KAIST, 빛·AI 결합해 내구성 높인 3D 프린팅 신기술 구현

치과용 보철이나 정밀 시제품 제작에 널리 활용되는 광경화(光硬化) 3D 프린팅은 자유로운 형상 구현이 장점이지만, 충격과 하중에 약해 내구성 부족이 문제로 지적돼 왔다. 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김미소 교수 연구팀은 이러한 한계를 넘어서는 새로운 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

이번 연구는 디지털 광 조형(DLP, Digital Light Processing) 기반 3D 프린팅 공정을 개선하는 데 초점이 맞춰졌다. 기존 방식은 액체 레진을 빛으로 굳혀 구조물을 빠르게 제작할 수 있지만, 물성 제어가 제한적이어서 강도와 유연성을 동시에 확보하기 어려웠다.

연구팀은 먼저 충격과 진동을 흡수할 수 있도록 분자 구조에 동적 결합을 도입한 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 소재를 새로 합성했다. 이 소재는 고무에 가까운 탄성을 가지면서도 플라스틱 수준의 강도를 구현할 수 있어, 구조적 안정성과 유연성을 동시에 확보했다. 여기에 회색조 DLP 기술을 접목해 동일한 레진 조성물에서 빛의 세기만 조절함으로써 한 구조물 내에서도 서로 다른 강도를 구현할 수 있도록 했다.

또한 연구팀은 인공지능 기반의 설계 기술을 함께 적용했다. 머신러닝 알고리즘을 통해 구조물의 형태와 하중 조건을 분석하고, 각 부위에 필요한 강도를 자동으로 제안해 배치하는 방식이다. 이로써 소재 개발과 구조 설계가 분리되지 않고 유기적으로 결합해 맞춤형 강도 분포가 가능해졌다.

경제성도 중요한 성과다. 기존에는 여러 종류의 레진을 사용하는 고가의 다중 재료 프린팅 기술로만 구현할 수 있었던 기능을, 단일 소재와 단일 공정으로 대체할 수 있게 됐다. 이에 따라 재료비와 생산비뿐 아니라 연구개발 기간과 설계 비용도 줄어들 수 있다.

김미소 교수는 이번 성과를 두고 “소재 물성의 한계를 넓히면서 설계 자유도를 동시에 확장한 것”이라며 “경제성까지 확보한 점에서 큰 의미가 있다”고 설명했다. 그는 이어 “바이오메디컬 기기, 항공·우주 구조체, 로봇 부품 등 고내구성과 경량화를 동시에 요구하는 분야에 폭넓게 응용할 수 있을 것”이라고 전망했다.

이번 연구 결과는 KAIST 남지수 박사과정이 제1저자로 참여했고, 성균관대학교 복신 첸 학생도 공동 연구자로 기여했다. 결과는 지난 7월 16일 국제 학술지 어드밴스드 머터리얼즈 온라인판에 게재됐으며, 같은 호 권두 도판으로도 소개됐다.

김미소 교수는 이 성과를 바탕으로 지난 7월 국제 학술 출판사 와일리가 주관하는 ‘라이징 스타 어워드’와 ‘여성 재료과학상’을 동시에 수상했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 BRIDGE 융합연구개발사업, 중견연구자지원사업, 차세대 반도체 대응 미세기판 기술개발사업의 일환으로 수행됐다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr