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세라믹·유리도 3D프린팅이 가능하단 사실 아셨나요

2023/03/30

[캐파 파트너 인터뷰] 뮤토랩스(3D프린팅)

온라인 제조 플랫폼 캐파(CAPA)에서는 캐파에서 활발히 활동 중인 파트너(제조업체)를 소개해드리는 [캐파 파트너 인터뷰]를 진행하고 있습니다. 파트너 인터뷰에 관심이 있다면 content@capa.ai 로 문의해주세요.

어느 가정이든 주방에 가면 접시나 그릇, 컵 가운데 세라믹 소재로 만든 제품을 하나쯤 발견할 수 있을 것입니다. '세라믹'은 인체에 무해해서 접시나 그릇 등 주방 용품으로 많이 사용되는 소재입니다. 최근에는 의료 및 헬스케어 분야에서 주목을 받으며 점점 더 다양하게 활용되고 있습니다.

세라믹은 보통 사출성형 방식으로 제조하지만 3D프린팅도 가능합니다. 그동안 사출성형을 통해 소품종 대량생산하는 것이 일반적이었다면 최근엔 다양한 소비자 니즈에 맞춰 3D프린팅으로 다품종 소량생산하는 경우도 많아졌습니다.

국내 '최초' 산업용 파인 세라믹 3D프린터를 개발하다

캐파(CAPA)에서도 3D프린팅 방식으로 세라믹 제품을 만들 수 있습니다. 세라믹 3D프린팅을 지원하는 캐파 파트너들이 있기 때문인데요, 대표적인 업체가 바로 국내 최초로 산업용 파인 세라믹 3D프린터를 개발한 '뮤토랩스'입니다. 뮤토랩스는 세라믹 중에서도 첨단산업 공정에서 많이 사용되는 '파인 세라믹'을 주요 소재로 다룹니다. 파인 세라믹은 내열, 내식, 전기 절연성 등 세라믹의 고유 특성을 강화하기 위해 고도의 정제 과정을 거쳐 만들어진 고정밀 세라믹입니다.

홍순찬 뮤토랩스 대표의 부친은 삼성전자 등에 제품을 납품하는 제조업체를 운영했습니다. 홍 대표는 그런 아버지를 보면서 제조업 혁신의 꿈을 키웠다고 합니다. 자연스럽게 혁신 제조 기술인 3D프린터에 끌렸고 직접 3D프린터 제조업체에서 근무하며 관련 기술을 익혔습니다.

홍 대표는 3D프린터가 최고의 품질을 내기 위해서는 장비와 소재 간 '궁합'이 중요하다고 생각했습니다. 이러한 생각을 바탕으로 지난 2018년 뮤토랩스를 창업해 자체적으로 장비와 소재를 개발하는 데 많은 시간을 투자했습니다. 4년에 걸쳐 개발에 매진한 결과 이제는 우수한 품질의 제품을 만들 수 있는 인프라 구축에 성공했다고 자부합니다.

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뮤토랩스의 세라믹 소재와 3D프린터 (출처: 뮤토랩스)

3D프린팅 세라믹 소재·부품·장비 기술력 모두 갖춰

세라믹 3D프린터에 사용되는 소재는 SLA 방식 3D 프린터에 주로 사용되는 '레진'처럼 액체 상태입니다. 액체 상태의 소재에 레이저를 쏘아 굳혀가며 제품을 만들기 때문에 보통 MSLA(Masked SLA)DLP(Digital Light Processing) 방식의 3D프린터가 사용됩니다.

홍순찬 대표는 3D프린터 회사에 근무하면서 어떤 방식이 세라믹에 더 적합할지 관찰했습니다. 그 결과 MSLA 방식이 더 낫다고 판단했습니다. 여기에 더해 자체적으로 세라믹 3D 프린터를 만들면서 각 소재별로 전용 렌즈를 따로 개발했습니다. 소재마다 적합한 광원의 세기나 렌즈의 크기 등 조건이 달라야 더 좋은 결과를 얻을 수 있다고 봤기 때문입니다. 이러한 경험을 바탕으로 실험에 실험을 거듭한 결과, 자체적으로 산업용 세라믹 3D프린터 개발에 성공했습니다. 국내에서 자체적으로 개발한 것은 최초입니다.

뮤토랩스는 세라믹 소재도 자체적으로 개발했습니다. 파인 세라믹에서 가장 대표적으로 쓰이는 알루미나, 지르코니아 2가지 소재를 바탕으로 개발했습니다. 뮤토랩스가 개발한 세라믹 소재는 일반 레진보다 점도는 낮으면서 세라믹 함유량은 80% 이상으로 높습니다. 그 결과 높은 정밀도를 자랑하면서 성질의 변화는 극히 적습니다. 아주 작고 정교한 디자인의 제품도 고품질로 생산할 수 있게 되었습니다.

자체 개발 3D프린터·소재로 '제조용 세터' 제작에 특화

뮤토랩스는 이렇게 자체 개발한 3D프린터 장비와 파인 세라믹 소재를 바탕으로 세라믹 부품의 외주 제작을 진행합니다. 뮤토랩스가 가장 자신있게 내세우는 부품은 ‘제조용 세터'입니다. 제조용 세터는 열처리 공정 시 제품을 올려두는 받침대 역할을 하는 부품으로 제품이 소결되는 과정에서 오염되는 것을 방지해줍니다. 대부분의 첨단 공정이 세터 없이는 이루어질 수 없을 만큼 필수적인 부품입니다.

지금까지 주로 프레스 방식으로 생산돼 온 제조용 세터는 금형 제작이 쉽도록 평평한 모양이 일반적입니다. 이에 반해 뮤토랩스가 3D프린팅 기술로 제작하는 세터는 다공성 구조에 균일한 엠보싱 구현이 가능합니다. 이는 프레스 방식의 세터에 비해 접촉면이 적어 오염률이 적고 재사용 횟수도 2~3배 높은 효과를 보입니다. 이처럼 뮤토랩스는 세라믹 세터가 필요한 기업에 꾸준히 납품을 진행하며 제조 공정 혁신에 기여하고 있습니다.

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뮤토랩스가 생산한 3D프린팅 세라믹 세터 및 부품 (출처: 뮤토랩스)

세라믹 앞세워 의료 분야 진출, 유리 3D프린팅도 성공

뮤토랩스는 이같은 기술력을 바탕으로 최근 의료기기 제조에 힘을 쏟고 있습니다. 대표적으로 피부미용 시술에 사용되는 의료기기인 ‘팁’을 세라믹 소재로 제작해 납품하는 데 성공했습니다. 치아 임플란트 시제품을 만드는 데도 성공했습니다. 세라믹이 인체에 미치는 영향이 극히 적은 소재인 만큼 앞으로 의료 및 헬스케어 분야에서 세라믹에 대한 수요는 더욱 커질 것으로 기대됩니다.

뮤토랩스의 도전은 세라믹에 국한되지 않습니다. 최근엔 치아를 치료할 때 사용할 수 있는 유리 소재를 연구하고 있습니다. 현재 지르코니아 소재로 많이 사용되는 치아 보철물을 만들 때 리튬 디실리케이트(Lithium Disilicate)라고 불리는 ‘결정화유리'를 활용하면 지르코니아의 단점을 보완할 수 있기 때문입니다.

이미 3D 프린터로 유리를 출력하는 데 성공했습니다. 유리를 3D프린팅 한 사례는 국내 최초이자 세계적으로도 손에 꼽힐 정도로 드문 것으로 알려졌습니다. 아직 상용화 단계는 아니지만 홍 대표는 "뮤토랩스는 1mm보다 얇은 마이크로미터 단위 두께의 유리 3D프린팅이 가능하다"고 말했습니다. 그만큼 정밀한 제품을 만들 수 있다는 뜻입니다.

"3D프린팅 양산 자동화시스템 구축이 목표"

홍순찬 대표는 회사의 목표에 대해 ‘3D프린팅 기술로 양산이 가능한 자동화 시스템을 구축하는 것’이라고 설명합니다. 자동차 생산공장의 모든 공정이 자동화로 운영되듯 뮤토랩스도 인공지능을 활용해 다품종 대량생산이 가능한 3D프린팅 시스템을 만들 것이라고 말합니다.

또한 개인부터 기업까지 누구나 손쉽게 제조에 뛰어들 수 있는 올인원(all-in-one) 프로세스를 만들어 제조의 대중화를 이루겠다는 비전을 갖고 있습니다. 다음은 뮤토랩스 홍순찬 대표와의 일문일답입니다.

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전시회 참석 현장(출처: 뮤토랩스)

Q. 아버지의 영향으로 세라믹 3D프린팅을 시작했다고 들었습니다.

“아버지께서 삼성전자 디스플레이 관련 1차 벤더로서 오랜 시간 제조업체를 운영하셨습니다. 그 중에 관련 부품으로 세라믹 부품도 들어갔는데, 그 모습을 옆에서 지켜보면서 세라믹의 제조 방식을 개선해보고 싶었습니다. 세라믹 제품의 가공 방식이나 활용 범위에 있어선 예나 지금이나 변화가 없었거든요. 자유로운 형상 제조가 가능한 3D프린팅과 접목하면 더 좋은 청사진을 그릴 수 있을 것 같았죠. 창업 이전까지는 3D프린터 제조업체에서 근무하며 기술력을 쌓았습니다.”

Q. 국내 최초로 산업용 세라믹 3D프린터를 개발했는데, 어떤 방식으로 작동하나요?

“세라믹 프린팅 방식은 크게 MSLA(Masked SLA)와 DLP(Digital Light Processing) 또는 SLA가 있는데 양산 측면에서 MSLA가 경쟁력이 높습니다. MSLA 방식은 LCD 패널의 배경 조명을 제거하는 대신 UV(자외선)을 쏘아 적층하는 방식으로 일반 SLA보다 여러 개체를 인쇄할 수 있어 보다 빠른 출력이 가능합니다. 또한 프린터 제작 비용이나 출력 속도 등 여러 요소를 고려해서 직접 장비를 만들어보고 테스트를 했을 때 다른 광중합 방식보다 MSLA가 더 효율적이라는 걸 눈으로 확인했습니다.”

Q. 파인 세라믹의 주요 소재에 대해 소개해주세요.

“대표적으로 알루미나와 지르코니아 2가지가 가장 널리 사용됩니다. 제품 설계나 분말의 조성, 소결 조건 등에 따라 같은 소재도 반응이 다르지만, 보통 지르코니아가 알루미나에 비해 물성이 더 좋습니다. 기계적 강도 면에서 더 강하죠.”

Q. 뮤토랩스 파인 세라믹 소재만의 차별점은 무엇인가요?

“가장 우수한 점은 ‘분산성’이 뛰어나다는 것입니다. 분말들이 서로 들러붙지 않으려 하는 성질을 분산성이라고 하는데, 보통 분산성이 높을수록 점도가 낮고 분자 간 자율성이 높아 정밀한 가공이 가능합니다. 세라믹 '충진율'이 높으면서 점도는 낮추는 분산성 기술을 연구했고 현재 저희 소재는 80% 이상의 높은 충진율을 유지하면서 점도는 일반 레진보다 낮습니다.”

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뮤토랩스 연구실 모습(출처: 뮤토랩스)

Q. 유리 3D프린팅은 어떻게 도전하게 되었나요?

“세라믹과 유리가 비슷한 면이 많은데 치아 쪽에서 쓰일 수 있는 유리 소재를 고민하면서 연구하게 되었습니다. 현재 지르코니아 소재로 많이 사용되고 있는데 유리 중에서 리튬 디실리케이트(Lithium Disilicate)라고 불리는 ‘결정화유리'를 활용하면 지르코니아의 단점을 보완할 수 있다고 생각합니다. 한국세라믹기술원과 공동 연구를 통해 세라믹과 유리에 대해 많은 기술을 개발할 수 있었습니다.”

Q. 짧은 시간에 많은 성과를 이룬 비결은 무엇이라고 생각하시나요?

“네트워크를 구축하기 위해서 무작정 열심히 쫓아다녔습니다. 업체 대표님들, 연구소 관계자분들을 많이 찾아다니고 많이 배우려고 노력했습니다. 한국세라믹기술원도 전시회에서 만난 인연 덕분에 연구를 진행하게 되었습니다.”

Q. 세라믹 외에 다른 소재도 다루나요?

“물론입니다. 뮤토랩스에서는 플라스틱을 포함한 거의 모든 소재의 3D프린팅이 가능합니다. 저와 직원들 모두 3D프린팅 붐이 일었던 2010년대 중반부터 3D프린팅 산업에서 종사했던 전문가들입니다. 사무실에 FDM 3D프린터도 보유하고 있고 CNC와 레이저커팅이 가능한 설비를 갖추고 있습니다.”

Q. 앞으로 진출하고 싶은 분야가 있다면?

우주항공 분야에 진출하고 싶습니다. 각종 첨단공정 부품에 3D프린팅을 활용하면 가격 경쟁력이나 효율성 측면에서 개선할 수 있는 부분이 많을 것입니다. 세라믹과 유리 같은 특수 소재 분야를 잘 개척하고 나면 전 세계적으로 비중이 가장 큰 금속 분야에서도 한 축을 담당할 수 있을 거라 믿습니다. 목표는 3년 안에 그렇게 만드는 것입니다.”

Q. 양산 자동화 시스템 구축을 위해 준비 중인 것이 있나요?

“장비 설계도 많이 진행한 상태고 자동화 기술을 컨트롤 할 수 있는 인공지능(AI)도 준비하고 있습니다. 관련 전문가들과 협업하면서 순조롭게 진행해 나가고 있습니다. 저는 불가능한 것을 아이디어만 가지고 이야기 하지 않습니다. 충분히 가능성을 확인했기에 자신있게 말씀드릴 수 있습니다.”

온라인 제조 플랫폼 캐파(CAPA)에서는 뮤토랩스를 비롯해 외주 제조를 맘 편히 믿고 맡길 최고의 제조 파트너들이 함께하고 있습니다. 지금 캐파에서 최고의 제조업체들을 만나보세요!

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