범용 폴리머인 ABS, 나일론이 현재 3D 프린팅 소재 시장을 장악하고 있지만, 가혹한 환경과 고온을 견디는 강하고 기능적인 소재에 대한 수요가 늘고 있습니다.
이들 소재를 고성능 폴리머(high-performance polymers)라 부르며, 항공우주, 의료 등 산업의 3D 프린팅 사용자들이 점점 더 찾고 있습니다. 현재 3D 프린팅용 주요 고성능 폴리머는 폴리아릴에테르케톤(PAEK) 계열 열가소수지로, 고온 안정성과 우수한 기계적 강도를 제공합니다. 이런 소재를 개발하는 회사는 소수이며, 그 중 하나가 코네티컷 소재 옥스퍼드 퍼포먼스 머티리얼즈(OPM)입니다. OPM은 PAEK 계열 중 PEKK 소재에 집중해 독자 기술과 장비를 개발했습니다. OPM과 그 제품에 대해 더 알아보기 위해 CEO 스콧 디펠리스와 이야기했습니다. PEKK 3D 프린팅 주요 응용 분야와 3D 프린팅 소재 시장을 형성하는 트렌드와 과제를 논의했습니다.
옥스퍼드 퍼포먼스 머티리얼즈는 2000년 설립됐습니다. 우리는 고성능 열가소성 소재 회사입니다. 폴리 에테르 케톤 케톤(PEKK)이라는 한 가지 폴리머에 모든 시간을 쏟아왔습니다. 2000년부터 이 소재를 중심으로 기술을 개발해왔습니다.
PEKK는 열가소수지 세계에서 최상위 식량 사슬에 있습니다. 탁월한 열적, 화학적, 기계적 특성과 생체 적합성 덕분에 슈퍼 고성능 폴리머입니다.
오늘날 우리는 PEKK 합성법부터 가공법, 3D 프린팅용 파우더 제조법, 프린팅 공정까지 아우르는 광범위한 지적재산권과 특허 포트폴리오를 보유합니다. 3D 프린팅 활동은 약 10년 전 PEKK로 3D 프린팅하는 선택적 레이저 용융 공정 개발로 시작했습니다. 2006년경 의료 분야 첫 상용 3D 프린팅 장치를 출시했습니다. 그게 3D 프린팅 개발의 시작이었습니다. 2008년 FDA가 첫 장치인 환자 맞춤형 두개골 임플란트를 승인했고, 짐머 바이오메트(Zimmer Biomet)가 전 세계에 유통합니다. 매일 두개골 및 안면 임플란트를 생산 중입니다. 3년 전부터 척추 임플란트로 확장했고, RTI 서지컬(RTI Surgical)과 파트너십으로 판매 중입니다. 현재까지 7만 개 이상 척추 임플란트 출하했습니다. 최근엔 스포츠 의학용 봉합사 앵커(suture anchors)로 또 다른 FDA 승인을 받았습니다. 연부 조직을 뼈에 재부착하는 수술용입니다. 동시에 우주·방위 용도로 기술 검증을 마치고 보잉(Boeing), 노스롭 그루먼(Northrop Grumman) 등 인증을 받았습니다. 이후 그 사업을 전략적 파트너인 헥셀(Hexcel)에 매각했는데, 이들은 대규모 지원이 가능합니다. OPM은 시제품에서 양산 부품으로 넘어온 게 아니라, 첨단 소재 회사로서 우리 소재가 흥미로운 기술적 이유로 적층 제조에 매우 적합함을 발견하고 접근했습니다. 이제 그 사업들에 수직 통합돼 소재와 기술 플랫폼을 계속 활용 중입니다.
3D 프린팅은 공정이고, 그 공정을 독특하고 가능하게 만드는 건 함께 쓰는 소재입니다. 늘 말하듯 사과를 프린팅할 수는 있지만, 그럼 먹어야 합니다. 최종 시장과 최종 용도에 필요한 기능성을 가진 소재로 프린팅해야 합니다. 금속 AM이 특정 최종 시장에서 유용한 기능적 특성 덕분에 인기를 끌었듯, 이 트렌드는 계속될 겁니다. 폴리머, 금속 등 소재들은 최종 용도 시장에서 더 큰 기능성을 허용하는 방향으로 계속 진화할 겁니다. 비용 측면에서 늘 '소재가 너무 비싸다'는 얘기가 나옵니다. 하지만 더 높은 성능의 최종 시장과 더 유능한 소재로 갈수록 소재 비용 자체는 덜 중요해집니다. 예컨대 우리는 정형외과 임플란트를 팔고, 두개골 임플란트 하나가 병원에서 1만 달러에 팔릴 수 있습니다. 그런데 우리 원가에서 소재 비용은 꽤 작은 비중입니다. 나머지는 고도로 규제된 시장(생물의학, 우주·방위, 반도체 등)에 팔기 위해 갖춰야 할 품질, 규제, 제조 시스템 비용입니다. 산업이 시제품 생산에서 최종 사용 제품으로 진화할수록 소재 성능이 핵심이고 소재 비용 비중은 덜한 동인이 됩니다.
OXFAB® ESD 보잉 CST 100 스타라이너 공기 재생 시스템용 복합 구조 부품 [이미지 출처: OPM]
우린 당연히 의료와 항공우주에서 시작했습니다. 우리 비즈니스가 오랫동안 그 시장을 지원해왔으니까요. 하지만 이제 고개를 들어 다른 분야를 살핍니다. 최종 시장은 우리 소재 성능에 매우 특화돼 있습니다. 우리 PEKK 소재는 산성과 염기성 환경을 좋아하니까 그런 환경으로 갑니다. 예컨대 탄소 포집(carbon capture) 분야를 면밀히 주시 중입니다. 탄소 포집 기술은 현재 작동하지만 플랜트 자본 비용이 너무 비쌉니다. 그 영역을 보니 우리 소재와 3D 프린팅으로 기회가 많습니다. 곧 미국 주요 정부 연구소와 협업을 발표할 예정입니다. 제약 공정과 바이오프로세스 분야도 우리 폴리머의 적합한 속성으로 공정 효율을 높이고 자본 비용을 줄일 수 있어 주목합니다. 코로나19 상황으로 이런 공정 규모 확대 필요성이 커졌고, 복잡한 구조와 고순도 화학이 필요한 공간에서 우리 소재가 활약할 수 있습니다. 폴리케톤 계열 폴리머가 매우 흥미로운 일을 합니다. 우리는 3D 프린팅 부품 성능을 이해하는 데 수천만 달러를 썼습니다. 그래서 우리 부품이 유인 우주선에 쓰이고, 수천 개가 인체 내에 있습니다. 이 구조물이 실제에서 뭘 하는지 매우 진지하게 받아들이는 사람들을 안심시킬 만큼 철저히 특성화했으니까요.
크게 두 단계입니다. 소재와 공정을 개발할 때 내부 평가를 거치는데, 수년간 개발한 분석 방법부터 통상적인 기계적, 열적, 전기적 스크리닝 테스트를 개발 단계에서 수행합니다. 기준선을 잡고 '재현 가능하고 이해된다'면 1루에 도달한 겁니다. 홈까지 가려면 모든 산업에서, 프린팅이든 몰딩이든 머시닝이든 각자 성능을 이해하는 알려진 방식이 있습니다. ASTM, ISO, 기업별, 정부 표준 등이죠. 항공우주 사례가 좋은 예입니다. 안정적이고 반복 가능한 공정을 확보한 뒤 MIL-17 표준에 따른 통계적 성능 평가, 즉 B-베이시스(B-Basis)를 수행해야 했습니다. 그 프로그램만 수년에 수백만 달러가 들었습니다. NASA, 노스롭 그루먼과 협업해 꽤 철저한 산업별 평가를 했습니다. 생물의학의 경우 척추 임플란트라면 ISO 10993 시리즈 테스트로 생체 적합성과 순도를 철저히 검증합니다. '프린팅된 소재가 순수하고 생체 적합하며 독성이 없다'는 걸 확인한 뒤 척추 임플란트용 기계적 테스트인 ASTM F2077 표준 시리즈를 거칩니다. 그걸 통과하면 FDA에 제출할 데이터가 갖춰집니다. 그래서 내부 테스트로 먼저 자신감을 가져야 합니다. 외부 테스트 비용이 엄청나니까, 통과 확신 없인 안 하죠. 우리 소재군처럼 기술적 소재라면 모든 최종 시장에서 그렇습니다. 기술적 소재가 아닌 경우 표준이 낮은 건 최종 용도 채택 리스크가 낮기 때문입니다.
30년 전으로 거슬러 올라가면 폴리머가 금속을 꾸준히 대체해온 걸 봅니다. 1970년대 자동차는 지금보다 두 배 무거웠고 거의 다 금속이었습니다. 진공청소기도 금속이었죠. 지금은 무게가 일부분에 불과하고 대부분 플라스틱입니다. 폴리머가 비용, 무게, 부식 문제로 금속을 대체하는 메가트렌드는 잘 확립돼 있습니다. 3D 프린팅은 금속을 대체할 또 다른 공정일 뿐이고, 이유도 같습니다. 비용 절감, 경량화, 장치 효율 향상을 위해 금속 대체 기회를 계속 찾습니다. 좋은 예가 척추 케이지, 척추 유합 장치입니다. 만성 통증으로 척추를 고정하는 장치인데, 역사적으로 머시닝 티타늄으로 만들던 걸 이제 PEKK로 프린팅합니다.
또 다른 예는 두개골 임플란트입니다. 3D 프린팅 티타늄으로 만들던 걸 이제 3D 프린팅 PEKK로 만듭니다. 탄소 포집 분야에서 우리가 지금 보는 게 바로 그겁니다: 비싼 머시닝 스테인리스나 티타늄을 3D 프린팅 PEKK로 대체하는 것. 금속에서 폴리머로 전환하는 아이디어는 꽤 오래된 산업 메가트렌드이고, 최근 몇 년간 가속화됐으며 3D 프린팅이 그 큰 이야기의 일부가 됐습니다. 오일&가스, 운송 등 분야에서 산업 파트너들과 초기 개발 프로젝트도 진행 중입니다.
[이미지 출처: OPM] [/caption]금속 쪽에선 금속 AM을 더 알려지고 예측 가능한 미세조직(morphology)으로 이끌려는 시도가 보입니다. 너무 기술적으로 들어가진 않겠지만, 3D 프린팅 금속은 순수, 단조, 주조 금속과 도덕적 등가물이 아닙니다. 다른 짐승입니다. 업계 초기에 그 혼란이 컸습니다. 시간이 지나며 다른 동물임을 깨달았고, 이제 금속 AM을 더 컨벤셔널하게 만드는 소재·공정 기술로 나아가고 있습니다. 이게 금속 AM을 크게 발전시킬 겁니다. 폴리머 쪽에선 이제 폴리머 AM으로 최종 시장을 서비스하려는 경향이 뚜렷합니다. 주도 소재는 나일론 11과 나일론 12입니다. 이들은 기술적 소재로 폴리머 피라미드 중간에 있지만 최종 용도가 제한적입니다. 열적, 기계적으로 특별히 강건하지 않습니다. 이제 피라미드 위로 올라가려는 시도가 시작됐습니다. BASF 같은 회사가 나일론 6를 내놓으며 성능을 좀 더 사고 있습니다. OPM의 PEKK와 피라미드 중간의 소재 사이를 채우는 더 많은 소재가 계속 등장할 겁니다.
근본적 질문입니다. 수년 전 3D 프린팅을 볼 때 우리가 본 것 중 하나는 '우리 폴리머가 3D 프린팅될 기본 속성을 가졌나?'였습니다. 이 질문은 3D 프린팅이 제로 프레셔 통합(zero pressure consolidation) 공정이란 인식으로 귀결됩니다. 폴리머를 몰딩할 땐 금형에 넣고 압착해 통합해 예측 가능한 성능과 좋은 기계적 특성을 얻습니다. 3D 프린팅엔 그런 미덕이 없습니다. FDM처럼 필라멘트가 녹아 층층이 쌓이는 저압/제로 프레셔 통합 공정에선 최대 10% 공극(voids)이 생깁니다. 제 세계에서 공극은 나쁩니다. 부품이 견고하지 않단 뜻이죠. 시제품으론 좋지만 매달리진 못합니다. 우리 같은 파우더 베드 공정에선 레이저가 파우더 층을 위로 녹여 쌓지만 압력이 없습니다. 이런 환경에서 반복 가능한 성능을 내려면 스스로 잘 달라붙는 폴리머가 필요합니다. 폴리머가 결합을 잘 못 하면 Z방향 성능이 나빠집니다. PEKK는 스스로 잘 달라붙는 친화력이 있어 독특합니다. 폴리머 세계에서 꽤 드문 일입니다. 질문에 답하면, 발목을 잡은 건 근본적으로 새로운 화학(chemistry) 개발이었습니다. 대형 화학 회사에 '스스로 달라붙는 능력에 특화된 폴리머 개발해줄래?' 하면 웃을 겁니다. 수십억 달러와 수년이 드는 신규 폴리머 개발이니까요. 폴리머 컨설턴트에게 '지난 20년 동안 진짜 새로운 화학이 몇 개 개발됐나?' 물으면 한 손으로 꼽을 겁니다. 투자가 너무 크니까 기업 미국도 그런 식욕이 별로 없습니다. 그래서 큰 과제이고, 당분간 그런 일은 별로 없을 겁니다.
참신한 새 화학 기반의 새로운 소재 플랫폼? 일어날 것 같지 않습니다. 매우 먼 얘기입니다. 공정 기술은 발전하고 기존 소재 세트를 독특한 필러, 상용화제, 사이징 화학으로 수정해 개선하는 쪽이 재미있어질 겁니다.
우리는 R&D 계약이나 벤처 캐피털에 의존하지 않는 '필요 경제(need economy)' 분야에 있어 다행입니다. 코로나 1차 팬데믹 때 병원 가용성이 선택 수술에서 긴급 수술로 쏠려 힘들었지만, 이미 회복 중입니다. 모든 비즈니스에 고통스러웠지만 핵심 기술로 계속 성장할 겁니다. 이제 봉합사 앵커 제품을 새로 출시하는데, 더 저렴한 제품 라인이라 코로나에도 시장 진입 기회가 있을 겁니다.
새 시장에도 눈독 들입니다. 탄소 포집, 다른 산업 분야, 바이오파마 공정 시장.
코로나19가 어떤 면에선 우리가 천연적으로 적합한 시장(우리 소재 성능 기준)에 더 많은 자본과 효율성 요구를 몰고 온 셈입니다.
이 특정한 시기에 실질적 기회가 상당하다는 것만 말씀드리겠습니다.
3D 프린팅 기업으로서 우리는 진짜 가치를 더하는 기술을 밀려왔습니다. 지금처럼 힘들고 타이트한 때엔 비용 절감과 신시장 진입 방법을 찾게 됩니다. CEO가 CTO에게 '야, 뭐 있어? 우리 뭐 새로운 거 필요해'라고 묻습니다.
단순 시제품 제작 새 방식이 아니라, 기술의 궤도를 실질적으로 구부리는 게 있다면 지금 제대로 들어줍니다. 우리 사업에서도 과거 문 두드렸을 땐 준비 안 됐던 문들이 이제 '이거로 돈 아끼거나 더 효율적으로 할 수 있다던데, 얘기해봐'라며 콜백 옵니다. 진짜 기술이 있으면 낙담하지 말라고 독려하고 싶습니다. 진짜 게임을 바꿉니다. 흥미로운 시기입니다.
3D 프린팅
EU 클린 스카이 2(Clean Sky 2) 이니셔티브의 일환으로 항공우주 산업은 알루미늄에서 탄소 섬유 강화 복합소재로의 전환을 통해 항공기 구조를 개선하고 배출량을 크게 줄이는 등 지속 가능성으로의 비행 경로를 모색하고 있다. 2017년 시작된 클린 스카이 2 다기능 동체 데몬스트레이터(MFFD)는 이러한 프로그램 중 하나로, 수십 개의 개별 프로젝트와 작업 패키지로 구성된다(자세한 내용은 MFFD용 LM PAEK 용접 검증 참조). 특히, STUNNING(SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated t
나일론으로 만든 부품은 어디에서나 찾을 수 있지만, 나일론을 사용하고 싶지만 충분히 강하지 않다면 어떻게 할까요? 유리 섬유 충전 나일론은 합성 폴리아미드 열가소성 수지로, 강도와 내열성 덕분에 엔지니어링에서 가장 중요한 소재 중 하나입니다. 나일론 레진에 분말 유리를 첨가하거나 유리 섬유로 플라스틱을 압출하여 만듭니다. 3D 프린팅 나일론 분말의 경우 다양한 비율로 베이스 분말에 유리 구슬을 첨가할 수 있습니다. 유리 추가는 진정한 게임 체인저입니다. 유리 섬유 충전 나일론의 장점 유리 추가는 나일론을 단독으로 사용할 때보다 상
