과학자들은 3D 프린팅 대신 금속을 재배하여 20배 더 강해졌습니다.

대형 철 자이로이드(1.3 x 1.0cm). 출처: ALCHEMY EPFL CC BY SA

배트 광중합은 빛에 반응하는 액상 수지를 용기에 붓고 레이저나 자외선으로 특정 부위를 응고시켜 원하는 형상을 만드는 3D 프린팅 방식입니다. 하지만 이 방식은 빛에 민감한 폴리머에만 적용되기 때문에 실제 활용에 제한이 있습니다.

일부 연구자들은 이러한 인쇄된 폴리머를 금속이나 세라믹처럼 더 강한 재료로 만드는 기술을 개발했지만, EPFL 공과대학 재료화학 및 제조 연구실을 이끄는 대릴 이는 이러한 접근 방식에 큰 단점이 있다고 지적합니다. "이러한 재료는 다공성이 높아 강도가 크게 떨어지고, 부품이 과도한 수축으로 인해 뒤틀리는 현상이 발생합니다."라고 그는 말합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Yee와 그의 연구팀은 Advanced Materials 에 게재된 논문에서 새로운 접근법을 제시했습니다 . 연구진은 금속 화합물과 이미 혼합된 수지를 경화하는 대신, 먼저 하이드로젤이라고 불리는 간단한 수성 젤을 사용하여 3D 프린팅으로 골격을 제작했습니다. 그런 다음 이 "빈" 구조를 금속염에 담그면 화학적으로 작은 금속 함유 나노입자로 변환되어 젤 전체에 퍼집니다. 이 과정을 여러 번 반복함으로써 금속 함량이 매우 높은 복합재를 제작할 수 있었습니다.

이러한 "성장 사이클"을 5~10회 반복한 후, 남은 하이드로젤은 가열을 통해 제거되고, 원래 인쇄된 젤의 모양과 정확히 일치하는 고밀도 금속 또는 세라믹 물체가 남게 됩니다. 금속염은 인쇄 후에만 첨가되므로, 동일한 하이드로젤 템플릿을 사용하여 다양한 금속, 세라믹 또는 복합 재료를 제작할 수 있습니다.

Yee는 "저희의 연구는 접근 가능하고 저렴한 3D 프린팅 공정을 통해 고품질 금속과 세라믹을 제작할 수 있게 해줄 뿐만 아니라, 3D 프린팅 전이 아닌 후에 재료 선택이 이루어지는 적층 제조의 새로운 패러다임을 보여줍니다."라고 요약했습니다.

고급 3D 아키텍처를 타겟팅

연구팀은 연구를 위해 철, 은, 구리를 사용하여 자이로이드(gyroid)라는 복잡한 수학적 격자 형태를 제작하여, 견고하면서도 복잡한 구조를 만들 수 있는 기술을 입증했습니다. 재료의 강도를 시험하기 위해 만능 시험기(universal testing machine)라는 장치를 사용하여 자이로이드에 점점 더 많은 압력을 가했습니다.

박사과정 학생이자 제1저자인 Yiming Ji는 "우리가 만든 소재는 기존 방법으로 만든 소재보다 20배 더 강한 압력을 견딜 수 있었으며, 수축률은 기존 방식에서 생산된 소재의 60~90%에 비해 20%에 불과했습니다."라고 말했습니다.

과학자들은 이 기술이 센서, 생체 의료 기기, 에너지 변환 및 저장 장치처럼 동시에 강하고 가벼우며 복잡한 첨단 3D 구조 제작에 특히 유용하다고 말합니다. 예를 들어, 금속 촉매는 화학 에너지를 전기로 변환하는 반응을 활성화하는 데 필수적입니다. 다른 응용 분야로는 에너지 기술에 사용되는 첨단 냉각 특성을 가진 고표면적 금속이 있습니다.

앞으로 연구팀은 산업계 도입을 촉진하기 위해 공정 개선에 집중하고 있으며, 특히 소재의 밀도를 더욱 높이는 작업을 진행하고 있습니다. 또 다른 목표는 속도입니다. 반복적인 주입 단계는 더 강한 소재를 생산하는 데 필수적이지만, 폴리머를 금속으로 변환하는 다른 3D 프린팅 기술에 비해 시간이 더 많이 소요됩니다. Yee는 "이미 로봇을 사용하여 이러한 단계를 자동화함으로써 전체 처리 시간을 단축하기 위한 작업을 진행하고 있습니다."라고 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251009033209.htm