KR20150141203A - 나노 입자 및 바인더를 함유한 잉크 조성물 및 이를 이용한 3차원 물품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노 입자 및 바인더를 함유한 잉크 조성물과, 이 잉크 조성물을 이용하여 금속이나 세라믹 소재로 이루어진 입체 조형물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 잉크 조성물은, 금속 또는 세라믹으로 이루어진 나노 입자 또는 나노 입자를 형성하는 전구체와, 바인더 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

나노 입자 및 바인더를 함유한 잉크 조성물 및 이를 이용한 3차원 물품의 제조방법 {INK COMPOSITION COMPRISING NANO-PARTICLES AND BINDER, AND METHOD OF THREE-DIMENSIONAL ARTICLES USING THE INK COMPOSITION}

본 발명은 나노 입자 및 바인더를 함유한 잉크 조성물과, 이 잉크 조성물을 이용하여 금속이나 세라믹 소재로 이루어진 입체 조형물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

3차원 프린팅 기술은 적층(additive) 기술이므로 소재의 제한이나 제품의 형상적인 제약이 낮다. 이에 따라, 차세대 소재부품 제조기술로 주목받고 있다.

한편, 한국공개특허공보 제2004-0076794호에 개시된 바와 같이, 3차원 프린팅 기술을 이용하여 금속 제품을 제조하는데는, 금속 분말 층상에 레이저나 전자빔을 조사하여 소결층을 형성하고, 이렇게 소결된 층을 적층하여 3차원 형상의 조형물을 직접 형성하는 방법이 알려져 있다.

그런데, 레이저나 전자빔을 이용한 소결 방법은 장치에 대한 투자비용이 높고 생산성이 낮을 뿐 아니라, 투입되는 에너지에 한계가 있기 때문에, 고융점 금속 제품이나 세라믹 제품을 제조하기 어려운 문제점이 있다.

이와 같이, 3차원 프린팅 기술을 이용하여 금속 제품을 제조하는 방법은 소량-다품종의 고부가제품의 제조에는 적합하나, 소품종 대량생산에는 적합하지 않기 때문에, 새로운 프린팅 기술이 필요하다.

한국공개특허공보 제2004-0076794호

본 발명의 과제는, 금속이나 세라믹 소재로 이루어진 제품을 대량으로 생산할 수 있게 하는 3차원 프린팅용 잉크 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 과제는, 3차원 프린팅 기술을 이용하여 금속이나 세라믹 소재로 이루어진 제품을 대량으로 생산할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 금속 또는 세라믹으로 이루어진 나노 입자 또는 나노 입자를 형성하는 전구체와, 바인더 및 용매를 포함하는 3차원 프린터용 잉크 조성물을 제공한다.

또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위해 본 발명은, (a) 마이크로 크기의 입자를 적층하여 소정 두께의 마이크로 입자층을 형성하는 단계와, 상기 마이크로 입자층에, 인쇄장치를 사용하여, 상기 잉크 조성물을 소정 형상으로 도포하여 상기 잉크 조성물이 상기 마이크로 입자층에 함침되도록 하는 단계;를 1회 이상 반복 수행하여, 3차원 성형체를 제조하는 단계; (b) 상기 3차원 성형체 중에서 바인더를 제거하는 탈지 단계; 및 (c) 탈지된 3차원 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는, 3차원 물품의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 마이크로 입자의 적층체 상에 나노 입자와 바인더를 포함하는 잉크 조성물을 프린터를 통해 도포하여 마이크로 입자의 결합력을 유지시키고, 상기 공정의 반복을 통해 단시간 내에 3차원 성형체를 만든 후, 이 3차원 성형체를 일반적인 분말야금공정을 통해 탈지하고 소결함하여 3차원 물품을 제조하므로, 금속 또는 세라믹으로 이루어진 3차원 물품의 대량생산이 용이하다.

또한, 종래 기술과 달리, 3차원 성형체의 제조는 프린팅 공정을 통해 수득하고 수득한 3차원 성형체는 프린팅 과정에서 탈지 및 소결을 하지 않고 별도의 분말야금공정을 통해 수행하으로써, 고융점 금속이나 세라믹 제품의 제조도 가능하게 된다.

또한, 잉크 조성물에 포함된 나노 입자의 응집현상에 의해 성형체의 강도와 탈지 후 성형체의 강도를 유지하기 용이하고, 나노 입자에 의한 충진율의 증가와 소결능 개선 효과를 통해, 우수한 물성의 소결체를 제조할 수 있다.

또한, 잉크 조성물에 포함된 나노 입자와 마이크로 입자의 조성을 상이하게 할 경우, 소결과정에서 합금화를 이룰 수도 있을 뿐 아니라, 합금화 원소가 나노입자로 구성되고 마이크로 입자간 기공에 균일하게 분산되어 있기 때문에, 합금화 속도와 균일성이 크게 개선할 수 있다.

또한, 잉크 조성물에 포함된 나노 입자를 통해, 최종 소결체에 분산강화나 전도성 부여와 같은 특수한 기능을 부여하기 용이하다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 물품의 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따라 3차원 성형체를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따라 3차원 성형체를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, '나노 입자'는 입자의 크기가 1㎛ 미만인 입자를 의미하고, '마이크로 입자'란 입자의 크기가 1㎛ 이상인 입자를 의미한다.

본 발명에 따른 3차원 프린터용 잉크 조성물은, 금속 또는 세라믹으로 이루어진 나노 입자 또는 나노 입자를 형성하는 전구체와, 바인더 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 나노 입자는 소결이 가능한 금속, 세라믹 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있고, 그 입도가 100nm 초과할 경우 액적이 마이크로 분말 사이에 잘 흡수되지 않아 적층이 용이하지 않으므로, 100nm 이하가 바람직하고, 1~100nm가 보다 바람직하다. 상기 나노 입자는 프린터용 노즐의 막힘을 방지하고 상기 마이크로 입자로 이루어진 적층체의 내부로 용이하게 함침될 수 있도록, 마이크로 입자의 입도에 비해 50배 이상 작게, 바람직하게는 100배 이상 작게 유지한다.

상기 나노 입자를 형성하는 전구체는, 인쇄후 용매의 기화 과정 또는 인쇄를 통해 형성된 3차원 성형체의 탈지과정에서, 나노 입자를 형성할 수 있는 것이면 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, Ni, W, Mo, Ti, Fe 등의 나노 입자 형성 전구체가 사용될 수 있다.

상기 바인더는, 왁스 성분, 수지 성분 또는 계면활성제 성분을 포함할 수 있다.

상기 왁스 성분은 나노 입자의 유동성을 부여하는 성분으로, 예를 들어 파라핀 왁스, 카나우바 왁스, 비 왁스, 지방산왁스, 천연 왁스, 마이크로 크리스탈린 왁스 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 왁스 성분이 10 부피% 미만일 경우 유동성이 낮아져 사출성형이 어렵고, 70 부피% 초과일 경우 유동성은 좋아지지만 열탈지 중 형상유지능력이 나빠지게 되므로, 10~70 부피%로 유지되는 것이 좋고, 바람직한 왁스 성분의 배합량은 20~60 부피%이다.

상기 수지 성분은 탈지 시까지 성형체의 형상유지력을 부여하는 성분으로, 예를 들어 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리 스티렌, 폴리아세탈, 폴리메칠 메타크릴레이트 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 수지 성분이 30 부피% 초과일 경우 점도가 증가하여 잉크의 인쇄가 용이하지 않으므로, 바람직한 수지 성분의 배합량은 5~20 부피%이다.

상기 계면 활성제 성분은 나노 입자의 분산성을 향상시키는 성분으로, 스테아린산, 올레인산 등이 포함될 수 있으며, 1 부피% 미만일 경우 유동성이 저하되고, 10 부피%를 초과할 경우, 점성이 낮아지므로, 1~10 부피%가 바람직하다.

상기 용매로는, 벤조산, 에틸렌 비닐 아세테이트(Ethylene-Vinyl Acetate) 등이 포함될 수 있으며, 25 부피% 미만일 경우, 형상 유지능이 저하하고, 40 부피%를 초과할 경우, 유동성이 낮아지므로, 25~40 부피%가 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 3차원 물품의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로 크기의 입자를 적층하여 소정 두께의 마이크로 입자층을 형성하는 단계(S10)와, 상기 마이크로 입자층에 인쇄장치를 사용하여 상기 잉크 조성물을 소정 형상으로 도포하여 상기 잉크 조성물이 상기 마이크로 입자층에 함침되도록 하는 단계(S20)와, 상기 마이크로 입자층 형성 단계(S10)과 인쇄 단계(S20) 단계를 1회 이상 반복 수행하여 3차원 성형체를 제조하는 단계(S30)와, 상기 3차원 성형체 중에서 바인더를 제거하는 탈지 단계(S40)와, 탈지된 3차원 성형체를 소결하는 단계(S50)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 잉크 조성물의 도포는 예를 들어 잉크젯 프린터를 통해 이루어질 수 있으며, 적절하게 잉크 조성물을 도포할 수 있다면, 잉크젯 프린터에 한정되지 않는다.

또한, 상기 마이크로 입자와 상기 잉크 조성물에 포함된 나노 입자의 조성이 동일하게 할 수 있다.

또한, 상기 마이크로 입자가 제1 금속으로 이루어지고, 상기 잉크 조성물에 포함된 나노 입자가 상기 제1 금속과 상이하며 제1 금속과 합금화가 가능한 제2 금속으로 이루어질 수 있다. 즉, 마이크로 입자와 나노 입자를 서로 합금화가 가능한 금속으로 할 경우, 3차원 소결체를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 소결체의 제조과정에서 균일한 합금화를 이룰 수 있게 되어 별도의 합금화 과정이 필요하지 않게 된다.

또한, 상기 마이크로 입자의 표면에는 상기 잉크 조성물(특히, 용매)와의 젖음성이 좋은 물질이 코팅될 수 있다. 이 경우, 마이크로 입자가 잉크 조성물와의 젖음성이 양호하면, 잉크 조성물이 마이크로 입자층의 내부로 쉽게 침투할 수 있어, 3차원 성형체의 제조시간을 보다 단축시킬 수 있다. 상기 마이크로 입자의 코팅은 마이크로 입자층 상에 젖음성을 개선할 수 있는 물질을 분무하는 방법으로 수행될 수 있다. 또한, 별도의 물질 코팅 없이 예를 들어 플라즈마 처리와 같은 표면처리를 통해, 상기 마이크로 입자의 표면 상태를 상기 잉크 조성물과의 젖음성이 좋게 만들 수도 있다.

상기 탈지 단계는 상기 잉크 조성물에 포함된 유기물을 제거하는 단계로, 사용되는 잉크 조성물에 따라 달라지나, 일반적으로 550~650℃로 12시간 이상 가열하는 열탈지 방법으로 수행될 수 있다.

또한, 열탈지 외에도, 바인더 제거를 위한 탈지방법에는 용매탈지나 초임계탈지 등의 방법이 사용될 수 있으며, 유기바인더를 안정적으로 제거할 수 있는 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있다.

상기 소결 단계는 유기 바인더가 완전히 제거된 성형체를 소결이 이루어지는 온도로 가열하여 소결체를 만드는 단계이다.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 3차원 성형체를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 3차원 성형체의 제조방법은, 먼저 소정 두께로 마이크로 입자를 적층하여 마이크로 입자층을 형성한 후, 잉크젯 방식의 노즐을 사용하여 상기 마이크로 입자층 상에 목적하는 3차원 형상으로 적층될 수 있도록 소정 형태로 잉크 조성물을 분사한다.

잉크 조성물은, 나노 입자를 바인더와 함께 균일하게 분산하여 제조하는데, 잉크젯 토출이 용이하도록 벤조산 또는 에틸렌 비닐 아세테이트(Ethylene-Vinyl Acetate)와 같은 용매를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 잉크 조성물 내의 나노 입자의 분산성이 낮은 경우, 추가로 올레인산과 같은 분산제를 첨가할 수 있다.

상기 잉크 조성물에 있어서, 나노 입자는 10 중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 마이크로 입자층에 함침되었을 때, 마이크로 입자 단위층의 마이크로 입자 중량 대비 나노 입자의 중량이 5~20%가 되도록 한다.

상기 노즐은 서멀 젯(thermal jet)이나 피에조(piezo) 방식 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 나노 입자가 함유된 바인더의 성질에 따라 다른 형태의 노즐이 사용될 수 있다.

이와 같이, 노즐에 의해서 잉크 조성물의 액적이 토출되면, 액적 내에는 나노 입자, 바인더 및 용매가 함유되어 있고, 액적이 마이크로 입자층의 표면에 도달한 후, 마이크로 입자층에 형성되어 있는 기공을 따라 내부로 침투하게 된다.

액적의 내부 침투 거동은 액적의 운동에너지, 액적의 점성, 적층된 마이크로 입자의 기공도 및 기공크기, 바인더와 마이크로 입자의 젖음성 등에 의해서 다양하게 조절될 수 있다.

또한, 잉크 조성물에 기화성 용매를 이용하는 경우에는 점성이 낮아 마이크로 입자층에 잘 함침되고 함침 속도도 높은 반면, 액적이 단위 입자층을 벗어나 하부 층으로 침투가 될 가능성이 높으므로, 마이크로 입자층을 열풍이나 기타 방식으로 가열하여 기화성 용매가 신속하게 제거될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

3차원 성형체는, 단위 마이크로 입자층을 형성하고 소정 형상으로 잉크 조성물을 토출하여 함침시킨 후, 잉크 조성물이 함침된 마이크로 입자층 상에, 다시 마이크로 입자층을 적층한 후 잉크 조성물을 토출하여 함침시키는 적층 방식을 통해 형성된다.

이와 같이 제조된 3차원 성형체는, 후속 과정으로 탈지(debinding)와 소결(sintering)이 이루어지며, 탈지 및 소결을 포함하는 분말야금에서 개발된 다양한 공정이 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 3차원 성형체에서, 나노 입자는 마이크로 입자의 입자간 계면에 존재하는데, 나노 입자는 그 자체로 높은 응집특성과 일정한 결합력이 있으므로, 탈지후에 3차원 성형체의 형상이 유지되도록 하는데 기여한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 잉크 조성물에 포함되는 나노 입자는, 3차원 성형체의 형상 유지를 위해 필요한 바인더의 사용량을 줄이거나, 경우에 따라서는 분말야금공정에서 고온에서 성형체의 형상 유지를 위해 사용하는 고온 바인더를 사용하지 않거나 현저하게 줄일 수 있으므로, 탈지공정의 시간 및 비용을 크게 줄이는데 기여할 수 있다.

또한, 소결(sintering)은 입자 간 계면에서 물질 이동에 의해서 이루어지는데, 마이크로 입자 사이에 배치된 나노 입자는 높은 표면에너지를 가지므로 소결을 촉진시키는 특성을 가진다.

이에 따라, 본 발명에 따른 3차원 성형체는 낮은 온도에서 빠르게 소결이 이루어질 수 있다.

또한, 마이크로 입자와 상이한 조성을 갖는 나노 입자를 이용할 경우, 소결의 과정에서 합금화가 가능하다. 이때, 나노 입자가 마이크로 입자에 균일하게 분산되어 있으므로 일반적인 마이크로-마이크로 혼합분말에 비해서 합금화의 균일성이 높고, 합금화를 위한 원소의 확산경로를 줄일 수 있어 소결시간을 단축하는 것이 가능하다.

더욱이, 고융점의 합금원소를 포함하는 합금의 경우에는 분말제조기술이 어렵고 고비용을 초래하는데, 고융점 합금원소를 나노 입자로 할 경우, 저 비용으로 합금화된 소결체를 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따라 3차원 성형체를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 3차원 성형체를 제조하는 방법은, 잉크 조성물과의 젖음성을 향상시키기 위하여, 마이크로 입자의 표면을 코팅하는 것을 특징으로 하며, 다른 공정은 실시예 1과 동일하다.

나노 입자와 바인더를 분산한 잉크를 토출하는 경우 마이크로 입자층 내에서 잉크가 균일하게 함침되어야 하는데, 만일 마이크로 입자와 표면이 잉크와의 젖음성이 낮을 경우, 잉크가 고르게 함침되지 않을 뿐 아니라, 함침에 많은 시간이 소요된다.

그러므로, 잉크와의 젖음성이 낮은 마이크로 입자는 젖음성을 향상시킬 수 있는 물질로 미리 코팅을 하는 것이 바람직하다.

마이크로 입자의 표면처리는 개별 입자에 대해 코팅을 한 후 적층을 하거나, 적층을 한 후, 젖음성 개선 물질을 마이크로 입자층에 분무하는 방식으로 수행될 수 있다.

Claims (10)

1. 금속 또는 세라믹으로 이루어진 나노 입자 또는 나노 입자를 형성하는 전구체와, 바인더 및 용매를 포함하는 3차원 프린터용 잉크 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 나노 입자의 입도는 1nm~100nm인, 3차원 프린터용 잉크 조성물.
3. 제1항에 있어서,
   상기 바인더는, 왁스 성분, 수지 성분 또는 계면활성제 성분을 포함하는, 3차원 프린터용 잉크 조성물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 용매는, 벤조산 또는 에틸렌 비닐 아세테이트(Ethylene-Vinyl Acetate)를 포함하는, 3차원 프린터용 잉크 조성물.
5. (a) 마이크로 크기의 입자를 적층하여 소정 두께의 마이크로 입자층을 형성하는 단계와, 상기 마이크로 입자층에, 인쇄장치를 사용하여, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 잉크 조성물을 소정 형상으로 도포하여 상기 잉크 조성물이 상기 마이크로 입자층에 함침되도록 하는 단계;를 1회 이상 반복 수행하여, 3차원 성형체를 제조하는 단계;
   (b) 상기 3차원 성형체 중에서 바인더를 제거하는 탈지 단계;
   (c) 탈지된 3차원 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는, 3차원 물품의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 잉크 조성물의 도포는 잉크젯 토출법으로 이루어지는, 3차원 물품의 제조방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 마이크로 입자와 상기 잉크 조성물에 포함된 나노 입자의 조성이 동일한, 3차원 물품의 제조방법.
8. 제5항에 있어서,
   상기 마이크로 입자가 제1 금속으로 이루어지고,
   상기 잉크 조성물에 포함된 나노 입자가 상기 제1 금속과 상이하며, 제1 금속과 합금화가 가능한 제2 금속으로 이루어진, 3차원 물품의 제조방법.
9. 제5항에 있어서,
   상기 잉크 조성물에 포함된 금속 또는 세라믹으로 이루어진 나노 입자를 형성하는 전구체는, 상기 잉크 조성물이 인쇄된 후에, 용매가 기화되는 과정 또는 탈지 과정에 나노 입자로 형성되는, 3차원 물품의 제조방법.
10. 제5항에 있어서,
    상기 마이크로 입자의 표면에 상기 용매와의 젖음성이 좋은 물질이 코팅되어 있는, 3차원 프린터용 잉크 조성물.
    

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