실리콘 3D 프린팅: 기술적 난제, 최신 공법, 그리고 응용 분야

실리콘은 수요 부족이 아닌, 3D 프린팅에 이상적인 물성을 지녔음에도 불구하고 기술적 난제로 인해 뒤늦게 발전하고 있습니다. 실리콘의 높은 점도가 3D 프린팅 공정에 직접적인 영향을 미쳐 실리콘 3D 프린팅이 지연되어 왔습니다.

핵심 질문은 여전히 남아 있습니다: 실리콘으로 3D 프린팅이 가능할까요? 함께 알아봅시다.

고체화 공정 후 실리콘 출력물은 엘라스토머(탄성체) 특성상 열가소성 수지처럼 다시 액체 상태로 되돌릴 수 없습니다.

엘라스토머는 점성과 탄성이 높은 폴리머로, 쉽게 말해 고무입니다. 고무의 핵심 특성은 늘려도 놓으면 원래 형태로 복원된다는 점입니다. 합성 고무인 실리콘도 이러한 매력적인 특성을 다수 보유하고 있습니다.

실리콘 소재 출력 기술

그동안 실리콘 필라멘트 출력은 불가능했습니다. 실리콘은 우수한 열 안정성과 생체 적합성으로 적층 제조 분야에서 갈망하던 소재입니다. 실리콘 3D 프린팅의 유연성과 가능성은 의료 분야 등에서 무한한 가능성을 열어줍니다.

기존 열가소성 수지와 달리 순수 실리콘은 3D 프린터 방식으로 녹여서 다시 굳히는 것이 불가능합니다. 실리콘 소재 생산은 사출 성형 등 전통적 제조 공정으로만 가능했습니다.

이 공정은 고가 금형이 필요해 실리콘 프로토타입과 바이오 모델 제작 비용이 매우 높습니다.

실리콘의 높은 탄성 때문에 사출 성형 외의 타 공정 접목이 어려워 소량 생산 시 비용 부담이 큽니다.

여러 기업이 실리콘을 3D 프린팅에 접목하는 새로운 시스템을 개발 중입니다. 헤드 증착 방식을 쓰거나, 광중합 방식으로 사출 성형급 품질의 부품을 생산하는 기술도 등장했습니다.

액상 실리콘의 높은 점도는 다른 폴리머와 달라 생산 속도를 늦추는 요인이었습니다. 3D 프린터가 도달하기 어려운 온도에서 고화되기 때문입니다.

3D 프린팅 기술의 발전과 실리콘 부품 수요 증가가 실리콘 3D 프린팅 개발을 가속화하고 있습니다.

실리콘 부품의 물성

실리콘(실리콘 우레탄 포함)은 섬유 산업부터 자동차, 우주 항공 조립체, 의료용 생체 적합 소재, 소프트 로보틱스까지 까다로운 산업 분야에서 폭넓게 쓰이는 소재입니다.

고성능 물성 덕분에 실리콘은 물리적·화학적으로 탁월한 특성을 지닙니다.

실리콘의 주요 물성은 다음과 같습니다.

조절 가능한 탁월한 열 안정성
내수성 및 증기 배제성
압축 및 전단 저항으로 밀폐 씰 형성에 적합
수중에서도 전기 절연성 유지
생체 적합성으로 식품 안전성 확보
색상 및 투명도 조절 가능으로 광학 분야에 적합
자외선 및 산화 저항성
난연성
멸균 가능
다양한 경도(쇼어 경도) 선택 가능

이러한 특성 덕분에 실리콘은 에너지, 식품 생산, 자동차, 소비재, 전자, 농업 등 다방면에서 역동적으로 활용됩니다.

적층 제조(Additive Manufacturing)란?

적층 제조는 3D 프린팅의 또 다른 명칭입니다. 실리콘 금형이나 공구 없이 디지털 정보를 기반으로 소재를 층층이 쌓아 3차원 물체를 만드는 방식입니다.

기술마다 층을 쌓는 방식은 다양하지만, 최종 물체를 만든다는 원리는 동일합니다.

실리콘 3D 프린팅 원리: 실리콘을 3D 프린팅할 수 있을까?

실리콘이 3D 프린팅에서 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.

1. 증착(Deposition)

일반 3D 프린터는 프린트 헤드로 2D 형상을 층층이 증착합니다. 실리콘은 액상 형태로 공급되기 어렵지만, 증착 원리는 동일하게 적용됩니다.

프린터는 프린트 헤드로 실리콘 방울을 개별적으로 증착한 후 이를 융합해 매끄러운 표면을 만듭니다.

2. 경화 및 가황(Curing and Vulcanizing)

미경화 상태의 실리콘 고무는 액상 또는 젤 형태로, 3D 프린팅 공정 중 몰드 이형 스프레이 등에 용이합니다. 경화는 출력된 실리콘 고무의 사슬 간 가교 결합이 층층이 진행되는 화학적 공정입니다.

광중합 공정에서는 경화 단계가 증착 단계를 실질적으로 대체합니다. 각 층마다 UV 광을 조사해 2D 형상을 생성합니다.

3. 후처리(Post-processing)

가황을 통해 출력된 실리콘 부품이 다음 층을 견딜 만큼 굳지만, 전체 구조 강도가 확보되는 것은 아닙니다.

출력 후 오븐에서 열처리해 화학 반응을 촉진하고 불순물을 제거합니다. 서포트 소재 제거를 위한 세척 공정도 필요할 수 있습니다.

액상 적층 제조(Liquid Additive Manufacturing, LAM)

적층 제조의 확장으로, 실리콘 같은 고점도 소재를 빌드 플랫폼에 증착해 원하는 형상을 만들고 가열해 완전히 경화시키는 방식입니다. 기능성 액체를 활용해 3D 프린팅을 최적화하는 LAM의 기회가 열리고 있습니다.

이 소재들은 주로 투명성과 유연성을 가지며 출력 과정에서 결합할 수 있습니다. 실리콘 적층 제조는 출력 완료 후 강도를 보장합니다.

기능성 액체를 실온에서 층층이 증착한 뒤 UV 광으로 경화하고 듀오미터로 가교 결합시킵니다.

LAM은 FDM(압출 적층 방식) 및 재료 분사 방식 등 기존 3D 프린팅 기술의 대안이 됩니다. LAM 부품과 출력물은 고성능으로 자동차 및 전자 분야의 내화·절연 구조물에 적합합니다.

LAM은 고속 공정이 가능하며 왜곡 없는 출력물과 무한한 설계 자유도를 제공합니다. 이 방식은 프로토타입과 소량 생산에 혁신적이고 적합해 산업 현장에서의 활용도를 높이고 있습니다.

적층 제조의 장점

저렴한 진입 비용

제조 업계의 설비 비용은 기업들의 진입 장벽입니다. 하지만 적층 제조 장비는 중소기업도 감당 가능한 수준입니다. 기술 혁신으로 진입 비용은 더욱 낮아질 것이며, 소량 생산 업체의 수익성과 수익 창출을 돕습니다.
자유로운 최종 제품 설계

적층 제조는 단순히 출력물을 얻는 것을 넘어 설계와 혁신의 정점입니다. 크리에이터는 시간과 비용 제약 없이 자유롭게 설계할 수 있습니다. 기존 방식에서는 설계 변경 시 비용과 시간이 급증했지만, 적층 제조로는 단일 설계의 여러 버전을 비용 효율적으로 제작할 수 있습니다.
전 수준 교육 프로그램 지원

장비 확보는 첫걸음일 뿐, 장비를 효율적으로 운용할 인력 양성이 중요합니다. 다양한 수준의 설계자·제조자 교육 프로그램이 마련되어 있습니다. 기초 교육은 기술 경력자 대상, 기술 교육은 의사결정권자 대상, 고급 교육은 후공정과 소재 관리를 다룹니다.
생산 폐기물 대폭 감소

적층 제조 원리는 기존 제조 방식과 근본적으로 다릅니다. 기존 방식은 의도한 제품보다 큰 블록에서 소재를 깎아내는데, 깎여 나온 부스러기는 폐기됩니다. 적층 제조는 필요한 만큼만 층층이 쌓아 소재 비용을 최대 90% 절감합니다.
에너지 절약

적층 제조는 소재 사용량 감소와 공정 단계 단축으로 에너지 사용을 크게 줄입니다. 적층 제조로 수명 다한 부품을 재제조하면 새 부품 제작 에너지의 2~25%만으로도 복원이 가능합니다.

3D 프린팅 실리콘의 한계와 과제

하드웨어 및 소재 접근성 제한

실리콘 3D 프린팅의 주된 한계는 접근성입니다. 정식 실리콘 3D 프린팅 서비스를 제공하는 업체가 소수라 비용이 높고 소재 선택 폭이 좁습니다.
구조적 한계

3D 프린팅 기업들이 늘어나고 있지만 생산 소재가 여전히 적층 친화적이지 않습니다. 구조적 실리콘 3D 프린터는 헤드가 하나라 단순 형상만 출력 가능합니다. 광경화 방식(SLA 등) 프린터는 이 문제를 피하지만 여전히 UV 경화 수지를 씁니다. 최고 사양 실리콘 3D 프린터도 빌드 영역이 작아 서포트 구조 출력이 어렵습니다.
경화제 의존성

순수 실리콘을 3D 프린팅하는 기업은 거의 없습니다. 대부분 UV 경화제를 첨가하는데, 이는 소재 물성을 약화시키고 완제품 품질을 저하시킵니다. 다만 실리콘 몰딩 후에도 양호한 물성을 유지해 폭넓은 응용이 가능합니다.