구리 3D 프린팅: 기술적 과제와 해결책

구리는 뛰어난 물리적 특성으로 인해 열교환기나 전력선 등 다양한 분야에 사용됩니다. 3D 프린터를 이용한 구리 적층 제조를 통해 기존 가공 방식으로는 불가능했던 복잡한 형상을 제작할 수 있게 되면서 최근 큰 주목을 받고 있습니다.
이 칼럼에서는 3D 프린터를 사용하여 구리를 제조하는 방법을 이해하기 쉽게 설명합니다.

1. 구리 3D 프린팅이 주목받는 이유

구리는 높은 열전도도, 높은 전기 전도도, 그리고 뛰어난 연성과 같은 물리적 특성으로 인해 현대 산업에 필수적인 소재입니다. 예를 들어, 열교환기는 높은 열교환 효율을 얻기 위해 내부 배관에 구리 파이프를 사용합니다. 또한, 구리는 우수한 전기 전도도를 가지고 있어 인쇄 회로 기판 및 전력 케이블의 패턴에도 사용됩니다.
또한, 최근 지속가능발전목표(SDGs)를 대표하듯 기업의 지속가능성을 중시하는 인식이 확산되고 있습니다. 따라서 3D 프린터가 활발하게 활용될 것으로 예상됩니다. 많은 기업과 연구 기관들이 3D 프린터가 열교환기와 전기 전도도의 효율을 높이는 데 도움이 될 것으로 기대하며 구리 적층 제조에 주목하고 있습니다. 3D 프린터는 자유로운 형상을 구현할 수 있어 가공, 절삭, 프레스 등 기존 가공 방식으로는 불가능했던 형상을 구현할 수 있습니다. 예를 들어, 많은 기업들이 전기자동차에 사용되는 코일의 헤어핀 부품을 3D 프린터를 사용하여 제작함으로써 더욱 효율적인 모터를 생산할 가능성을 검토하고 있습니다. 모터의 효율이 향상되면 전기자동차의 주행거리가 향상될 뿐만 아니라, 에너지 효율이 높아져 화력발전소에서 배출되는 이산화탄소도 감소할 수 있습니다. 이는 SDGs에서 제시하는 지속가능발전을 위한 구체적인 접근 방식이라고 할 수 있습니다. 열교환기에도 동일하게 적용됩니다. 자유로운 형상을 활용한 고효율 제품의 등장은 XNUMX차 에너지 절감으로 이어져 환경친화적 산업의 실현으로 이어진다.

2. 구리를 제조할 수 있는 3D 프린터의 종류

구리 또는 구리 합금을 원료 분말로 사용할 수 있는 3D 프린터의 유형은 아래와 같습니다.

• 분말층융합(PBF) 방식(레이저빔/전자빔)
• 지향성 에너지 증착(DED) 방식
• FDM(융합 증착 모델링) 방식
• 바인더젯 방식

각 인쇄 방식의 특징은 아래 열에 설명되어 있으니 참고하시기 바랍니다.

3. 3D 프린터용 구리 소재 비교

3-1. 순구리와 구리합금의 비교

금속 3D 프린터에 사용되는 구리 소재는 크게 "순구리"와 "구리 합금"으로 나뉩니다. 각 소재는 고유한 특성을 가지고 있으며, 용도에 적합한 소재를 선택합니다.

순수 구리는 전기 및 열 전도성이 매우 높아 버스바, 전극 등 대전류 응용 분야와 뛰어난 방열 성능이 요구되는 히트싱크에 적합합니다. 이러한 응용 분야에서는 전기나 열을 효율적으로 통과시켜야 하므로 순수 구리의 특성이 활용됩니다. 그러나 순수 구리는 고온에서 강도가 감소하고 약 300℃를 초과하면 산화가 진행되므로 고온 사용에 주의가 필요합니다. 또한, 레이저 빔 인쇄는 어렵고 전자 빔 인쇄가 신뢰성 있는 인쇄에 더 적합합니다. 반면, 구리 합금은 순수 구리에 비해 기계적 강도와 내열성이 향상되어 고온 환경에서 사용되는 부품이나 내마모성이 요구되는 부품에 적합합니다. 예를 들어, CuCrZr 합금은 고온에서도 강도를 유지하는 경향이 있어 로켓 노즐이나 자동차 엔진 부품에 사용됩니다. Cu-Ni 합금은 산화 방지성이 뛰어나 해양 환경에서 자주 사용됩니다. 구리 합금은 순수 구리만큼 열전도도나 전기 전도성이 높지는 않지만, 강도와 내열성이 향상되어 다양한 분야에 사용됩니다. 3D 프린터로 제작할 경우, 구리 합금은 순수 구리보다 제작이 더 쉽습니다.

3-2. 분말과 와이어 소재의 비교

재료의 형태에 따라 분류하면 '가루'와 '와이어'가 대표적이다.

구리 분말은 분말 베드 퓨전(PBF), DED(증착) 방식, 그리고 바인더 제트(Binder Jet) 방식으로 사용됩니다. 특히 분말 베드 퓨전(PBF)에 사용될 경우, 미세하고 복잡한 형상의 고밀도 부품을 생산할 수 있는 특징이 있습니다. 분말 재료는 균일한 제품 품질을 보장하고 순수 구리 및 구리 합금의 특성을 최적화할 수 있습니다. 그러나 인쇄 속도가 다소 느리고 분말 취급 및 관리가 어려울 수 있습니다. 또한, 분말의 재사용 및 보관에 대한 주의가 필요하며, 환경 관리 및 안전 조치 또한 필수적입니다.
반면, DED 방식은 와이어 소재를 사용합니다. 특히 아크 방전을 열원으로 사용하여 프린팅하는 경우, 와이어 아크 적층 제조(WAAM)라고 합니다.
와이어를 사용하면 분말 재료보다 인쇄 속도가 빠르므로 대형 부품 생산이나 수리 작업에 적합합니다. 와이어는 재료 공급이 안정적이며 비용 대비 성능이 우수합니다. 대형 부품 인쇄 및 빠른 생산이 필요한 경우 큰 장점이 됩니다. 이 외에도 구리 입자가 혼합된 필라멘트를 원료로 사용하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이 있습니다.

4. 구리 3D 프린팅의 문제점과 해결책

금속 3D 프린터를 이용한 구리 소재 프린팅에는 몇 가지 문제점이 있습니다. 본 논문에서는 세 가지 문제점을 다루고, 레이저 방식과 전자빔 방식을 이용한 해결책을 제시합니다.

문제 1: 순수 구리의 높은 반사율

순수 구리는 표면에서 높은 반사율을 가지고 있으며, 에너지 흡수율이 낮아 일반적으로 사용되는 파이버 레이저로 용융하기 어렵습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 "레이저 파장을 변경하는 방법", "레이저 출력을 높이는 방법", "전자빔 방법을 이용하는 방법"의 세 가지 접근 방식이 도입되었습니다.

・레이저 파장 변경

구리의 레이저 흡수율은 파장에 따라 크게 달라진다.
적외선 레이저의 흡수율은 5% 정도이지만, 파장이 짧은 녹색 레이저와 파란색 레이저는 모두 에너지 흡수율이 높아 용융을 촉진합니다.
하지만 녹색 레이저나 파란색 레이저로는 높은 출력을 얻는 것이 어렵습니다.
이를 사용하는 3D 프린터 모델은 많지 않습니다.

・레이저 파워 증가

레이저의 출력을 높이고 에너지 밀도를 증가시킴으로써, 대부분의 레이저가 반사되는 경우에도 국부적으로 구리를 용융시키는 것이 가능합니다.

・전자빔법의 활용

전자빔은 에너지 변환 효율이 80% 이상으로 높기 때문에 레이저보다 순수 구리 성형에 더 적합합니다. 순수 구리는 열전도도가 높고, 녹더라도 빠르게 냉각되어 응고되기 때문에 레이저로는 고밀도 성형이 어렵습니다. 반면 전자빔 방식은 출력과 효율이 높고, 예열이 필요한 고온 공정이기 때문에 고밀도 성형이 가능합니다.

문제 2: 산화에 의한 품질 저하

구리는 산소와 쉽게 반응하며, 인쇄 중 산화구리가 생성되면 기계적 강도와 전기 전도도가 저하됩니다. 레이저 빔 인쇄 시 산화 방지 대책으로는 아르곤, 질소와 같은 불활성 가스 환경에서 인쇄하고, 표면 처리 후 분말 재료를 사용하는 방법이 있습니다.

반면, 전자빔 방식은 진공 상태에서 인쇄를 진행하기 때문에 산화의 영향을 최소화할 수 있습니다.

문제 3: 잔류응력에 의한 휘어짐 및 균열

잔류응력은 외부 힘이 제거된 후에도 재료 내부에 남아 있는 응력을 의미합니다. 3D 프린터로 금속을 프린팅할 때, 재료는 가열과 냉각을 반복하면서 팽창과 수축을 반복합니다. 이 과정에서 한 부분이 냉각되어 수축을 시도하더라도, 주변 영역이 이러한 움직임을 방해하여 내부에 인장력과 압축력을 발생시킵니다. 이것이 바로 잔류응력입니다.
인쇄물에 잔류응력이 축적되면 휘어지거나 균열이 생깁니다.

잔류 응력에 의한 변형을 줄이기 위한 해상도 측정 방법에는 예열을 통해 용융 단계와 냉각 단계 사이의 온도 차이를 줄이는 것이 있습니다. 또 다른 방법은 인쇄 대상의 형상을 설계하고, 인쇄 각도를 조정하고, 지지체 부착 방식을 결정하여 전체 변형을 제어하는 ​​것입니다. 또한, 레이저 스캐닝 방향을 조정하여 잔류 응력의 국소 이방성을 활용할 수 있습니다.

5. 구리 3D 프린팅의 예

구리 합금 대신 순수 구리를 고집하여 전자빔 방식의 금속 3D 프린터를 선보인 NDK 주식회사의 도입 사례를 소개합니다.

6. 결론

구리는 뛰어난 특성으로 인해 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 최근에는 금속 3D 프린터로 출력한 구리 부품이 사용되기 시작했습니다. 그러나 구리 출력에는 많은 기술적 문제가 있으며, 적절한 출력 방식과 재료 형상의 선택이 필요합니다.

레이저 빔 방식과 전자 빔 방식은 각각 장단점이 있습니다. 순수 구리와 구리 합금, 분말 및 와이어 소재의 차이점을 고려하여 최적의 인쇄 방식을 선택하는 것이 좋습니다.

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