POSTECH, 3D 프린팅 금속 표면 거칠기로 고분자 접합 강도 2배 이상 끌어올림

• POSTECH 연구팀이 금속 3D 프린팅의 “울퉁불퉁한 표면”을 오히려 접착력 강화에 써먹는 기술을 개발함

  • 기존 제조에서는 매끈한 표면이 더 좋다는 인식이 강했는데, 이번엔 그 반대 방향으로 간 셈임
  • 금속과 고분자를 붙일 때 복잡한 화학 표면 처리 없이 구조 설계만으로 접합 강도를 높이는 접근임

• 연구팀이 쓴 공정은 레이저 기반 금속 3D 프린팅(PBF-LB/M)임

  • 레이저 출력, 스캔 속도, 간격을 조절해 티타늄 합금 표면 거칠기를 20~70마이크로미터 범위에서 제어함
  • 하나의 부품 안에서도 위치별로 다른 거칠기를 주는 ‘공간 맞춤형 표면 설계’도 구현함

• 성능 수치가 꽤 선명하게 나옴

  • 실리콘 계열 고분자인 EcoFlex, Dragon Skin, PDMS를 대상으로 실험함
  • 최적 거칠기를 적용했을 때 매끄러운 표면 대비 접착 강도가 2배 이상 증가함
  • EcoFlex는 214%, Dragon Skin과 PDMS는 각각 229% 향상됨
  • PDMS는 최대 717킬로파스칼 접합 강도를 기록함

• 원리는 찍찍이와 비슷함

  • 거친 금속 표면의 미세 돌기와 틈 사이로 액체 상태 고분자가 스며듦
  • 고분자가 굳으면서 금속 표면과 서로 맞물리는 인터로킹(interlocking) 구조가 생김
  • 동시에 실제 접촉 면적도 넓어져 접착력이 커짐

• 적용처는 소프트 로봇, 의료기기, 항공·모빌리티 쪽으로 열려 있음

  • 금속은 강하지만 딱딱하고, 고분자는 유연하지만 구조적 강성이 약함
  • 둘을 안정적으로 붙일 수 있으면 딱딱한 뼈대와 부드러운 피부를 한 부품 안에서 같이 설계할 수 있음
  • 인체 삽입형 의료기기처럼 단단한 부품과 말랑한 접촉부가 함께 필요한 분야에서도 의미가 있음

• 연구 지원과 발표 경로도 국내 기술 생태계 기준으로 눈여겨볼 만함

  • 한국연구재단, 방위사업청 민군기술협력사업, 산업통상자원부, 과학기술정보통신부, 한국기초과학지원연구원이 지원함
  • 연구 결과는 제조·생산공학 분야 국제학술지 Virtual and Physical Prototyping에 게재됨

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기술 맥락

• 이 연구에서 선택한 방식은 접착제나 화학 처리보다 표면 형상을 제어하는 쪽이에요. 금속과 고분자는 물성이 너무 달라서 그냥 붙이면 쉽게 떨어지는데, 공정 중 생기는 거칠기를 이용하면 추가 공정을 줄이면서 접합 강도를 올릴 수 있거든요.

• PBF-LB/M 공정이 중요한 이유는 레이저 출력, 스캔 속도, 간격 같은 제조 파라미터로 표면 거칠기를 직접 조절할 수 있기 때문이에요. 별도 후처리로 표면을 다시 만드는 게 아니라, 부품을 찍어내는 단계에서 접합 성능까지 같이 설계하는 접근에 가까워요.

• 특히 하나의 부품 안에서 부위별로 다른 거칠기를 구현했다는 점이 큽니다. 소프트 로봇이나 의료기기는 모든 부분이 똑같이 강하게 붙어야 하는 게 아니라, 어떤 곳은 단단히 고정되고 어떤 곳은 유연하게 움직여야 하거든요.

• PDMS에서 최대 717킬로파스칼 접합 강도를 낸 건 단순한 실험실 데모 이상의 의미가 있어요. 미세유체 장치나 인체 접촉형 부품처럼 실제 사용 중 반복 변형이 생기는 구조에서는 접합부가 먼저 망가지는 경우가 많아서, 이 숫자가 설계 여유를 만들어줄 수 있어요.