있습니다.

하지만 많은 장치를 발전시킬 잠재력에도 불구하고, 나노스케일 3D 프린팅은 여전히 비용이 매우 높아 접근이 어려운 상황입니다. 이제 새로운 연구가 비용과 진입 장벽을 크게 낮추는 방식을 찾아 상용화가 가능해질 것으로 보입니다.

빛을 이용한 작은 금속 구조물의 빠르고 저렴한 프린팅 방법

는 최신 연구는 저강도 빛을 기반으로 한 나노 크기의 금속 구조물을 프린팅하는 새로운 방식을 개발했습니다. 이 새로운 빛 기반 접근법은 현재 사용되는 방법보다 최대 480배 빠르면서도 저렴합니다.

이 새로운 연구는 ‘초발광 광 투사(SLP)를 통한 금속 나노구조물의 확장 가능한 프린팅’이라는 제목으로 최근 조합 저자인 조지아텍 기계공학 프로그램의 조교수인 소라브 K. 사하와 사하 연구실의 박사과정 학생인 정호 최가 수행했습니다.

사하에 따르면, 비용과 속도는 작은 구조물의 제작 및 제조 작업에서 ‘과학계에서 크게 과소평가되고 있는’ 두 가지 요소입니다. 과학계에서는 간과되지만, 이러한 지표는 실세계에서 ‘연구실의 발견을 산업으로 전환할 때’ 매우 중요합니다.

“이러한 지표를 고려한 제조 기술이 있을 때만 우리는 나노기술을 사회적 이익을 위해 완전히 활용할 수 있습니다.”

– 사하 교수

정호 최와 사하는 또한 SLP 특허 출원에 발명가이며, 해당 지적 재산권은 조지아텍 연구법인(Georgia Tech Research Corporation)에 귀속됩니다.

주간 피어 리뷰 과학 저널인 Advanced Materials에 게재된 이번 연구는 연구진이 나노스케일 금속 구조물을 더 빠르고, 저렴하며, 확장 가능한 빛 기반 방식으로 프린팅하는 방법을 개발했음을 밝혔습니다.

따라서 이 기술은 비용이 많이 들고 속도가 느린 적층 제조 분야를 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다. 이번 돌파구는 현재 시장에 나와 있는 기술보다 35배 저렴합니다.

실제로 나노 크기의 금속 구조물을 프린팅할 수 있는 능력에 의존하는 여러 분야에서 많은 기술적 진보가 이루어지고 있습니다. 이 기술은 나노패터닝이라고도 불리며, 센서, 전자 장치, 광학, 태양에너지 변환, 바이오메디컬 및 진단, 기타 시스템 등에 적용됩니다.

나노스케일 프린팅에서는 고강도 광원이 필요하다고 여겨집니다. 이러한 도구 중 하나가 펨토초 레이저로, 초단파 레이저 펄스를 초점에 전달합니다.

실제로 유용하지만, 이 도구는 매우 비쌉니다. 비용이 최대 50만 달러에 달하기 때문에 대부분의 연구실이나 소규모 기업에서는 현실적으로 사용하기 어렵습니다.

사하가 지적했듯이, 바로 이 비용 때문에 이러한 돌파구가 실제 세계에 적용되기 어렵고, 결국 실험실 프로젝트에 머무르게 됩니다. 그는 이렇게 말했습니다:

“과학 공동체로서 우리는 이러한 나노재료를 충분히 빠르고 저렴하게 생산할 능력이 없으며, 그래서 유망한 기술이 종종 실험실에 머물고 실제 응용으로 전환되지 못합니다.”

그렇다면 다음 당연한 질문은, 정말 고강도 도구가 필요한가 하는 것입니다. 사하에 따르면 답은 부정적이었습니다:

“우리의 가설은 우리가 원하는 유형의 프린팅을 위해 그와 같은 광원이 필요하지 않다는 것이었습니다.”

그 결과, 연구진은 저강도이지만 펨토초 레이저처럼 초점을 맞출 수 있는 저비용 광원을 찾기 시작했습니다. 그리고 상업적으로 쉽게 구할 수 있는 초발광 발광 다이오드(SLED)를 발견했습니다.

SLED는 초발광 기반의 에지 방출 반도체 광원으로, 레이저 다이오드의 밝기와 높은 출력을 기존 LED의 낮은 코히런스와 결합한 형태입니다. SLED가 방출하는 빛은 펨토초 레이저보다 현저히 낮은 강도를 가집니다.

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저강도 빛 기반 투사형 나노 크기 프린팅

이 연구를 통해 정호 최와 사하는 최초의 투사형 프린팅 기술을 개발하고자 했습니다. 이 시스템은 디지털 이미지를 광학 이미지로 변환한 뒤 유리 표면에 투사하는 디지털 프로젝터와 같은 방식으로 작동하도록 설계되었습니다.

하지만 이 프린팅 기술이 만든 이미지는 더욱 선명하게 초점을 맞춥니다. 이러한 선명도는 초발광 빛의 고유한 특성을 활용해 결함을 최소화한 이미지 생성 덕분입니다.

이 SLP, 즉 초발광 광 투사 기술은 낮은 강도의 빛으로 회절 한계보다 작은 차원의 서브-디퓨전 나노구조물을 빠르게 프린팅합니다. 연구진은 다이오드 기반 초발광 빛의 공간 및 시간 코히런스 특성을 활용했습니다.

연구를 위해 이들은 금속 염과 기타 화학 물질을 이용해 빛을 흡수할 수 있는 투명 잉크 용액을 개발했습니다. 투사 시스템의 빛이 용액에 닿으면 화학 반응이 일어나 용액이 금속으로 변환됩니다. 이 금속 나노입자는 유리 표면에 부착되어 나노구조물을 형성합니다.

투사형 프린팅 기술이라는 점은 전체 구조를 한 번에 프린팅할 수 있다는 의미입니다. 점진적으로 진행하는 대신 한 번에 전체를 처리하기 때문에 기존 방식보다 더 빠릅니다.

저강도 빛을 사용해도 이미지가 선명하게 초점이 맞춰진다면, 빛 기반 투사형 나노 크기 금속 프린팅이 작동함을 확인했습니다.

정호 최와 사하에 따르면, 그들의 연구는 상용화된 하드웨어를 사용해 다른 연구자들이 빠르게 재현할 수 있습니다. 또한 사용된 SLED 종류가 약 3천 달러에 불과해 비용 부담도 크지 않습니다.

이러한 방식으로 연구는 소규모 기업, 연구소, 심지어 개인도 이 기술을 활용해 혁신을 위한 실험을 할 수 있게 합니다. 정호 최에 따르면:

“현재는 상위 대학들만이 이러한 고가 기술에 접근할 수 있으며, 그조차도 공유 시설에 위치해 있어 항상 이용 가능한 것은 아닙니다.”

또한, 정호 최는 이렇게 말했습니다:

“우리는 나노스케일 3D 프린팅 능력을 민주화하고 싶으며, 우리의 연구가 저비용으로 이 프로세스에 더 많이 접근할 수 있는 길을 열기를 바랍니다.”

이 돌파구는 새로운 기술이 연구실을 벗어나 실제 세계에서 활용될 수 있는 실질적인 잠재력을 가지고 있습니다.

연구진은 이 기술이 복잡한 금속 나노구조물을 필요로 하는 광학 및 플라스몬ics 분야에서 특히 유용할 것이라고 밝혀, 광범위한 응용 가능성을 가지고 있다고 말했습니다.

향후 활용될 수 있는 다른 잠재 분야로는 스마트폰, 컴퓨터, 웨어러블을 위한 더 작고 효율적인 전자 부품이 있습니다. 또한 고급 센서, 액추에이터, 소형 통신 시스템, 임플란트 및 진단 장치와 같은 바이오메디컬 기기, 카메라 및 이미징 시스템을 위한 소형 광학, 에너지 수집용 초소형 장치, 맞춤형 특성을 가진 신소재 개발 등이 포함됩니다.

나노스케일 3D 프린팅은 연구를 촉진하고 더욱 실현 가능한 솔루션을 도출하는 데 기여할 것입니다.

적층 제조를 선도하는 기업들

이제 적층 제조 분야를 선도하고 있는 몇몇 기업을 살펴보겠습니다:

#1. Stratasys

미국에 본사를 둔 3D 프린팅 솔루션 제공업체인 Stratasys는 적층 제조 산업에서 국제적인 리더입니다. Stratasys는 자동차, 의료, 교육, 항공우주 및 기타 다양한 산업에 3D 프린터와 재료를 공급합니다. 또한 모델, 프로토타입, 제조 도구 및 생산 부품을 만드는 데 사용되는 다수의 적층 기술 특허를 보유하고 있습니다.

이 회사의 최신 3D 프린터인 F3300은 속도와 비용 면에서 크게 개선되었습니다. 가니트 속도 증가, 압출 속도 가속, 자동 보정을 제공해 시간 절감과 생산량 향상을 가능하게 합니다. 이 기계는 최종 부품 생산용이며 프로토타이핑에도 사용할 수 있습니다.

시가총액 9억 260만 달러인 Stratasys 주식은 현재 주당 13.05달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 8.61% 하락했습니다. 회사는 최근 12개월(TTM) 매출 6억 3,052만 달러를 기록했으며, EPS(TTM)는 -1.61, P/E(TTM)는 -8.10입니다.

#2. 3D Systems

적층 제조 산업에서 잘 알려진 3D Systems는 하드웨어·소프트웨어·재료부터 의료, 항공우주, 방위, 자동차, 소비재, 일반 제조 등 다양한 산업에 이르는 폭넓은 3D 프린팅 솔루션을 제공합니다.

3D Systems의 기술에는 Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, Stereolithography(SLA) 및 SLA 기반 바이오프린팅이 포함됩니다.

지난해 말, 이 회사는 바젤 대학병원에서 두개골 재건술에 성공적으로 사용된 환자 맞춤형 3D 프린팅 두개골 임플란트를 발표했습니다. 3D 프린팅 두개골 임플란트의 시장 규모는 이번 10년 말까지 21억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

시가총액 6억 7,784만 5천 달러인 3D Systems (DDD ) Corp 주식은 현재 주당 5.08달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 20% 하락했습니다. 회사는 최근 12개월( TT M) 매출 5억 5,95만 달러를 기록했으며, EPS(TTM)는 -0.74, P/E(TTM)는 -6.85입니다.

#3. GE Additive

기술 대기업 General Electric의 부문인 GE Additive는 다양한 시장 부문에서 기업이 혁신할 수 있도록 프린터, 소모성 재료 및 소프트웨어 솔루션을 포괄적으로 제공하고 있습니다.

지난달, 이 회사는 유럽 최대의 적층 제조(AM) 전시회에서 금속 바인더 젯 기술을 선보였습니다. 이를 위해 GE Additive는 항공우주를 넘어 새로운 분야인 의료와 협력하고 있습니다. 바인더 젯을 통해 공급망 문제가 발생했을 때 ‘보조 제조 방법’을 제공하고자 합니다.

시가총액 1,414억 달러인 General Electric (GE.TO ) Co 주식은 현재 주당 129.93달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 1.8% 상승했습니다. 회사는 최근 12개월( TT M) 매출 679.5억 달러를 기록했으며, EPS(TTM)는 8, P/E(TTM)는 16.24입니다. GE는 또한 0.25%의 배당 수익률을 제공합니다.

마무리 생각

연구 초기 단계에 머물고 있지만, 나노스케일 2D 프린팅과 적층 제조 분야는 빠르게 발전하고 있습니다. 이미 보듯이, 더 빠르고 저렴한 프린팅 기술이 개발되어 나노스케일 금속 프린팅을 확장 가능하고 상업적으로 실현 가능하게 만들고 있습니다.

비용 및 재료 제한과 같은 문제를 해결하기 위한 새로운 연구가 지속됨에 따라, 진입 장벽을 낮추고 맞춤형·지속 가능한 제품 디자인을 구현하는 새로운 솔루션이 등장할 것입니다. 이는 의료, 패션, 소비재, 첨단 전자 등 다양한 분야에서 기술의 광범위한 활용을 촉진하여, 나노 기반 장치가 실제 세계에서 크게 사용될 가능성을 높이고 3D 프린팅을 시장성 있게 만들 것입니다.

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