부산대학교 도서관

3D 프린팅 기술은 3차원으로 디자인된 디지털 데이터를 이용하여 2차원 단면으로 구성된 각각의 층으로 분해하고, 3D 프린터를 이용하여 2차원 단면으로 원하는 재료를 반복 적층하여 2차원 단면 이미지가 3차원의 입체형상을 제조하는 공정 기술이다. 이러한 기술은 기존 고분자 위주의 소재에서 벗어나 최근에는 우수한 내열성, 내광성, 내화학성 등을 보이는 세라믹과 같은 소재도 잉크젯 프린팅 공정에 적용하려는 시도가 활발히 진행되고 있으며, 특히 2차원 인쇄뿐만 아니라 3차원 적층인쇄에 관한 연구도 시작되고 있다. 일반적인 3D 프린팅 기술은 단일소재를 활용하여 적층을 진행하고 기물을 형성할 수 있다. 그 중 잉크젯 프린팅 기술은 CMS(color management system)을 활용하여 원하는 부분에 원하는 재료를 원하는 농도만큼 토출시킬 수 있는 장점이 존재한다. 재료의 요구 조건만 조절이 가능 하다면 잉크젯 프린팅 방식을 통하여 3차원 기물을 형성할 때 각각의 다른 재료를 통해 필요한 물성별로 프린팅이 가능하다는 장점이 있다. 이를 활용하여 다양한 재료 토출을 통해 3차원 적층에 대한 연구가 진행 되고 있으나 대부분 재료의 단순 적층으로 기물을 형성하고 화합물 형성에 성공한 사례는 아직 드문 실정이다. 본 연구에서는 잉크젯 프린팅 공정에 적용되는 대표적인 푸른 색상을 가지는 CoAl2O4 안료를 Co3O4와 Al2O3 입자를 사용하여 고상합성법으로 제조하고 각 온도에 대한 색상 변화를 확인 하였다. 일반적인 고상합성법에 의해 합성된 세라믹 입자는 수∼수십 ㎛의 입도를 가지고 있다. 이러한 입도를 가진 세라믹 안료는 잉크젯 프린팅에 적용할 경우 잉크젯 프린터 헤드의 노즐 막힘이라는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 고상합성법을 통해 만들어진 세라믹 안료는 밀링법을 이용하여 잉크젯 프린팅에 적합한 크기로 미립화를 진행하였다. 이러한 안료를 활용하여 광경화 반응이 뛰어나며 잉크젯 프린팅에 적합한 표면장력 및 점도를 가진 광경화성 아크릴계 모노머 HDDA에 분산제 첨가량에 따른 분산 조건을 최적화를 진행하므로써, 분산안정성을 뛰어난 광경화 세라믹 잉크를 제조하였다. 합성된 광경화 세라믹 잉크의 잉크젯 프린팅 특성은 광경화 세라믹 잉크 토출 특성을 이론적으로 예측하고, 프린팅 테스트를 통하여 단일 액적 형성을 목표로 프린트 헤드 구동 조건을 조절하여 토출 특성 최적화를 진행하였다. 광경화 세라믹 잉크젯 프린팅 공정을 통하여 프린팅된 3차원 기물의 해상도를 향상시키기 위해서 기판으로 사용된 Al2O3 플레이트에 PFTS (Perfluorooctyl trichlorosilane) solution을 코팅하여 광경화 세라믹 잉크와 기판사이의 접촉각을 향상 시켰다. 그리고 접촉각에 따른 세라믹 잉크 적층 거동을 확인하였는데, 그 결과 접촉각이 증가할수록 기판에 탄착되는 세라믹 잉크의 높이는 증가하고, 액적의 직경은 감소하여 프린팅 해상도가 향상 되었다. 또한 단일 액적 뿐 만 아니라 3차원 면도 형성하였는데 이는 dot 결과와 동일하게 프린팅 향상에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 Co3O4 및 Al2O3 광경화 세라믹 잉크를 제조하여 이종소재를 활용하는 것이기에 두 잉크의 물성과 프린팅 조건에 최적화 하였다. 이를 CoAl2O4 세라믹 잉크와 동일한 방법으로 프린팅 가능 여부를 이론적으로 예측하고 프린팅 테스트를 진행하여 토출 특성 최적화를 진행하였다. 최적화가 진행된 두가지의 광경화 세라믹 잉크를 이용한 프린팅을 통하여 이종 세라믹 소재로 구성된 연속적인 조성을 가지는 3차원 기물을 제조하였다. 만들어진 구조물을 1100℃ 에서 열처리를 진행하였고, 열처리에 따른 특성 변화를 구조물의 파트별 특성을 통해 색상, 결정상, 성분분석을 통해 결정화를 판단하였다. 이를 고상합성법으로 만들어진 세라믹 안료와 비교하여 원하는 결정상 형성 및 색상이 나타나는 것을 확인하였다. 이를 통해 연속적인 조성 변화를 가지는 이종 세라믹 소재 3차원 잉크젯 프린팅의 가능함을 확인하였다.
A 3D printing technology is a processing technology in which form 3D structures by fabricating multiple 2D layers of materials based on 3D designed digital data and stacking them layer by layer. Such a technique has emerged from the conventional polymer material centered on , and recently, attempts have been made to apply materials such as ceramics exhibiting excellent heat resistance, light resistance, and chemical resistance to the inkjet printing process. Research on not only 2D printing but also 3D printing has begun. A general 3D printing technology can advance 3D structure by utilizing a single material to form, but since inkjet printing technology can discharge a necessary material to a necessary part by using CMS (color management system), printing can be performed for each necessary physical property through each material when forming the 3D structure by an inkjet printing method if only required conditions of the material can be adjusted. Although research on 3D gradient is under way by discharging various materials by utilizing this method, it is still rare for a research to successfully form a product as an additive manufacture of multi-materials. In this study, CoAl2O4 pigments with representative blue applied to an inkjet printing process were manufactured by a solid-phase synthesis method using Co3O4 and Al2O3 particles, and color changes in each temperature were confirmed. Ceramic particles synthesized by a general solid-phase synthesis method have a particle size of several to several tens of ㎛. In the case of applying the ceramic pigment of such a particle size of inkjet printing, the problem of nozzle clogging of the inkjet printer head can be caused. Accordingly, the ceramic pigment produced by the solid-phase synthesis method is optimized by a milling method of a size suitable for inkjet printing. By utilizing such pigments, dispersion conditions are optimized by the amount of dispersant addition to the photocurable acrylic monomer HDDA excellent in photo curing reaction and having surface tension and viscosity suitable for inkjet printing, thereby producing the UV curable ceramic ink excellent in dispersion stability. A dimensionless number of inkjet printing characteristics of the synthesized UV curable ceramic inks is theoretically predicted, and a print head driving condition is adjusted to single liquid formation of a printing test to promote the optimization of the printing characteristics. An Al2O3 plate used as a substrate for improving the resolution of printed 3-dimensional instruments is coated from a PFTS (Perfluoroctylorosilane) solution by an UV curable ceramic inkjet printing process to improve the contact angle between the UV curable ceramic ink and the substrate. As a result, the height of the ceramic ink stacked to the substrate increases as the contact angle increases, the diameter of the liquid drop decreases, and the improvement of the printing resolution is confirmed. Also, not only a single droplet but also a 3D structures are formed, but it is confirmed that this affects the improvement in printing as well as the dot result. Co3O4 and Al2O3 UV curable ceramic ink are manufactured based on the above, and by utilizing different materials, the ink is optimized for physical properties and printing conditions of the two inks, and whether printing is possible by the same method as the CoAl2O4 ceramic ink is theoretically predicted, and printing test is performed the optimization drop characteristics. A 3D structures having a continuous composition composed of a different ceramic material is manufactured by printing using two UV curable ceramic inks whose optimization is advanced. A produced structures is heat-treated at 1100 °C, crystallization is confirmed by color, crystal and component analysis based on the characteristics of each part of the structures, and the formation and color of a desired crystal are confirmed by comparing the crystallization with a ceramic pigment made of solid-phase synthesis method. As a result, the possibility of 3D inkjet printing of a different ceramic material having a gradient composition change is confirmed.